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650GHz曲折波导返波管的研究

蔡明均  
【摘要】:太赫兹频段的电磁频谱开发已经成为目前电磁学领域的学科前沿和热点课题。THz波独特的性质使得其具有重要的科学研究价值,广泛应用于军事装备、科学研究、电子信息、信息安全、生物科学、国民经济等技术领域。THz器件已经成为真空电子技术中一个新的挑战,而返波管作为一种重要的技术手段,可用于作为THz大功率电磁辐射源。 返波管是目前发展比较成熟的小型化、低造价的真空电子信号源。返波管能够在很宽频带内实现电子调谐,其微波振荡主要利用慢波结构上的电子注与返波相互作用激发。THz返波管作为一种十分具有前景的小型化THz信号源,具有很强的可行性。本论文采用曲折波导作为慢波系统,设计在650GHz频段具有瓦量级输出信号功率的返波管。 本论文主要是从曲折波导慢波结构冷参数高频特性、返波管传输特性、粒子注-波互作用特性三个方面对返波管进行了研究。通过软件设计和模拟计算曲折波导慢波结构返波管,使获得较大的信号输出功率和较宽的调谐带宽。 本论文的主要工作和研究内容包括以下四点: 1、首先研究了返波管的基本理论,介绍了返波管的发展现状、主要结构和主要参数,为如何开展返波管设计以获得平稳输出和较大功率提供理论指导。 2、介绍了曲折波导慢波结构基本知识和高频特性,设计了650GHz曲折波导慢波结构,模拟分析各结构尺寸变化对曲折波导耦合阻抗和色散特性的影响,并获得最佳优化尺寸。 3、研究了曲折波导慢波系统的电子注通道、慢波周期数目对返波管的传输特性的影响,最终计算出40个周期的最佳慢波系统。 4、设计了650GHz返波管的输出结构盒型窗和衰减器,完成了650GHz曲折波导慢波结构返波管的整管设计和粒子注-波互作用模拟。带状电子注曲折波导慢波结构返波管在625GHz到675GHz的50GHz的带宽内,获得超过1.2W的功率输出;圆形电子注曲折波导返波管在624GHz到669GHz的45GHz的带宽内,获得超过1.25W的功率输出。


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