毫米波扩展互作用器件慢波谐振系统的研究

摘要

毫米波是频率范围为30GHz~300GHz范围内的电磁波，介于微波、红外、光波之间。因此兼有这几个特点：第一，波束窄。第二，极宽的带宽。第三，毫米波器件的尺寸较微波器件而言要小很多。第四，相比激光来说，它的传播特性受气候的影响小，接近全天候特性。
　　扩展互作用器件(EID, Extended Interaction Devices)是在二十世纪六十年代发展起来的，互作用机理介于行波管和速调管之间的毫米波真空电子器件，主要有扩展互作用速调管(EIK, Extended Interaction Klystron)和扩展互作用振荡器(EIO, Extended Interaction Oscillator)。与行波管和速调管相比，扩展互作用器件采用的慢波谐振系统兼顾了两者的优点，既可以获得高增益和效率，又可以获得足够大的带宽。
　　EID在毫米波、亚毫米波频段有非常大的发展的潜力，该器件具有结构紧凑、重量轻、体积小、大带宽、工作电压低、输出功率高等特点。目前国际上一些国家在卫星通讯、深空拓扑成像、气候的观测等一些项目上越来越多地采用了EID。
　　本文主要对毫米波段0.14THz带状注扩展互作用器件慢波谐振系统进行了初步研究。本文采用高频电磁模拟软件 CST(Computer Simulation Technology)和CHIPIC软件分别对其进行了冷腔仿真和热腔仿真，分析了慢波谐振系统的各结构参数对其影响，得到一组较优的结构参数值来构建模型。然后基于前面构建的模型，针对该慢波谐振系统进行了色散曲线的仿真计算。在色散曲线与 PIC仿真的基础上，对模式竞争进行了分析，选取了?模为工作模式，并给予了论证。最后PIC仿真结果表明在较低工作电压18.2kV，工作电流0.5 A的条件下，该谐振系统的注波互作用效率可达到22％，工作模式为?模，输出平均功率可达1.98kW，工作频率为149.4GHz。并且在相同的结构参数以及相同电子注横截面积与密度的条件下，对带状束EIO与柱形束EIO进行了比较，最终模拟输出结果表明带状注EIO比柱状注 EIO有更高的输出功率和注波互作用效率。这是因为带状注横截面上的纵向电场更加均匀，导致电子受到的密度调制更加均匀、群居效果更好；另外，带状注的耦合阻抗更大。

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第一章 绪论

1. 1 毫米波的特性

1. 2 毫米波的应用及其发展

1. 3 毫米波器件及发展状况

第二章 扩展互作用器件

2. 1 扩展互作用器件的简介

2. 2 扩展互作用器件的基本理论分析

2. 3 扩展互作用器件的发展及应用状况

2. 4 本章小结

第三章 扩展互作用器件慢波谐振系统的理论研究

3. 1 本文参考模型来源

3. 2 哑铃型谐振腔

3. 3 周期性慢波结构

3. 4 慢波结构的多导体传输线分析

3. 5 本章小结

第四章 扩展互作用器件慢波谐振系统的设计

4. 1 频段为0.1 4THz的扩展互作用振荡器

4. 2 模式竞争与色散分析

4. 3 PIC模拟仿真

4. 4 带状注与圆柱状注的比较分析

4. 5 本章小结

第五章 结束语

5. 1 论文工作总结

5. 2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果