太赫茲回旋管準(zhǔn)光模式變換器的研究.pdf

1、太赫茲波介于毫米波和紅外之間，它的產(chǎn)生和應(yīng)用是目前國際上的一個研究熱點。回旋管已經(jīng)被證明是最有可能產(chǎn)生大功率太赫茲信號的器件。太赫茲波為亞毫米波，其波長很短，在波導(dǎo)中傳輸損耗大。為增大注－波互作用腔體的尺寸，太赫茲回旋管通常工作于高階模式。然而高階模式電磁波不利于在自由空間中傳輸和應(yīng)用，因此為了增大回旋管的收集極半徑，提高輸出功率，需要采用準(zhǔn)光模式變換器橫向輸出太赫茲波。采用準(zhǔn)光模式變換器可以減少輸出窗的反射，防止反射波加熱電子注從而影

2、響注－波互作用的穩(wěn)定性。因此，研究太赫茲回旋管準(zhǔn)光模式變換器具有非常重要的意義。
　　本文首先對W波段回旋管的準(zhǔn)光模式變換器進行理論研究和實驗，然后對工作于高階旋轉(zhuǎn)模式TE17,4，輸出頻率為0.42THz的回旋管準(zhǔn)光模式變換器進行研究分析。
　　本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新之處可概述如下：
　　1、采用正弦幅度曲線代替了傳統(tǒng)的梯形折線幅度曲線設(shè)計了太赫茲波的Denisov輻射器。Denisov輻射器是Vlasov輻射器改進型

3、結(jié)構(gòu)，它采用了一段壁擾動波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對輸入的電磁波進行預(yù)聚束成類高斯束分布。擾動結(jié)構(gòu)通常采用螺旋波紋形式，擾動深度沿傳播方向成梯形折線分布，這種分布結(jié)構(gòu)在折線的拐點處存在奇點。奇點的存在使波導(dǎo)內(nèi)耦合系數(shù)的推導(dǎo)與數(shù)值計算帶來了困難。本文采用的正弦幅度曲線存在連續(xù)偏導(dǎo)數(shù)，避免了奇點的存在，減少了計算難度，同時也減小了寄生模式。
　　2、采用矢量繞射積分法計算了輻射口輸出的輻射場，輻射場分布與給出的實驗結(jié)果基本一致。高階模式輸入的輻射器采用

4、螺旋切口結(jié)構(gòu)，電磁波從螺旋切口向外輻射，輻射場的功率和效率是影響整個準(zhǔn)光模式變換器的性能的主要因素。因此需要精確計算輻射口的場分布。目前國際上主要采用三維仿真軟件進行仿真分析，但隨著工作模式和頻率的提高，三維仿真軟件需要大量的計算機資源和時間。矢量繞射積分法既可以滿足計算精度的要求也可以大大減小計算機資源和縮短計算時間。
　　3、矢量繞射積分法與標(biāo)量繞射積分法相結(jié)合計算各個反射鏡面上的場分布。標(biāo)量繞射積分法具有計算量小，計算速度快

5、等優(yōu)點，但由于忽略了鏡面邊沿上的場分布，計算精度被降低了。矢量繞射積分法計算量大，精度高。本文結(jié)合兩者的優(yōu)點，先采用標(biāo)量繞射積分法計算出各個鏡面的位置和尺寸，再采用矢量繞射法精確計算鏡面上的場分布和精確調(diào)整反射面的各個幾何參數(shù)。
　　4、設(shè)計了工作于0.1THz TE6,2的太赫茲準(zhǔn)光模式變換器。在傳統(tǒng)的擾動方程的基礎(chǔ)上增加了多項擾動因子，增強了擾動結(jié)構(gòu)的靈活性。采用耦合波理論計算了擾動段內(nèi)各個模式沿縱向的功率分布，分析了輻射口的

6、高斯束參數(shù)，分析了輸出電磁波的旋轉(zhuǎn)方向?qū)δＪ阶儞Q器的轉(zhuǎn)換效率和功率的影響。結(jié)合本文所依賴的課題，采用四個反射鏡對輸出的輻射場進行相位修正。
　　5、設(shè)計了工作于0.42THz TE17,4高階模式高過模的太赫茲回旋管準(zhǔn)光模式變換器。由于工作模式很高，可能存在很多的寄生模式，需要分析波導(dǎo)內(nèi)可能耦合出的各個寄生模式，從而采用相應(yīng)的措施抑制寄生模式。太赫茲波長很短，波導(dǎo)截止半徑很小，因此回旋管收集極工作于高過模狀態(tài)，不適合采用Denis