毫米波扩展互作用器件理论研究
本文关键词:毫米波扩展互作用器件理论研究 出处:《电子科技大学》2016年博士论文 论文类型:学位论文
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【摘要】:扩展互作用器件体积小、重量轻、结构紧凑,在毫米波及更高的太赫兹频段上可实现大功率输出,相对于速调管、行波管、回旋管等器件有显著的特点和优势,对于毫米波及太赫兹技术的发展具有重要意义。目前国内对于微波毫米波电真空器件的研究主要集中在速调管、行波管和回旋管等器件方面,在扩展互作用器件方面开展的研究工作很少,存在很大的不足。本文从运动学角度出发,在小信号条件下分析了扩展互作用器件中的物理过程,研究了扩展互作用腔的耦合系数和电子电导等特性,分析了扩展互作用结构在高频段应用的优势,扩展互作用腔体同时具有谐振腔与慢波线的特点,增加了特性阻抗和耦合系数,提高了互作用效率,同时也增大了功率容量,扩展互作用结构可对电子注进行有效的调制,显著缩短了各个腔体之间漂移段的长度,器件结构紧凑。计算机模拟在电真空器件的设计过程中起到的作用越来越重要,国内外也有多种仿真软件,但是计算时间通常需要数十、上百个小时,对器件的研发设计仍是一个极大的限制。本文基于一维模型,使用C++语言编制了扩展互作用振荡器和放大器的非线性程序。我们将冷腔电磁仿真软件得到的场分布代入非线性程序进行计算,能够十分迅速地模拟注波互作用过程。在相同计算机硬件条件下,非线性程序计算时间约为PIC仿真软件的千分之一。结合电磁仿真软件,非线性程序显著缩短了器件的研发时间,在参数优化和器件设计方面具有较大的应用价值。本文对35GHz矩形结构EIO、35GHz矩形结构EIK、220GHz矩形结构EIK进行了深入系统研究,分析了不同间隙数情况下扩展互作用器件的特性、扩展互作用器件与传统单间隙腔体器件的特性差异,发现扩展互作用器件在大功率应用上具有显著的优势。结合小信号理论分析、非线性程序模拟和PIC仿真软件验证,提出了一套适用于扩展互作用器件的分析与研发方法。提出了一种径向扩展互作用结构,与传统的扩展互作用器件相比具有较大的阴极面积,显著提高了工作电流并降低了阴极电流密度。在大功率应用方面该种新结构具有很大的研究价值与前景。本文对径向扩展互作用振荡器模型进行了理论分析、非线性模拟、PIC模拟验证,同时对电子光学系统进行了分析,证明了该种结构的可行性。
[Abstract]:The extended interaction device is small in size, light in weight and compact in structure. It can realize high power output in millimeter wave and higher terahertz band. It has remarkable characteristics and advantages compared with klystron, traveling wave tube, gyrotron and so on. It is of great significance for the development of millimeter wave and terahertz technology. At present, the research of microwave and millimeter wave vacuum devices is mainly focused on klystron, traveling wave tube and gyrotron. In this paper, the physical process of the extended interaction devices is analyzed under the small signal condition from the kinematics point of view. The coupling coefficient and electronic conductance of the extended interaction cavity are studied. The advantages of the extended interaction structure in the high frequency band are analyzed. The extended interaction cavity has the characteristics of both the resonator and the slow wave line at the same time. The characteristic impedance and coupling coefficient are increased, the interaction efficiency is improved, and the power capacity is increased. The extended interaction structure can modulate the electron beam effectively. The length of drift section between different cavities is shortened and the device structure is compact. Computer simulation plays a more and more important role in the design of vacuum devices. There are also many simulation software at home and abroad. However, the computing time is usually tens, hundreds of hours, which is still a great limit to the design and development of devices. This paper is based on one-dimensional model. The nonlinear program of extended interaction oscillator and amplifier is programmed by C language. The field distribution obtained by electromagnetic simulation software of cold cavity is replaced by nonlinear program. It can simulate the beam-wave interaction process very quickly. Under the same computer hardware condition, the calculation time of nonlinear program is about 1/1000 of that of PIC simulation software, combined with electromagnetic simulation software. The nonlinear program shortens the development time of the device and has great application value in parameter optimization and device design. In this paper, the 35GHz rectangular structure EIO-35GHz rectangular structure EIK is studied. The 220GHz rectangular structure EIK is studied in detail. The characteristics of the extended interaction devices with different gap numbers are analyzed. The characteristics of the extended interaction devices are different from those of the traditional single-gap cavity devices. It is found that the extended interaction device has significant advantages in high power applications. Combined with small signal theory analysis, nonlinear program simulation and PIC simulation software verification. A set of analytical and research methods for extended interaction devices are proposed, and a radial extended interaction structure is proposed, which has a larger cathode area than the traditional extended interaction devices. The new structure has great research value and prospect in high power application. The radial spread interaction oscillator model is theoretically analyzed in this paper. The nonlinear simulation is verified by PIC simulation. The feasibility of the structure is proved by the analysis of the electro-optical system.
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN752;TN722
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本文编号:1417506
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