0.14THz 低电压扩展互作用速调管慢波谐振系统的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学物理电子学院 作者:朱勇杰

  设计了一个在高效率、高频率、结构紧凑低磁场以及低电压工作等方面具有独特优势的0.14 THz 扩展互作用速调管慢波谐振系统。针对该慢波谐振系统进行了色散曲线的仿真计算,在色散曲线与PIC 仿真的基础上,对模式竞争进行了分析,选取了3π 模为工作模式,并给予了论证。PIC 仿真结果表明在较低工作电压18.2 kV,工作电流0.5 A 的条件下,该谐振系统的注波互作用效率可达到22%,工作模式为3π 模,输出峰值功率可达4.03 kW,工作频率为149.419 GHz。

  太赫兹波是指频率在0.1 ~10 THz 范围内的电磁波。它介于毫米波与红外辐射之间,是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,也是电子学向光子学的过渡领域。太赫兹波在远红外光谱学、医疗和工业成像、生物学研究、材料科学等方面都有着广泛的应用前景。0.14 THz 波段是继W 波段后另外一个非常重要的大气窗口,相比于W 波段,该频段的电磁波具有波束窄、天线旁瓣低、分辨率高、绝对频带宽的优点,在雷达、制导、深空探测、高速率通信、成像等方面可广泛应用。产生太赫兹波源有许多途径,例如真空电子器件、ultrafast laser pluses、自由电子激光器、量子级联激光器等。在太赫兹低频段,真空电子器件有着许多独特的优势,例如高效率、高功率、重量轻、较低的制造成本等。在真空电子器件中,扩展互作用器件有着功率高、重量轻、体积小、结构紧凑的优点。

  在高功率太赫兹波和毫米波扩展互作用器件发展的过程中,新型的慢波结构备受关注,例如复合介质慢波结构、折叠波导、同轴慢波结构、矩形耦合腔慢波结构等。对于太赫兹扩展互作用器件,矩形耦合腔慢波结构如图 所示是一种新型的全金属慢波结构。与传统的速调管和行波管相比,该结构既有谐振腔的特点,又有慢波线的特点,能得到较大的R/Q 值。另外,随着微电子机械系统(MEMS) 技术的发展,使得该结构的制造加工成为可能,从而能够发展小型化的毫米波和亚毫米波波源器件。本文所设计的扩展互作用速调管(EIK) 慢波谐振系统正是一种矩形耦合腔慢波结构,它具有高频率、高效率、低磁场、低电压以及结构紧凑的优点,并且易于加工。

  1、EIK慢波谐振腔的结构设计原理

  慢波谐振腔的整体结构如图1 所示,主要由慢波结构和与之耦合的谐振腔两部分组成,中间部分表示带状电子注,通过自激振荡来产生电磁波,波的频率与慢波谐振结构尺寸大小有关,工作原理与其他O 型器件相似。在理想均匀磁场Bz = 0.7 T 的条件下,电子注穿过电子通道经过间隙( 每个间隙都能与电子通道两边的谐振腔很好的耦合) ,电子注能激励器高频场,反过来高频场又与电子注互作用,从而使电子注产生群聚,与此同时,电子注与高频场进行能量交换。最后,产生的电磁波从耦合输出孔输出。

0.14THz 低电压扩展互作用速调管慢波谐振系统的研究

图1 EIK 慢波谐振系统

  4、结论

  本文利用三维粒子仿真软件,对0.14 THz EIK慢波谐振系统进行了初步研究,并建立三维结构模型。基于色散曲线,对模式竞争进行研究分析,确定了工作模式为3π 模及对应的工作电压为18.2 kV。最后仿真实现了该系统在工作模式为3π 模、工作电压为18.2 kV、工作电流为0.5 A、外加磁场为0.7T 的条件下,输出频率为149.419 GHz、峰值功率为4.03 kW 的微波,互作用效率达22%。

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