新型正弦波導(dǎo)太赫茲慢波結(jié)構(gòu)和器件的研究.pdf

1、太赫茲科學(xué)技術(shù)是當(dāng)今電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它在寬帶通信、生物醫(yī)學(xué)成像、安全檢查、無(wú)損檢測(cè)等諸多方面具有極為重要的應(yīng)用價(jià)值。在太赫茲科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，如何產(chǎn)生太赫茲波是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題，真空電子技術(shù)則是用來(lái)開(kāi)發(fā)太赫茲輻射源的一種有效技術(shù)途徑。行波管和返波管是眾多傳統(tǒng)真空電子器件中應(yīng)用最為廣泛的大功率輻射源。然而，隨著工作頻率升高到太赫茲頻段，作為器件核心組件的慢波結(jié)構(gòu)遇到了耦合阻抗低、反射強(qiáng)以及傳輸損耗大等關(guān)鍵性技術(shù)難題。為了解決這些

2、問(wèn)題，作者通過(guò)慢波結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)突破。本論文中，作者提出了脊加載正弦波導(dǎo)（RLSWG）、平頂型正弦波導(dǎo)（TSWG）、開(kāi)槽正弦波導(dǎo)（SSWG）、正弦型脊波導(dǎo)（SSRWG）四種新型電磁結(jié)構(gòu)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，四種新結(jié)構(gòu)在一定程度上解決了慢波電路耦合阻抗低、反射強(qiáng)以及傳輸損耗大等問(wèn)題。因此，作者結(jié)合每種結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)勢(shì)，將它們應(yīng)用到相應(yīng)的器件設(shè)計(jì)中，這樣可以有效地提高現(xiàn)有大功率太赫茲輻射源的工作性能。
　　論文中首先對(duì)四種新型慢波電路的慢波

3、特性、傳輸特性以及注-波互作用特性開(kāi)展了深入的研究工作。然后，結(jié)合每種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將它們應(yīng)用到太赫茲行波管和返波管的設(shè)計(jì)中。
　　論文中的具體創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　1.提出了一種適合與圓形電子注互作用的脊加載正弦波導(dǎo)，該結(jié)構(gòu)具有耦合阻抗大、傳輸損耗低、反射弱等優(yōu)勢(shì)。接下來(lái)，基于這種新型慢波結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)出 G波段圓形電子注行波管的高頻系統(tǒng)。注-波互作用模擬結(jié)果表明，相比于常規(guī)正弦波導(dǎo)行波管，脊加載正弦波導(dǎo)行波管具有更大的輸出功率和

4、更短的互作用長(zhǎng)度。在G波段，最大輸出功率提高14.3％，而互作用長(zhǎng)度縮短約9.6%。
　　2.提出了一種適合與帶狀電子注互作用的平頂型正弦波導(dǎo)，該結(jié)構(gòu)具有工作頻帶寬、耦合阻抗大、傳輸損耗低、反射弱等優(yōu)勢(shì)。注-波互作用模擬結(jié)果表明，平頂型正弦波導(dǎo)行波管比常規(guī)正弦波導(dǎo)行波管具有更大的輸出功率和更短的互作用長(zhǎng)度。在G波段，最大輸出功率提高15.1%，而互作用長(zhǎng)度縮短約16%?；谄巾斝驼也▽?dǎo)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出220GHz帶狀注行波管的高頻系

5、統(tǒng)。當(dāng)電子注電壓為20.8kV、工作電流為100mA時(shí)，此行波管在210~255GHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生57.5W以上的輸出功率，輸出增益大于30.6dB，最大輸出功率達(dá)到115W，3dB帶寬超過(guò)45GHz。
　　3.提出了可應(yīng)用于圓形電子注返波管中的開(kāi)槽正弦波導(dǎo)，該結(jié)構(gòu)具有耦合阻抗極大、傳輸損耗低等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，采用開(kāi)槽正弦波導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種新型的反射器，并將其應(yīng)用到380GHz圓形電子注開(kāi)槽正弦波導(dǎo)返波管設(shè)計(jì)方案中。粒子模擬結(jié)果表

6、明，在工作電流為30mA時(shí)，通過(guò)調(diào)諧工作電壓從20kV到32kV，該返波管在363.4~383.8GHz的頻率范圍內(nèi)可以產(chǎn)生8.05W以上的輸出功率。
　　4.結(jié)合常規(guī)正弦波導(dǎo)與雙脊矩形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了正弦型脊波導(dǎo)，該結(jié)構(gòu)具有冷通帶帶寬寬、耦合阻抗大、傳輸損耗低等優(yōu)勢(shì)。注-波互作用模擬結(jié)果表明，在0.6-1THz頻段內(nèi)正弦型脊波導(dǎo)返波管比常規(guī)正弦波導(dǎo)返波管具有更大的輸出功率。同時(shí)，正弦型脊波導(dǎo)返波管的調(diào)諧帶寬比常規(guī)正弦波導(dǎo)返波

7、管拓寬約13.2%。構(gòu)建了 G波段瓦量級(jí)正弦型脊波導(dǎo)返波管高頻系統(tǒng)，該高頻系統(tǒng)中包括正弦型脊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)、能量輸出結(jié)構(gòu)、終端匹配負(fù)載結(jié)構(gòu)、阻抗轉(zhuǎn)換器等組件。在工作電流為11mA時(shí)，通過(guò)調(diào)諧工作電壓從6kV到18kV，該返波管在175.2~251.9GHz的頻率范圍內(nèi)可以產(chǎn)生0.99W以上的輸出功率。
　　5.構(gòu)建出 W波段正弦型脊波導(dǎo)傳輸特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試模型，并完成對(duì)此模型的加工以及傳輸特性的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為：在75~110GH