基于超薄介质层的太赫兹折叠波导慢波结构研究

论文摘要

太赫兹波（THz）有着其他波段电磁波无法比拟的独特优点,因此在信息科学、生物学、医学、天文学、环境科学、安全检测等领域都有着重要的应用价值。目前,缺乏高频率、低造价、便携性的室温太赫兹源已经成为太赫兹技术发展的主要障碍。真空电子器件行波管放大器具有高频、高增益、小尺寸的优势,其与现有低价、便携、微弱功率THz源结合,获取较大功率THz信号是可行方向之一。目前适用于THz波段的行波管慢波结构主要是折叠波导（FWG）慢波结构,其具有尺寸大、带宽较宽、功率容量大和易集成等优点,具有十分广阔的发展前景和研究意义。但FWG慢波结构的相位速度通常较高,为了使电子束的速度与其相位速度匹配,通常需要较高的升压,这限制了FWG慢波结构在实际中的使用。为了降低FWG慢波结构的相位速度,基于介质波导理论及亚波长波导模场异常限制现象,本文提出基于薄层介质的折叠波导（FWG-TD）慢波结构。阐述该结构慢波机理,提出可行结构,对该结构进行了分析,理论及仿真表明,薄层介质的引入能够使得电磁波基模的横向模场主要部分在折叠波导中传输,而介质中以衰减模的形式存在,从而使得模式的相速得以降低。为了使该结构与传统波导之间具有良好的传输特性,本文还设计了该结构与矩形波导之间的输入输出耦合结构。经过时域仿真表明增加耦合结构的慢波结构具有良好的传输特性。最后,本文开展了850GHz波段的基于薄层介质的折叠波导慢波结构行波管的粒子仿真（Particle-in-Cell,PIC）。PIC仿真结果表明,针对850GHz信号,输入电压为50mV,即输入功率为1.25mW时,本文所提结构的输出功率达到饱和,输出信号功率达到了605mW,增益为26.85dB。该强度足以满足一般用途,极大的扩展了THz应用的可行性。

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第一章绪论

1.1 太赫兹技术概述

1.1.1 太赫兹波特性

1.1.2 太赫兹波应用

1.2 太赫兹源发展现状

1.3 行波管概述

1.3.1 行波管原理及构成

1.3.2 行波管慢波结构

1.3.3 太赫兹折叠波导行波管研究现状

1.4 论文主要内容

第二章折叠波导慢波结构理论

2.1 折叠波导的模型及等效电路

2.2 折叠波导高频特性理论分析

2.2.1 色散特性

2.2.2 阻抗特性

2.3 亚波长波导特性分析

2.4 本章小结

第三章基于薄层介质的折叠波导

3.1 结构设计

3.1.1 工作于850GHz的折叠波导慢波结构设计

3.1.2 基于薄层介质的折叠波导慢波结构设计

3.2 高频特性对比分析

3.2.1 传输特性分析

3.2.2 色散特性

3.2.3 耦合阻抗分析

3.3 本章小结

第四章输入输出耦合结构设计及仿真

4.1 矩形波导与基于薄层介质的波导间的耦合结构

4.1.1 亚波长光栅波导

4.1.2 亚波长光栅耦合结构

4.2 基于薄层介质的波导之间的输入输出耦合结构

4.2.1 切比雪夫阻抗变换结构

4.2.2 基于薄层介质的切比雪夫阻抗变换结构

4.3 增加耦合结构后的传输特性

4.4 本章小结

第五章基于薄层介质的折叠波导行波管仿真

5.1 行波管模型建立

5.2 热仿真性能分析

5.2.1 工作电压选择

5.2.2 增益及带宽性能分析

5.3 本章小结

第六章总结与展望

致谢

参考文献

作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王璐

导师: 柏宁丰

关键词: 太赫兹,行波管,折叠波导慢波结构,薄层介质,高频特性,粒子仿真

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 东南大学

分类号: O441.4;TN814

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.002355

总页数: 72

文件大小: 2186K

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