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双共焦波导准光电子回旋脉塞

张佳一  
【摘要】:太赫兹(Terahertz,THz)科学技术作为衔接经典电磁理论与光学理论的桥梁,跟微波比,具有更高的频率,更短的波长,因此带宽更宽。跟光比,具有更低的光子能量,因此不会破坏物质。太赫兹科学与技术作为有远大应用前景的前沿研究科目,可应用在卫星通信、高分辨率医学成像、电子对抗,雷达等多个领域和方面,具有广泛的应用价值。太赫兹辐射源是发展太赫兹科学的关键。而目前来看,当下的太赫兹辐射源面临输出功率小,注波互作用效率低,器件稳定性不足,腔体内模式竞争大等一系列问题。因此本文针对上述其中的几个问题,提出一种新型的双共焦波导准光电子回旋脉塞,建立双共焦波导的电磁理论模型,结合电磁场与电磁波理论和几何光学相关理论进行分析双共焦波导中的电磁特性,例如波导中各个模式的场分布特性、场分布表达式、色散特性以及衍射损耗等。基于双共焦波导内模式密度远低于传统圆波导,且模式间隔稀疏,输出功率容量大等优点,研究一种能实现双频输出,由两组不同尺寸的单共焦波导组成的双共焦波导回旋振荡器。本文对一些主要参数的数值给出了详细的设计过程并进行了参数的优化,包括工作磁场、电子束引导中心半径、起振电流等,并进行了仿真模拟验证,仿真结果表明该器件能同时实现200GHz和400GHz的双频输出。这大大拓宽了双共焦波导的应用前景,并且对工作在太赫兹频段的大功率双频输出器件提供了新的思路。研究双共焦波导中叠加模的耦合现象,发现在双共焦波导中馈入TE_(0,n)(n取奇数),在渐变截面双共焦波导型腔体中不能耦合出叠加模TE_0~a,_n~(nti)(n取奇数),而馈入TE_(0,n)(n取偶数)时,腔体中能耦合出叠加模TE_0~a,_n~(nti)(n取偶数)。因此应用此种在双共焦波导中独有的特性,研究一种工作频率在220GHz,用于双共焦波导回旋行波管的紧凑型输入耦合器,相较于传统的脊加载改进型双臂结构的共焦波导模式输入耦合器,这种紧凑型输入耦合器具有结构简单紧凑、易于加工的特点,进一步减小了后续双共焦波导回旋行波放大器实验的组装和测试难度。对其进行仿真模拟,通过S参数以及仿真结果表明模式转换效果较好,且该结构满足回旋放大器对输入耦合器工作带宽的要求。


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