太赫兹倍频行波管的理论与实验研究

发布时间：2019-07-21 11:31

【摘要】：随着科学技术的快速发展,交叉学科衍生出新的发展方向和研究领域,例如太赫兹技术。太赫兹波频率位于红外线与微波之间,因为其独特优越性被广泛应用于大容量通信、电磁对抗、探测等领域。但是高功率低成本太赫兹辐射源的缺少,一定程度上的限制了太赫兹技术的发展。我们将高次谐波自由电子激光的产生机理与行波管原理相结合,得到了一种新型的真空太赫兹源——高次谐波倍频行波管(HHTWT)。该器件是采用价格低廉的毫米波信号源作为驱动得到太赫兹信号。HHTWT的优点是输出信号功率大且输出频率可调。在HHTWT中的两段慢波线工作于不同的频率,但是有相同的相速,所以设计困难。本文设计出工作于346GHz的HHTWT,输入信号频率为84.5GHz-87.5GHz,功率均为100m W,输出信号频率为338GHz-350GHz,带宽为12GHz,输出功率100m W左右。并对工作于D波段的HHTWT的实验结果进行分析本文的主要工作有:1)选取折叠波导作为HHTWT的慢波线,设计出两段工作于不同频段的慢波线,调制段中心频率为86.5GHz,辐射段中心频率为346GHz,并对其高频特性进行分析。2)对工作于太赫兹波段的电子光学系统进行设计仿真,电子枪类型为皮尔斯无栅电子枪,聚焦系统为PPM。电子枪工作电压19k V,工作电流15m A,电子注通道半径为0.08mm。阴极发射密度Jk=7A/cm2,导流系数(28)0057247.0ppm,阴极面为平面,半径为0.3mm。一般来说阴极面为平面的电子枪的聚焦难度大,且层流性较差,经过一系列的仿真优化最终得到了较好的层流性与聚焦效果。3)对HHTWT中的注波互作用过程进行了详细的分析,设计出HHTWT中完整的慢波结构,并对其进行优化。调制段截止频率为75GHz,78个周期。辐射段截止频率为300GHz,40个周期。输出信号为输入信号的四倍频信号,而且频谱纯净,无低次谐波信号。4)太赫兹波段的HHTWT设计难度大,对工艺要求高,所以我们先设计出一支工作与D波段的HHTWT,并对工作于D波段的三次谐波HHTWT进行加工测试。测试结果显示,器件在输入信号为43.3GHz～45.3GHz,功率200m W时得到130GHz～136GHz,输出功率为50m W～500m W的输出信号。证明了HHTWT可以产生并放大高次谐波信号,为太赫兹波段的HHTWT提供了理论与实验基础。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN124

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本文编号：2517148