太赫茲回旋行波管的研究.pdf

1、太赫茲科學(xué)技術(shù)具有重大的應(yīng)用前景，是當(dāng)今科學(xué)研究領(lǐng)域的重大熱點(diǎn)。而太赫茲源又是太赫茲科學(xué)技術(shù)研究的關(guān)鍵，在眾多的太赫茲源中，電子回旋脈塞具有高功率、高效率的特點(diǎn)，是一種重要的太赫茲源。目前在國(guó)際上，美國(guó)、俄羅斯、歐洲、日本等國(guó)家在電子回旋脈塞的研究方面理論和技術(shù)都較為成熟，而我國(guó)與之相比還有比較大的差距。
　　回旋行波管作為一種特殊的電子回旋脈塞原理器件，在高功率雷達(dá)、微波毫米波通訊、精確武器制導(dǎo)、粒子加速器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛

2、力。但是，回旋行波管很容易受到各種不穩(wěn)定性寄生振蕩的干擾，故相對(duì)于回旋振蕩管和回旋速調(diào)管而言，回旋行波管的發(fā)展相對(duì)滯后。特別是當(dāng)工作頻率進(jìn)一步提高至太赫茲頻段時(shí)，往往需要采用更高階的模式來(lái)維持回旋行波管的功率容量，但是工作在高階模式也意味著模式競(jìng)爭(zhēng)更為嚴(yán)重。因此，能夠有效抑制寄生振蕩的高頻結(jié)構(gòu)一直都是回旋行波管研究的重要方向之一。
　　從回旋行波管的物理本質(zhì)出發(fā)，本文總結(jié)了回旋行波管設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題和回旋行波管高頻結(jié)構(gòu)的發(fā)展。采用

3、了具有模式選擇特性的高頻結(jié)構(gòu)，即準(zhǔn)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并研究了其場(chǎng)分布及衍射損耗的特點(diǎn)，分析了其中比較特殊的高頻結(jié)構(gòu)，即共焦波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并將其色散關(guān)系與圓波導(dǎo)進(jìn)行了對(duì)比，闡述了準(zhǔn)光波導(dǎo)模式密度較圓波導(dǎo)更稀疏的特點(diǎn)。
　　隨后，本文基于單粒子理論建立了準(zhǔn)光回旋行波管的線性理論，獲得了其初步的工作參數(shù)，計(jì)算得到了其線性增益及帶寬。介紹了回旋行波管中的不穩(wěn)定性，包括絕對(duì)不穩(wěn)定性、回旋返波振蕩、反射振蕩以及起始損耗等物理概念。詳細(xì)研究了準(zhǔn)光回旋行波

4、管中主要競(jìng)爭(zhēng)模式的返波振蕩，計(jì)算了準(zhǔn)光回旋行波管中可能出現(xiàn)的起振電流，并與圓波導(dǎo)的情況進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：由于準(zhǔn)光波導(dǎo)衍射損耗的存在，其模式密度較圓波導(dǎo)稀疏，故模式競(jìng)爭(zhēng)較圓波導(dǎo)得到很大緩解；與此同時(shí)，準(zhǔn)光波導(dǎo)回旋行波管相關(guān)模式的起振電流較圓波導(dǎo)中有關(guān)模式高的多，這意味著，相較于傳統(tǒng)的圓波導(dǎo)回旋行波管，準(zhǔn)光回旋行波管具有更大的穩(wěn)定工作在高階模式的潛力，從而大大提高了準(zhǔn)光回旋行波管的功率容量。
　　之后，本文中推導(dǎo)了直角坐標(biāo)系中的非

5、線性注波互作用理論，包括具有相對(duì)論效應(yīng)的電子運(yùn)動(dòng)方程和高頻場(chǎng)方程。推導(dǎo)的方程為穩(wěn)態(tài)多模非線性方程組，并根據(jù)具體的互作用模擬對(duì)其進(jìn)行數(shù)值處理。在本文的數(shù)值計(jì)算中，我們僅采用了單個(gè)模式，結(jié)合具體的邊界條件、初始條件并考慮一定的速度零散，編制了0.34THz準(zhǔn)光回旋行波管的互作用程序。在注波互作用的數(shù)值計(jì)算中，我們考慮了準(zhǔn)光波導(dǎo)中的衍射損耗和歐姆損耗，并采用了能量守恒定律驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。針對(duì)準(zhǔn)光波導(dǎo)的特點(diǎn)，探討了采用特殊電子槍的可能性，

6、并將之與傳統(tǒng)電子槍的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示采用扇形電子槍具有提高效率、縮短互作用長(zhǎng)度等特點(diǎn)。
　　最后，鑒于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)0.17THz準(zhǔn)光回旋行波管進(jìn)行了理論和仿真研究，仿真研究包括輸入耦合器、輸出耦合器以及扇形電子槍，探討發(fā)射帶的變化對(duì)電子槍性能的影響。仿真結(jié)果表明，0.17THz準(zhǔn)光回旋行波管的輸入耦合器、輸出耦合器設(shè)計(jì)均具有較好的工作性能。而在電子槍的仿真研究中，發(fā)現(xiàn)發(fā)射帶的變化對(duì)電子槍工作性能的影響非常小，