太赫兹三注折叠波导行波管慢波电路的研究

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随着微加工技术和高电流密度阴极技术的发展,应用于机载、星载平台的太赫兹放大器的研究已成为电真空技术领域的热点问题。多注折叠波导慢波电路采用多路放大,既可提高放大功率,同时减少了单注电流密度,缩短了电子束通道的长度,从而降低了电子束的截获,提高了效率。另一方面在制造工艺上,解决了太赫兹频段细长电子束通道加工和高电流密度电子束聚焦、传输这一具有共性且为瓶颈的技术问题。以微型多注折叠波导慢波电路为核心的行波管放大器具有高功率、宽频带、轻量紧凑的优点,有望成为太赫兹成像雷达、太赫兹通信系统的相干功率源。本文具体开展了220GHz三注折叠波导慢波电路放大特性研究,主要工作内容概括如下:  (1)研究了三注折叠波导慢波结构的高频特性。运用经典的等效电路法研究了该三注慢波结构的色散特性,随后基于等效电路法得到的相位常数,本文又利用耦合阻抗公式得到了轴向耦合阻抗。同时利用HFSS软件的本征模求解器对比验证了色散特性和耦合阻抗的理论结果。另外,利用HFSS软件分析了三注慢波结构的损耗特性,并与单注结构进行了比较。  (2)基于对三注折叠波导慢波结构的高频特性研究,本文设计了一个中心频率为220GHz的三注折叠波导行波管慢波电路,并利用CST软件对该慢波电路进行了粒子仿真实验。采用截断的方式将整体慢波电路分成四段,并且对截断端口进行了全匹配处理。仿真结果表明,在纵向施加0.5T的聚焦磁场时,长约为31mm的慢波电路获得的最大增益为36.21dB,3dB带宽约为15GHz(211GHz~226GHz)。随后,本文又分析了聚焦磁场对电路增益的影响,找到了最佳的聚焦磁场强度为0.3T。最后,本文讨论了边缘电子注分别在工作电压和工作电流减小的情况下,对增益和带宽的影响:当电压减小时,电路的增益变小,但总体的3dB带宽略变宽;而电流减小时,电路的增益和带宽均减小。  (3)设计了集中衰减器,并采用与截断相结合的方式将其引入220GHz三注折叠波导慢波电路中。介绍了当前毫米波以及太赫兹低频段内主要用到的衰减材料及其电磁参数,并利用CST软件讨论了衰减材料的电导率和损耗角正切对衰减器的匹配以及衰减性能的影响。随后又通过CST软件粒子仿真研究了加载衰减器的慢波电路的放大性能。最终结果表明,在中心频率为220GHz时,加载集中衰减器的慢波电路的增益也高达36.71dB,获得的3dB带宽约为7GHz(216GHz~223GHz)。  本文设计的三注折叠波导行波管慢波电路不仅具有良好的放大特性,而且电路结构紧凑,易与微加工技术融合实现精度加工,为进一步发展成为一种高功率太赫兹辐射源奠定了理论设计基础以及提供了可行的实现技术途径。
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