基于亚波长孔阵列结构的THz频段EIA模拟研究
发布时间：2021-02-04 14:33
太赫兹波在电磁波谱中处于由宏观电子学至微观光子学过渡的特殊位置,具有至关重要的研究与应用价值。太赫兹辐射源的研究是太赫兹技术发展的关键,扩展互作用速调管放大器（EIA）由于同时具备高功率和高增益的特性,因此备受研究人员关注。太赫兹频段扩展互作用速调管中采用新型高频结构来拓展工作带宽并保持高增益一直是EIA的一项研究重点。本文采用加载于矩形波导的光栅-亚波长孔阵列结构作为其高频系统,设计了工作在太赫兹频段的EIA。在理论研究基础上,本文设计了TM31-2π和TM11-2π两种工作模式的EIA高频系统,通过理论分析与模拟仿真分析了高频结构的电场分布特性以及高频系统亚波长孔的大小及其光栅形状、周期、高度等结构参数的变化对色散特性和耦合特性的影响。结果表明矩形波导高度对色散特性的影响较大,而孔的大小对谐振频率以及特性阻抗影响较大。研究分析了两种模式下输入腔、中间腔以及输出腔的高频特性并且主要分析了周期的变化对腔体频率、品质因数以及特性阻抗的影响,最后构建了两种不同模式下EIA的冷腔系统。设置TM31-2π和TM11-2π模式下热腔模拟的工作参数,模拟研究发现通过中间腔加负载,调节耦合孔的大小可...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CPI公司研制的EIK产品图[9]
电子科技大学硕士学位论文4图1-1CPI公司研制的EIK产品图[9]美国海军实验室在EIK的发展中也有着不可磨灭的贡献，现在大多数EIK的设计制作均与其结构较为相似，其结构如图1-2所示。从图1-2中可以看到腔体的间隙数均为5，给中间腔加负载使其与其他腔体的频率尽可能接近，而且中间还加入了矩形楔子使其频率稳定。工作在94GHz的EIK，工作电压为19.5kV，电流为3.5A，最终模拟得到接近10kW的输出功率，增益超过40dB，通过降压收集极技术，总效率达到30%以上[23]。该实验室还制作功率为220GHz，670GHz，850GHz，1030GHz的EIK产品。工作频率为220GHz的EIK，输出功率为453W，增益为41.6dB，670GHz的EIK增益为23dB。图1-2海军实验室EIK结构图[23]
第一章绪论5虽然国内研究EIK的时间没有国外早，但是借鉴前人的经验，目前国内也取得了一些成果。在2010年，中科院成功研制出工作在S波段的速调管，带宽可以达到10%-11%[24]，之后经过改进，在群聚段的7个腔体中，加负载的腔体处于中间位置，其中有个还采用了对腔结构，峰值功率在800kW以上，效率28%以上，增益也超过了40dB，相对带宽达到了12%[25]。这有利于国内速调管的研究，同时也有利于国防事业与雷达领域的发展。2011年中科院还设计出了工作在Ku波段的EIK，其不仅采用了单腔结构，还在其中加入了4个双腔结构，工作频率在15GHz，采用参差调谐方法，腔体的频率设成了14.9GHz和15.1GHz，输入腔还加载负载来调节带宽。在电压30kV，电流8.5A的仿真条件下，峰值功率达到58kW，增益39dB，带宽306MHz，效率23%[26]。2014年电子科技大学徐证清设计了工作在220GHz的EIK，该结构采用矩形的电子通道，输入腔采用喇叭结构，输入腔和中间腔均采用6间隙结构，矩形输出腔则是4间隙结构。设置工作电压13.4kV，电流为34mA，经过三维粒子模拟，得到峰值功率为21.468W，增益为35dB，效率为2.36%，带宽约180MHz。该文章还仿真模拟了圆形电子注通道，两者对比矩形结构的输出功率和增益均高于圆形结构，但是圆形结构的输出更平稳。两者的结构图如图1-3和1-4所示[27]。图1-3EIK模型图[27]图1-4第二种耦合腔速调管整体结构[27]2016年电子科技大学王璟设计了工作在0.22THz的EIK，结构图见图1-5，其整体采用了梯形结构，输入腔和中间腔均是加负载的3间隙结构，输出腔则是加负载的4间隙结构。在电压13kV，电流0.07A的仿真条件下，得到的输出功率20W，增益34.6dB，效率2.2%[28]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ku波段扩展互作用速调管设计[J]. 钟勇,丁海兵,王树忠,阮存军,梁源,刘文鑫. 强激光与粒子束. 2011(11)
[2]12%带宽S波段大功率速调管的研制[J]. 王勇,张健,王颖,张志强. 真空电子技术. 2010(06)
[3]S波段大间隙速调管放大器输出腔的3维模拟[J]. 白现臣,张建德,杨建华. 强激光与粒子束. 2010(12)
[4]对回旋速调管高频结构设计与模拟的研究[J]. 郭焕刚,侯力. 中国重型装备. 2009(01)
[5]太赫兹波导器件研究进展[J]. 黄婉文,李宝军. 激光与光电子学进展. 2006(07)
博士论文
[1]太赫兹频段扩展互作用振荡器研究[D]. 张开春.电子科技大学 2009
硕士论文
[1]基于梯形结构的THz频段扩展互作用速调管研究[D]. 王璟.电子科技大学 2016
[2]220GHz耦合腔扩展互作用速调管研究[D]. 徐证清.电子科技大学 2014
[3]大功率速调管提高效率的研究[D]. 左向华.电子科技大学 2013
本文编号：3018472
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CPI公司研制的EIK产品图[9]
电子科技大学硕士学位论文4图1-1CPI公司研制的EIK产品图[9]美国海军实验室在EIK的发展中也有着不可磨灭的贡献，现在大多数EIK的设计制作均与其结构较为相似，其结构如图1-2所示。从图1-2中可以看到腔体的间隙数均为5，给中间腔加负载使其与其他腔体的频率尽可能接近，而且中间还加入了矩形楔子使其频率稳定。工作在94GHz的EIK，工作电压为19.5kV，电流为3.5A，最终模拟得到接近10kW的输出功率，增益超过40dB，通过降压收集极技术，总效率达到30%以上[23]。该实验室还制作功率为220GHz，670GHz，850GHz，1030GHz的EIK产品。工作频率为220GHz的EIK，输出功率为453W，增益为41.6dB，670GHz的EIK增益为23dB。图1-2海军实验室EIK结构图[23]
第一章绪论5虽然国内研究EIK的时间没有国外早，但是借鉴前人的经验，目前国内也取得了一些成果。在2010年，中科院成功研制出工作在S波段的速调管，带宽可以达到10%-11%[24]，之后经过改进，在群聚段的7个腔体中，加负载的腔体处于中间位置，其中有个还采用了对腔结构，峰值功率在800kW以上，效率28%以上，增益也超过了40dB，相对带宽达到了12%[25]。这有利于国内速调管的研究，同时也有利于国防事业与雷达领域的发展。2011年中科院还设计出了工作在Ku波段的EIK，其不仅采用了单腔结构，还在其中加入了4个双腔结构，工作频率在15GHz，采用参差调谐方法，腔体的频率设成了14.9GHz和15.1GHz，输入腔还加载负载来调节带宽。在电压30kV，电流8.5A的仿真条件下，峰值功率达到58kW，增益39dB，带宽306MHz，效率23%[26]。2014年电子科技大学徐证清设计了工作在220GHz的EIK，该结构采用矩形的电子通道，输入腔采用喇叭结构，输入腔和中间腔均采用6间隙结构，矩形输出腔则是4间隙结构。设置工作电压13.4kV，电流为34mA，经过三维粒子模拟，得到峰值功率为21.468W，增益为35dB，效率为2.36%，带宽约180MHz。该文章还仿真模拟了圆形电子注通道，两者对比矩形结构的输出功率和增益均高于圆形结构，但是圆形结构的输出更平稳。两者的结构图如图1-3和1-4所示[27]。图1-3EIK模型图[27]图1-4第二种耦合腔速调管整体结构[27]2016年电子科技大学王璟设计了工作在0.22THz的EIK，结构图见图1-5，其整体采用了梯形结构，输入腔和中间腔均是加负载的3间隙结构，输出腔则是加负载的4间隙结构。在电压13kV，电流0.07A的仿真条件下，得到的输出功率20W，增益34.6dB，效率2.2%[28]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ku波段扩展互作用速调管设计[J]. 钟勇,丁海兵,王树忠,阮存军,梁源,刘文鑫. 强激光与粒子束. 2011(11)
[2]12%带宽S波段大功率速调管的研制[J]. 王勇,张健,王颖,张志强. 真空电子技术. 2010(06)
[3]S波段大间隙速调管放大器输出腔的3维模拟[J]. 白现臣,张建德,杨建华. 强激光与粒子束. 2010(12)
[4]对回旋速调管高频结构设计与模拟的研究[J]. 郭焕刚,侯力. 中国重型装备. 2009(01)
[5]太赫兹波导器件研究进展[J]. 黄婉文,李宝军. 激光与光电子学进展. 2006(07)
博士论文
[1]太赫兹频段扩展互作用振荡器研究[D]. 张开春.电子科技大学 2009
硕士论文
[1]基于梯形结构的THz频段扩展互作用速调管研究[D]. 王璟.电子科技大学 2016
[2]220GHz耦合腔扩展互作用速调管研究[D]. 徐证清.电子科技大学 2014
[3]大功率速调管提高效率的研究[D]. 左向华.电子科技大学 2013
本文编号：3018472
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