太赫兹平面集成慢波结构研究

发布时间：2020-09-27 20:09

　　太赫兹科学与技术是当前的前沿研究领域之一,太赫兹波具有低能性、高透性、指纹谱性、宽带性、瞬态性和相干性等独特的物理性质。这些优良的物理特性使太赫兹波在卫星通信、遥感成像、生物医学和基础科学研究等领域有着广泛应用前景。目前,太赫兹科学与技术的发展主要受限于技术不成熟的太赫兹源,而对于需求中高功率、高效和长工作寿命的太赫兹辐射源来说,真空电子器件是相对切实可行的器件,它整体体积较小且能在常温下工作。行波管与返波管是最为常见的两种真空电子器件,它们的工作频率已经从KHz延伸至THz,输出功率也从mW增加至MW。小型化与集成化已经成为了真空电子器件的发展趋势,通过采取多电子注系统与多级级联结构的方式以达到高功率的目的。首先,本文对基于矩形交错双光栅慢波结构的返波管与行波管进行了深入研究。其次,在矩形交错双光栅慢波结构的基础上提出了双通道矩形交错双光栅慢波结构,并研究了由新慢波结构构成的行波管。最后,提出了三种级联微波管的级联方案并分别研究了不同方案的输出特性。在具体的研究中,我们从理论上研究了矩形交错双光栅慢波结构和双通道矩形交错双光栅慢波结构各自的色散特性,分析了由这两种慢波结构分别构成的单管微波管与级联微波管的传输特性,最终计算分析了微波管的波-注互作用。对以上单管微波管与级联微波管的波-注互作用研究表明:1、基于矩形交错双光栅慢波结构的返波管输出功率可以达到13.47W。2、基于矩形交错双光栅慢波结构的行波管最大增益可达18.8dB。3、基于双通道矩形交错双光栅慢波结构的行波管最大增益可达30.8dB。4、在行波管与返波管的级联方案中,整管输出功率为2.7W;两支返波管的级联方案中,整管输出功率可达11.5W;两支行波管级联方案中,输出功率可达13W,最大增益可达31.1dB。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN124;O441.4
【部分图文】：

太赫兹波,电磁频谱,位置

第一章绪论太赫兹波概述1873 年，著名英国物理学家 JamesClerkMaxwell 出版《电磁学通论》，标学的发展进入新的纪元。在该著作中 Maxwell 使用严谨的数学理论和方法拉第的科学思想，并且建立了电磁场理论的完整体系。他把电与磁通过克斯韦方程组完美的结合在了一起，以简洁的数学结构，揭示了电场与磁联系。自 1888 年赫兹首次证实电磁波的存在以来，电磁波很快地被应用日常生活当中，例如无线通讯、雷达和 RFID 等技术的运用。随着对电磁研究，研究人员发现在毫米波与红外线之间存在一个特殊的频段，即太赫z）。太赫兹波可以被称为毫米波和亚毫米波；而在光学领域，它又被称线。太赫兹波的频率范围常被认为在 0.1~10THz；在有些场合的频率范3THz。图 1.1 展现了太赫兹波在电磁频谱中的位置。

原理图,原理图,空间谐波,幅值条件

图 2.1 反馈产生振荡原理图Fig 2.1 Illustrative diagram of feedback oscillation子注与基波为前向波的某模式电磁波的-1 次空间谐波相互作方向与-1 次空间谐波的传播方向同向，而被放大的电磁能量方向相反的方向传播，并且把一部分能量耦合到电子注对其进子注又继续与-1 次空间谐波互作用，最终体现为电子注与-1 使整个模式电磁波的能量增加。振荡器自激振荡条件振荡器产生自激振荡需要满意两个条件：相位条件和幅值条件）所示，即电磁波在慢波结构两端反射一个来回的总相移要求生自激振荡的幅值条件则为：2 2in out in inKR R P PA

曲线,直接表示,色散特性

带宽、体积小、重量轻的大功率毫米波和亚毫米波放表征了电磁波在传输介质中的相速度pv 随频率 f 的对慢波结构研究中最为关注的一个特性，它与返波关。色散特性常用的表示方法有pv f曲线和k 曲曲线色散特性的直接表示方法，如图 2.2 所示。它的优点的关系，但是从该图中未能获取有关群速度的信息。程也不是相速和频率的显函数，需要经过复杂的数在图 2.2 中，曲线 a 为一条直线，表示相速的大小表无色散波；曲线 b 具有d d >0pv f 的特点，即相加（减小），代表异常色散或者反常色散；曲线 c 具随频率的增加（减小）而减小（增加），代表正常色

【参考文献】