太赫兹平面集成慢波结构研究

论文摘要

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。

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致谢

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第一章绪论

1.1 太赫兹波概述

1.1.1 太赫兹波的特性

1.1.2 太赫兹波的应用

1.2 太赫兹真空电子器件

1.2.1 太赫兹行波管

1.2.2 太赫兹返波管

1.2.3 太赫兹真空电子器件研究现状及发展趋势

1.3 慢波结构

1.4 学位论文主要研究内容

第二章基于矩形交错双光栅返波振荡器的研究

2.1 引言

2.2 返波振荡器基本结构

2.3 返波振荡器的工作原理

2.3.1 返波振荡器对慢波结构色散的要求

2.3.2 返波振荡器反馈回路形成

2.3.3 返波振荡器自激振荡条件

2.4 矩形交错双光栅返波振荡器慢波结构

2.4.1 色散特性

2.5 返波振荡器的传输特性

2.6 返波振荡器PIC互作用计算

2.6.1 互作用计算模型

2.6.2 PIC计算与结果分析

2.7 小结

第三章基于矩形交错双光栅行波管的研究

3.1 引言

3.2 行波管的工作原理

3.3 矩形交错双光栅行波管慢波结构

3.3.1 色散特性

3.3.2 结构参数对色散特性的影响

3.3.3 慢波结构电场分析

3.4 行波管的传输特性

3.5 行波管PIC互作用计算

3.5.1 互作用计算模型

3.5.2 PIC计算与结果分析

3.5.3 行波管输入-输出特性

3.5.4 行波管的幅频响应特性

3.6 小结

第四章基于双通道矩形交错双光栅行波管的研究

4.1 引言

4.2 双通道矩形交错双光栅慢波结构

4.2.1 色散特性

4.2.2 双通道慢波结构电场分布

4.3 行波管的传输特性

4.4 行波管PIC互作用计算

4.4.1 互作用计算模型

4.4.2 PIC计算与结果分析

4.4.3 行波管输入-输出特性

4.4.4 行波管幅频响应特性

4.5 小结

第五章级联微波管的研究

5.1 引言

5.2 双管集成微波管的级联方案

5.2.1 返波管-行波管级联

5.2.2 返波管-返波管级联

5.2.3 行波管-行波管级联

5.3 传输特性计算分析

5.4 整管互作用计算分析

5.5 小结

第六章总结与展望

6.1 主要工作与创新

6.2 不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蔡柯

导师: 杨军

关键词: 太赫兹波,行波管,返波管,慢波结构,真空电子器件,波注互作用

来源: 合肥工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 合肥工业大学

分类号: TN124;O441.4

总页数: 85

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