基于梯形结构的THz频段扩展互作用速调管研究

摘要

国际上对太赫兹(THz)波的认识已经基本达成共识，其具有很高的科学研究和应用价值，其独特的性质给太赫兹科学技术的研究与发展起到了很大的促进作用。而宽带和小型化的大功率THz辐射源是现阶段推广太赫兹技术应用到实际的瓶颈。
　　本文采用传统的梯形线电路结构设计了多腔工作的太赫兹波扩展互作用速调管(EIK)，采用多间隙输入、输出腔体与标准波导耦合连接，各个腔体之间由漂移段相连。
　　具体工作如下：
　　首先，阐述了太赫兹波的相关特性，概述了其在相关领域的发展现状和未来的发展趋势；介绍了速调管内部的物理现象和基本理论，总结了扩展互作用速调管的新型结构模型和最近的应用与发展，为进一步的设计与模拟研究打好理论基础。
　　其次，利用HFSS和CST仿真软件，研究了梯形线电路结构的高频特性。分析了结构参数的改变对色散特性的影响；导出了梯形线耦合腔结构轴向等效电场，求得了耦合阻抗；并推导分析了耦合阻抗和特性阻抗的关系。研究了多周期结构扩展互作用腔内的模式竞争，分析了带有标准波导的输入、输出腔的 S参数，分析了不同中间腔体结构模型的特性；初步获得了中心频率0.22THz的EIK多腔体结构模型及工作参数。此外还对比仿真了不同耦合腔结构的高频特性。
　　最后，根据冷腔仿真设计参数，使用 Magic软件建立了粒子模拟三维模型，研究了EIK的热腔特性。模拟分析了漂移段长度、中间腔体类型、输入信号功率与频率以及电子注等工作参数对EIK输出特性的影响。模拟结果发现采用带有匹配波导负载的中间腔有利于获得稳定的功率输出。最终获得了中心频率0.22THz具有稳定输出功率的EIK工作参数：工作电压为13kV，电流为0.07A，输入信号平均功率为7mW，输出平均功率为20W，增益达34.6dB，效率为2.2％。以上模拟结果为下一步的加工和实验奠定了基础。

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第一章 绪 论

1.1 太赫兹技术的发展状况

1.2 太赫兹源的发展

1.3 本论文的主要内容和结构

第二章 速调管的基本理论

2.1 速调管的基本工作原理

2.2 速调管的基本理论

2.3 扩展互作用速调管的结构

2.4 本章小结

第三章 扩展互作用速调管高频特性研究

3.1 梯形线高频特性分析

3.2 EIK冷腔设计

3.3 速调管不同高频结构仿真对比

3.4 本章小结

第四章 扩展互作用速调管粒子模拟研究

4.1 速调管工作点的确定

4.2 扩展互作用速调管的模拟研究

4.3 输出性能随工作参数的变化

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果