太赫兹回旋速调管放大器模拟研究

论文摘要

太赫兹（THz）波是指频率在0.1-10THz（波长为30-3000μm）范围内的电磁波,处于电子学向光子学的过渡区域。由于THz所处的特殊电磁波谱的位置,它有很多优越的特性,具有非常重要的学术价值和应用价值。回旋速调管放大器是一种新型高功率相干毫米波源,由于其具有高功率、高效率和高增益并具有一定的带宽等优点,在高分辨率雷达、毫米波电子对抗、通讯、材料处理和高能粒子加速器等方面有着广泛的应用前景,有可能发展成为新型的太赫兹频段的大功率放大器。目前国际上在高频率波段的回旋速调管放大器的研究上已经取得很大的进展,本论文结合当前国际发展潮流对工作在太赫兹波段下220GHz回旋速调管的高频系统结构以及电子注与驻波场的互作用情况进行了深入细致的讨论与研究。主要工作如下:1.详细研究了工作频率为220GHz、工作模式为TE03的回旋速调管突变结构谐振腔,应用行波场匹配法,将腔内模式函数展开,利用横向电场及磁场的连续性,推导出突变谐振腔场匹配方程,对方程数值求解求出腔中各模式在突变处幅值及工作模式在突变处反射系数,从而求出谐振频率和品质因数,并且画出腔内场纵向分布函数。在理论分析的基础上,运用C++Builder6.0编制了谐振腔内高频场和各个参量的计算程序,该程序适用于各种突变结构冷腔的设计及谐振频率和品质因数计算。在本章中还通过高频仿真软件CST对突变结构谐振腔进行了求解和分析,计算出谐振腔谐振频率和品质因数等物理参量,而且通过绘制腔体中S参数曲线直观地反映出整个腔体物理特性,并与上一章程序模拟的结果进行了比较,验证了该程序的正确性。2.详细介绍了当前研究回旋速调管的理论方法,用非自洽非线性理论（轨道理论）研究了输入腔中的注一波互作用情况,用自洽非线性理论探讨了输出腔中的注-波互作用情况。3.应用非线性理论研究了工作频率为220GHz、工作模式为TE03的两腔和三腔回旋速调管中的非线性过程,并进行了相应的非线性分析。在此基础上,运用C++Builder6.0编制了相应的计算程序,模拟了回旋速调管中的非线性注-波互作用的物理图像,通过大量的数值计算,探讨了漂移管长度、输入腔工作电压、电流、直流磁场及腔体尺寸对电子注效率和增益的影响,获得了一些具有参考价值的数据,计算了两腔和三腔回旋速调管的各项工作参数,得到了相应的效率、增益和带宽,为以后的研究打下了重要的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 序言
• 1.1 THz科学技术研究的意义及背景
• 1.2 电子回旋脉塞与回旋管
• 1.3 回旋速调管的发展
• 1.4 本文的主要工作与创新
• 第二章 回旋速调管突变结构谐振腔高频场的研究
• 2.1 突变结构圆波导的行波场匹配分析
• 2.2 两端突变结构圆波导谐振腔分析
• 2.3 程序验证及参数计算方法
• 2.4 数值计算及模拟结果
• 2.5 突变结构谐振腔的CST模拟计算
• 2.6 结论
• 第三章 回旋速调管放大器注-波互作用理论研究
• 3.1 回旋速调管放大器注-波互作用理论分析
• 3.1.1 回旋速调管非自洽非线性理论
• 3.1.2 回旋速调管自洽非线性理论
• 3.2 回旋速调管非线性分析计算
• 3.2.1 自洽性检验条件
• 3.2.2 非线性参量的计算
• 3.3 总结
• 第四章 220GHZ回旋速调管放大器的模拟计算
• 4.1 回旋速调管各腔结构尺寸设计要求
• 4.2 220GHz基波两腔回旋速调管放大器模拟计算
• 4.3 220GHz基波三腔回旋速调管放大器模拟计算
• 4.4 结论
• 第五章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读硕士期间取得的成果