基于孔-柵平板慢波結構的太赫茲返波管研究.pdf

1、太赫茲波（0.1~10 THz）具有穿透性、寬帶寬和低光子能量等特性，可應用于醫(yī)療成像、高速率數據通信、氣體傳感、高分辨率雷達等。輻射源的研究是太赫茲技術發(fā)展的關鍵，太赫茲返波管結構簡單易于實現，且具有較寬的電子調諧范圍，因此是一種非常重要的太赫茲真空電子學輻射源。但返波管仍需要向更高的輸出功率和效率、更緊湊的尺寸、更輕的重量以及更低的電流密度等方向發(fā)展。研究發(fā)現：多電子注的應用可以增加輸出功率和降低工作電流密度；適用于平板器件的帶狀電

2、子注可以靠近慢波結構表面，增強注波互作用、提高輸出功率，其較低的空間電荷效應可以降低對聚焦磁場的要求；亞波長孔陣列結構對電磁波具有增強透射的特性，可用于太赫茲輻射源研究。在此基礎上，本文提出了一種可以由帶狀雙電子注驅動的、基于孔-柵慢波結構的太赫茲返波管，對其進行了詳細的理論分析、仿真模擬和實驗研究。本論文的主要內容和創(chuàng)新點如下：
　　1、在平板光柵結構的基礎上引入亞波長孔陣列，提出了單孔-光柵慢波結構。采用縱向場法和場匹配法推導

3、出色散方程并驗證其正確性；利用HFSS軟件分析了結構參數對慢波結構高頻特性的影響，討論了結構中電場分布特性；使用 Chipic軟件進行了三維粒子模擬。結果表明單孔-光柵慢波結構利用了亞波長孔陣列對電磁波的增強透射特性，使上、下電子注通道中的電場具有整體性，從而使得單孔-光柵慢波結構返波管具有注波互作用空間大、互作用功率高、達到穩(wěn)定所需時間短的優(yōu)勢。
　　2、利用光柵、孔分別對結構中表面電場分布特性的影響，通過優(yōu)化孔的數量及位置，設

4、計了雙孔-光柵慢波結構，改善了孔-柵慢波結構的電子注通道中表面電場的橫向分布特性，有利于帶狀電子注的穩(wěn)定傳輸。在雙孔-光柵慢波結構高頻特性分析的基礎上，設計和優(yōu)化了0.14 THz雙孔-光柵慢波結構返波管，使用 CST Particle Studio進行了詳細的三維粒子模擬研究，分析了工作參數對輸出的影響并詳細闡明了其物理機理。結果表明：雙孔-光柵慢波結構返波管具有低電壓、低電流密度的性能，且能在7.6 GHz調諧帶寬內得到瓦級輸出；同

5、時，由于孔陣列的引入，雙孔-光柵慢波結構返波管的輸出不會受到兩個電子注電流差異的影響，且只要一個電子注的電流密度高于最低起振電流密度，返波管就能夠得到穩(wěn)定的輸出，因此能夠降低對雙電子注電子槍的要求，使其在工程上更具有可實現性。
　　3、利用1/4圓弧彎波導對電磁波相位的調制作用，設計分析了適用于將兩個等幅反相的信號進行合成的E面功率合成器，避免了傳統(tǒng)T型結構功率合成器中的微細結構，降低了合成器的設計與加工難度。并且基于分析結果提出

6、了一種利用解析幾何來設計 E面功率合成器的方法，通過該方法可以便捷的設計出各頻段具有不同相對帶寬的E面功率合成器。
　　4、利用結構對稱性和孔陣列的增強透射特性，提出了基于雙孔-光柵慢波結構的多層級聯返波管方案，研究了結構中的電場分布、輸出特性及注波互作用的物理過程。結果表明，相比于單層雙孔-光柵慢波結構返波管，基于雙層、三層級聯結構的返波管可以獲得更高的輸出，且效率分別提升了23％和30%；系統(tǒng)中電磁波能量主要從外層兩個電子注通