基于孔-栅平板慢波结构的太赫兹返波管研究

摘要

太赫兹波（0.1~10 THz）具有穿透性、宽带宽和低光子能量等特性，可应用于医疗成像、高速率数据通信、气体传感、高分辨率雷达等。辐射源的研究是太赫兹技术发展的关键，太赫兹返波管结构简单易于实现，且具有较宽的电子调谐范围，因此是一种非常重要的太赫兹真空电子学辐射源。但返波管仍需要向更高的输出功率和效率、更紧凑的尺寸、更轻的重量以及更低的电流密度等方向发展。研究发现：多电子注的应用可以增加输出功率和降低工作电流密度；适用于平板器件的带状电子注可以靠近慢波结构表面，增强注波互作用、提高输出功率，其较低的空间电荷效应可以降低对聚焦磁场的要求；亚波长孔阵列结构对电磁波具有增强透射的特性，可用于太赫兹辐射源研究。在此基础上，本文提出了一种可以由带状双电子注驱动的、基于孔-栅慢波结构的太赫兹返波管，对其进行了详细的理论分析、仿真模拟和实验研究。本论文的主要内容和创新点如下：
　　1、在平板光栅结构的基础上引入亚波长孔阵列，提出了单孔-光栅慢波结构。采用纵向场法和场匹配法推导出色散方程并验证其正确性；利用HFSS软件分析了结构参数对慢波结构高频特性的影响，讨论了结构中电场分布特性；使用 Chipic软件进行了三维粒子模拟。结果表明单孔-光栅慢波结构利用了亚波长孔阵列对电磁波的增强透射特性，使上、下电子注通道中的电场具有整体性，从而使得单孔-光栅慢波结构返波管具有注波互作用空间大、互作用功率高、达到稳定所需时间短的优势。
　　2、利用光栅、孔分别对结构中表面电场分布特性的影响，通过优化孔的数量及位置，设计了双孔-光栅慢波结构，改善了孔-栅慢波结构的电子注通道中表面电场的横向分布特性，有利于带状电子注的稳定传输。在双孔-光栅慢波结构高频特性分析的基础上，设计和优化了0.14 THz双孔-光栅慢波结构返波管，使用 CST Particle Studio进行了详细的三维粒子模拟研究，分析了工作参数对输出的影响并详细阐明了其物理机理。结果表明：双孔-光栅慢波结构返波管具有低电压、低电流密度的性能，且能在7.6 GHz调谐带宽内得到瓦级输出；同时，由于孔阵列的引入，双孔-光栅慢波结构返波管的输出不会受到两个电子注电流差异的影响，且只要一个电子注的电流密度高于最低起振电流密度，返波管就能够得到稳定的输出，因此能够降低对双电子注电子枪的要求，使其在工程上更具有可实现性。
　　3、利用1/4圆弧弯波导对电磁波相位的调制作用，设计分析了适用于将两个等幅反相的信号进行合成的E面功率合成器，避免了传统T型结构功率合成器中的微细结构，降低了合成器的设计与加工难度。并且基于分析结果提出了一种利用解析几何来设计 E面功率合成器的方法，通过该方法可以便捷的设计出各频段具有不同相对带宽的E面功率合成器。
　　4、利用结构对称性和孔阵列的增强透射特性，提出了基于双孔-光栅慢波结构的多层级联返波管方案，研究了结构中的电场分布、输出特性及注波互作用的物理过程。结果表明，相比于单层双孔-光栅慢波结构返波管，基于双层、三层级联结构的返波管可以获得更高的输出，且效率分别提升了23％和30%；系统中电磁波能量主要从外层两个电子注通道中耦合输出；电子注的电流差异不会改变外层通道中高频电场的等幅反相特性，但适当提高中间电子注的电流，可有效提升器件的输出功率及效率。
　　5、完成了双孔-光栅高频系统及 E面功率合成器的加工和冷测实验，得到了器件对应的传输耦合特性，并结合仿真结果进行了详细的分析。分析表明，由于加工精度的偏差，实验结果与模拟结果在谐振频点上略有差异，但趋势上基本一致，验证了双孔-光栅高频系统及E面功率合成器设计的正确性。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 小型化真空电子学辐射源研究现状

1.3 金属亚波长孔阵列的增强透射现象及其在THz辐射源技术的应用

1.4 本文的主要工作与创新

1.5 本论文的结构安排

第二章 基于单孔-光栅慢波结构的返波系统理论分析与模拟研究

2.1 单孔-光栅慢波结构的物理模型

2.2 单孔-光栅慢波结构的高频特性分析

2.3 单孔-光栅返波管的粒子模拟研究

2.4 本章小结

第三章 基于双孔-光栅慢波结构的返波管高频特性分析

3.1 双孔-光栅慢波结构的提出

3.2 双孔-光栅慢波结构的高频特性分析

3.3 双孔-光栅慢波结构返波管关键组件的电磁特性分析

3.4 双孔-光栅慢波结构返波管电磁波传输特性研究

3.5 本章小结

第四章 双孔-光栅慢波结构返波管的粒子模拟研究

4.1 0.14 THz双孔-光栅慢波结构返波管粒子模拟

4.2 工作参数对双孔-光栅慢波结构返波管输出的影响

4.3 双孔-光栅慢波结构返波管的性能优化

4.4 双孔-光栅与平板光栅慢波结构返波管性能对比分析

4.5 本章小结

第五章 多层级联双孔-光栅慢波结构返波管的研究

5.1 双层级联双孔-光栅慢波结构返波管研究

5.2 三层级联双孔-光栅慢波结构返波管研究

5.3 多层级联双孔-光栅慢波结构返波管注波互作用的物理分析

5.4 本章小结

第六章 双孔-光栅慢波结构返波管的高频特性实验研究

6.1 双孔-光栅高频系统实验研究

6.2 E面功率合成器实验研究

6.3 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果