0.34 THz大功率过模表面波振荡器研究

论文对0.34 THz大功率过模表面波振荡器进行了模拟设计和初步实验研究. 针对高过模比(D/λ ≈ 6.8)慢波结构, 根据小信号理论选择了合适的慢波结构尺寸和电子束距壁距离, 实现了器件在表面波TM₀₁模的π点附近谐振. 根据PIC模拟结果, 表面波振荡器可以实现频率和功率分别为0.34 THz和22.8 MW的太赫兹波输出. 采用微细电火花加工技术完成了不锈钢慢波结构的一体化精细加工, 并基于小型化脉冲功率驱动源搭建了实验装置. 初步的实验结果表明, 在电子束电压和电流分别约为420 kV和3.1 kA时, 0.34 THz大功率过模表面波振荡器输出脉冲的频率范围为0.319–0.349 THz, 辐射功率不小于250 kW, 脉宽约为2 ns. 最后分析讨论了实验输出功率与模拟结果相差较大的原因, 为表面波振荡器的性能改善奠定了基础.     

大功率0.34 THz辐射源中慢波结构的优化设计

为研制大功率太赫兹源, 提出以切连科夫表面波振荡器为基础, 采用过模结构来研究0.34 THz信号的产生. 重点研究了慢波结构的各参数对器件输出性能的影响, 对慢波结构进行了优化设计, 并采用数值模拟方法, 对慢波结构实际参数的选取和实验中所允许的加工精度提了具体要求; 最后采用粒子模拟对该结构进行了"热腔"模拟计算. 结果表明该结构能够产生频率为0.34 THz, 输出功率约为7.8 MW的太赫兹信号, 并且稳定工作于表面波振荡器状态. 该结果为下一步0.34 THz太赫兹源的研制奠定了基础. 关键词： 表面波振荡器 慢波结构 太赫兹 粒子模拟     

0.3 THz TM10, 1, 0模同轴耦合腔链

通过本征方程研究了工作在太赫兹(THz)频段的高次模同轴谐振腔,讨论了TM_{m, 1, 0}模,TM_{m, 2.0}模与TM_{m, 1, 1}模的谐振频率与腔体的几何参数之间的关系,并给出了工作模式的选择依据。在此基础上,提出了一种新型的0.3 THz TM_{10, 1, 0}模同轴耦合腔链,使用等效电路模型和CST-MWS软件对耦合腔链的色散特性、特征阻抗和电场分布等冷腔特性进行了分析和仿真,并着重分析和总结了耦合腔链的几何参数对色散特性和特征阻抗的影响。研究结果表明:对于工作在THz频段的高次模同轴耦合腔链,采用TM_{10, 1, 0}模为工作模式是合理的选择; 工作于2π腔模的0.3 THz TM_{10, 1, 0}模同轴耦合腔链具有较大的特征阻抗,但模式间隔较小,因此可将其应用于窄带太赫兹扩展互作用器件; 增大高次模耦合腔链的耦合槽张角是增大模式间隔的最佳途径。     

一种X波段过模高效率相对论返波管

设计了一种X波段过模高效率相对论返波管(RBWO),主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6,电子束与结构波TM₀₁模的近π模相互作用,在慢波结构区域束波作用产生的TM₀₁模表面波主要转化为TM₀₂模的体波,其输出微波的模式主要为TM₀₂模,占比为81%,其余为TM₀₁模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路,结合模式匹配法,优化得到了一种双谐振腔反射器结构,其对TM₀₁模与TM₀₂模的反射系数均大于0.99,可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离; 同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制,将促进慢波结构区域的束波作用,有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔,进一步提升了转换效率。PIC仿真中, 在二极管电压900 kV,电流14.3 kA,得到了6.6 GW的输出功率,转换效率约51%。     

慢波结构爆炸发射对高功率太赫兹表面波振荡器的影响

随着真空电子学器件的工作频率达到太赫兹波段, 表面波振荡器的横截面尺寸变小, 慢波结构的加工精度难以得到保证, 同时由于表面波振荡器的电磁场集中在慢波结构表面, 在高电压工作情况下, 太赫兹波段的表面波振荡器慢波结构爆炸发射电子会影响器件的工作特性. 本文分析了高电压工作情况下0.14 THz表面波振荡器慢波结构中电场的分布特性, 研究表明, 在慢波结构区域沿着轴线方向上存在电场幅度的包络分布, 在慢波结构中心位置处靠近慢波结构内半径处电场的幅度最大, 最易爆炸发射产生电子, 采用粒子模拟软件UNIPIC模拟了慢波结构处爆炸发射的电子对器件工作特性的影响, 同时考虑了电子回流所产生的二次电子倍增效应, 数值模拟结果表明, 慢波结构电子产生会导致器件的输出功率下降, 从数十兆瓦下降到兆瓦量级.     

偏心电子注激励周期加载波导角向非对称模衍射辐射

周期加载波导中匀速带电粒子的衍射辐射是产生较高频段可调谐太赫兹电磁辐射（频率高于1 THz）的有效方法.对圆柱形周期加载波导中偏心电子注产生的衍射辐射现象,进行了严格的理论分析和粒子模拟验证.研究表明,偏心电子注在波导中除了激励起角向对称模（TM₀波）以外,还将激励起角向模式为1（HE₁波）和2（HE₂波）的角向非对称模.并且电子注偏离轴线距离越大,激励的角向非对称模场强越强.每个模式的功率随电子注的激励位置呈变态贝塞尔函数平方关系变化,与电子注电流平方成正比.理论分析与计算机模拟的结果符合较好.研究结果将为发展该类可调谐太赫兹辐射源提供理论依据.     

带双腔反射器的X波段低磁场过模相对论返波管振荡器

提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器(RBWO),其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构,较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分,插入同轴避免了高阶模式的竞争,使两段慢波结构分别工作在TM₀₂和同轴TM₀₁模式下。同时,插入同轴还起着模式转换的功能,将TM₀₂转化为TM₀₁,最终在输出波导中输出纯TM₀₁模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离,同时为电子束提供足够的预调制,实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计,在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下,获得了3.5 GW的微波输出功率,微波中心频率为9.46 GHz,转换效率约为35%。     

0.14太赫兹同轴表面波振荡器研究

为了提高太赫兹表面波振荡器的输出功率,本文提出了同轴结构的表面波振荡器模型,并且获得了该同轴结构TM01模的色散曲线,采用自行研制的全电磁粒子模拟软件UNIPIC对提出的同轴结构表面波振荡器进行了模拟,结果表明器件的工作频率与圆柱结构时的表面波振荡器相同,在输出端以TEM模式传输太赫兹波,输出功率相比圆柱结构的表面波振荡器输出功率水平提高了67.8%.     

0.14 THz双环超材料慢波结构表面波振荡器数值研究

本文研究了一种太赫兹波段双环超材料慢波结构, 并具有同轴引出结构的相对论过模表面波振荡器. 设计了超材料同轴过模慢波结构; 通过色散特性, 进行了模式选择和过模结构电子束电参数和几何参数的设计; 根据超材料同轴慢波结构的特点, 设计了具有同轴引出结构的末端同轴输出段. 粒子模拟结果表明, 在电子束电压为600 kV和电流为1.0 kA, 引导磁场为2.0 T 时, 同轴超材料慢波结构过模表面波振荡器输出稳定单频的0.141 THz电磁波, 峰值功率为316.8 MW.     

0.14 THz过模表面波振荡器初步实验研究

为获得大功率太赫兹源,对基于表面波振荡器的相对论太赫兹源进行了初步的实验研究。为便于机械加工和实验装配,器件采用过模矩形波导慢波结构。利用理论分析和数值模拟得到的参数,在CKP1000加速器上进行了实验。功率测量采用辐射场功率密度积分方法,频率测量采用截止波导滤波法。在电子束压为320 kV、电子束流强度为2.1 kA、引导磁场为5 T条件下,实验获得频率0.136 THz以上、脉冲宽度为1.5 ns和辐射功率约2 MW的太赫兹信号输出。     

渐变慢波结构的太赫兹过模表面波振荡器北大核心CSCD

模拟研究了一种在均匀慢波结构后增加渐变慢波结构段的太赫兹过模表面波振荡器,获得了输出功率和模式纯度的显著提高。首先根据S参数方法,研究分析了这种复合高频结构中TM_(01)模的谐振特性。然后采用2.5维PIC(Particle-in-cell)软件UNIPIC,模拟研究了振荡器输出性能随渐变慢波结构周期数的变化关系。结果表明:随着周期数的增加,输出太赫兹波中的TM_(02)和TM_(03)等高次模成分降低,TM_(01)模的功率比例增大至80%以上;选择合适长度的渐变慢波结构,能使得器件输出功率增大50%。     

过模结构0.14 THz高功率脉冲探测器研制

基于n型硅在强电场下的热电子效应,初步研制了一种采用过模结构的0.14 THz高功率太赫兹脉冲探测器。该探测器由基模波导WR6、过渡波导、过模波导WR10, n型硅探测芯片和偏置恒流源组成。模拟分析了探测器的工作过程,给出了相对灵敏度表达式,结果表明过模探测器能很好地工作在TE10模式。合理设计了探测芯片的结构参数和加工工艺,完成了探测芯片的加工和探测器样机的制作。将探测器样机在0.14 THz相对论表面波振荡器的辐射场进行了初步的验证性实验,并与二极管检波器的测量结果进行了对比分析。结果表明:过模探测器样机的响应时间在ps量级,相对灵敏度约为0.12 kW-1,最大承受功率至少为数十W,可用于0.14 THz高功率脉冲的直接探测。     

过模波导器件的迭代设计方法

从模式保留和转换的角度, 过模波导器件可分为模式转换器、模式保留器和模式综合器. 传统方法只解决其中一种器件的设计或者对器件的某个指标进行改进. 本文在深入分析耦合波理论之后, 提出了过模波导器件的迭代设计方法, 从原理上解决了过模波导器件的设计问题. 该方法能够统一设计三类过模波导器件, 通过添加不同的结构控制方法, 可得到转换效率更高、带宽更宽、结构更紧凑、满足不同工程需求的器件, 而且还能有效设计一些新型器件. 给出了两个设计实例: 双频TM₀₁–TE₁₁模式变换器和光壁馈源喇叭. 双频TM₀₁–TE₁₁模式变换器的两个工作频点为8.75 GHz和10.3 GHz, 波导半径为16 mm, 在两个频点转换效率为99%以上. 光壁馈源喇叭实现TE₁₁模式向高斯束的转换. CST仿真结果验证了这两个器件设计的正确性和有效性. 关键词： 耦合波理论 模式转换器 模式过渡器 迭代法     

X波段高功率宽带选模定向耦合器

过模圆波导在提高功率容量的同时,不可避免地会造成微波源中同时存在多种模式。为了监测X波段长脉冲高功率微波源TM₀₁模的输出功率和频谱,采用CST软件仿真设计了X波段高功率宽带选模定向耦合器,在耦合TM₀₁模的同时可实现对TM₀₂和TE₁₁模的抑制。波导腔体及耦合孔的尺寸以小孔耦合理论和相位叠加原理为基础并结合切比雪夫分布函数计算确定。仿真结果表明:该高功率宽带选模定向耦合器在9.0~9.8 GHz的带宽范围内,耦合度为(-59.08±1) dB,定向性大于30 dB,对TE₁₁模的抑制度大于15 dB,对TM₀₂模的抑制度大于30 dB,功率容量大于2.5 GW。