多注太赫兹折叠波导行波管技术研究

发布时间：2020-10-09 07:06

　　 行波管工作频率提升到太赫兹(Terahertz,下面简写为"TH-Iz")频段后输出功率会急剧降低,为了提高THz频段行波管的输出功率,本论文主要从功率合成、多注和过模三个方面开展相关研究。开展了基模功率合成多注THz折叠波导行波管的研究。首先,通过折叠波导行波管的相关理论、引入LSE模理论和数值计算方法,完成了该类结构行波管的高频特性、传输特性、注波互作用特性和功率合成特性的分析,获得了不同条件下该行波管的色散、耦合阻抗、损耗和互作用增益等性能规律。其次,对相位一致性的各影响要素进行了研究,获得了相位畸变对合成效率的影响规律,用于指导折叠波导结构尺寸设计与工艺的优化。设计了一支D波段两注合成行波管,现有热阴极条件下发射电流为12mA、电压为15.75kV时,在0.14THz处获得了8.7W的输出功率,3dB带宽为12GHz(135GHz-147GHz),合成效率不低于90%,单注时饱和输出功率仅为3.64W,输出功率提升了140%以上；各因素对相位影响的最大值为55°,幅值比在0.75以上,使合成效率可达80%以上。提出了基模并行多注THz折叠波导结构。建立了该结构高频特性的等效电路模型和基于模式耦合理论的小信号增益理论模型,通过理论与数值模拟两种方法对该结构的高频特性、传输特性和注波互作用特性进行了计算分析,获得了该类结构行波管的高频特性、增益、输出功率和3dB带宽性能。0.14THz并行三注行波管的计算结果表明,注电流为12mA、电压为15.75kV时,获得了22.5W的饱和输出功率,3dB带宽为25GHz(128GHz-153GHz),同单注相比,输出功率提高了6倍以上,互作用效率提高了2倍以上,3dB带宽展宽了一倍以上。同时,对该结构的功率合成THz行波管开展了相关研究。提出了基模串行多注THz折叠波导结构。建立了该结构高频特性的7π型等效电路模型,深入研究了该结构的冷测特性与注波互作用放大特性,获得了该结构的色散、耦合阻抗、增益、3dB带宽等性能。完成了一支0.14THz串行三注折叠波导行波管的设计,计算结果表明,注电流为12mA、电压为9.55kV时,获得了57.7W的饱和输出功率,同单注相比,增益提高了12dB以上、输出功率提高了约16倍。同时,也开展了功率合成串行多注THz行波管的研究。开展了过模多注THz折叠波导行波管的研究。通过理论计算与数值模拟方法对过模多注结构中模式分布、高频特性、传输特性和注波互作用特性进行了分析。结果表明,通过合理的模式选择使THz折叠波导慢波结构有效工作于TE30模,并通过介质加载有效抑制了其它模式；并提出了如何解决过模工作时同步电压过大问题。通过过模工作方式有效增大了慢波结构尺寸,提高了注通道尺寸及注电流,降低了聚焦磁场及热负载。完成了二端口、三端口两路折叠波导结构和串行三注折叠波导结构的加工,建立了多注折叠波导结构尺寸测量与传输特性测试系统。评估了这些结构的加工尺寸误差、表面粗糙度和传输特性,获得了工艺误差、幅值与相位值和S参数的变化规律,指导工艺改善和结构设计的优化。测试结果表明,三类结构的传输特性S21同设计结果基本吻合,S11低于-15dB,合成结构的合成效率不低于80%。综上所述,本论文通过功率合成、基模多注及过模多注等方法有效地增大了THz行波管的工作电流与慢波结构的物理尺寸,提高了THz行波管的增益、输出功率及互作用效率,为研制宽带、较大功率THz辐射源提供了新的方案,对推动THz系统,特别是超宽带超高速THz通信、超远距离超高分辨率THz雷达等系统的进一步发展奠定基础。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN124
【部分图文】：

功率放大链实现ＴＨｚ福射。凶１．１所示为大功率放大链框图，功率链的初级驱动功率较小的固态调制源，通过固态功放或功率合成技术获得毫瓦或百毫瓦量级率，该信号作为ＴＨｚ电真空行波管放大器的前级驱动实现瓦至百瓦量级的输出巧波管出来的宽带信号既可作为高速ＴＨｚ通信系统的信号源，也可作为大功率管放大器的驱动前级实现更大的输出功率，从巧旋行波管获得的大功率信号可辨率ＴＨｚ雷达系统的信号源。逡逑固态调制源Ｉ逦逦逦Ｗ巧、Ｖ逦邋Ｉ高速ＴＨｚ逡逑￣Ｉ逦Ｉ－端逡逑

管实现电磁波放大的过程如下首先，从电子枪发射出来的直流电子注进入慢波结构逡逑区域，该区域中的电磁波对电子注中各电子进行速度调制，逐渐形成电子注群聚块，此逡逑时互作用过程处于初始阶段，如图１．４（ａ），这个阶段中电子注从电磁波中吸收部分能量，逡逑使电磁波的幅值有所减小；然后，当电子注经过一段时间的运动后，群聚块进入商频场逡逑的减速场区域，电子注在减速场的作用下运动速度逐渐降低，交出电子注中的动能，电逡逑磁波被不断放大，此时互作用过程处于线性放大区，如图１．４（ｂ）；最后，随着电子注与逡逑电磁波的互作用进行到一定程度后，群聚的电子密度的相位分布变得十分复杂，激励起逡逑来的电磁波不再线性变化，而是表现出非线性，随着互作用过程的维续，电磁波被放大逡逑割最大值，随后进入互作用的过饱和区，电子注群聚块进入了电磁波的加速场区，磁场逡逑波不再被放大而是交出电磁能量，此区域为非线性放大区，如图１．５；这个过程就是行逡逑波管放大电磁波的原理

逑电子枪逡逑图１．３行波管组成结构示意图逡逑行波管中这五大子系统协调工作，最终将电子注直流能量转换成电磁波能量。行波逡逑管实现电磁波放大的过程如下首先，从电子枪发射出来的直流电子注进入慢波结构逡逑区域，该区域中的电磁波对电子注中各电子进行速度调制，逐渐形成电子注群聚块，此逡逑时互作用过程处于初始阶段，如图１．４（ａ），这个阶段中电子注从电磁波中吸收部分能量，逡逑使电磁波的幅值有所减小；然后，当电子注经过一段时间的运动后，群聚块进入商频场逡逑的减速场区域，电子注在减速场的作用下运动速度逐渐降低，交出电子注中的动能，电逡逑磁波被不断放大，此时互作用过程处于线性放大区，如图１．４（ｂ）；最后，随着电子注与逡逑电磁波的互作用进行到一定程度后

本文编号：2833380