行波管工作頻率提升到太赫茲(Terahertz,下面簡(jiǎn)寫為"TH-Iz")頻段后輸出功率會(huì)急劇降低,為了提高THz頻段行波管的輸出功率,本論文主要從功率合成、多注和過模三個(gè)方面開展相關(guān)研究。開展了基模功率合成多注THz折疊波導(dǎo)行波管的研究。首先,通過折疊波導(dǎo)行波管的相關(guān)理論、引入LSE模理論和數(shù)值計(jì)算方法,完成了該類結(jié)構(gòu)行波管的高頻特性、傳輸特性、注波互作用特性和功率合成特性的分析,獲得了不同條件下該行波管的色散、耦合阻抗、損耗和互作用增益等性能規(guī)律。其次,對(duì)相位一致性的各影響要素進(jìn)行了研究,獲得了相位畸變對(duì)合成效率的影響規(guī)律,用于指導(dǎo)折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)與工藝的優(yōu)化。設(shè)計(jì)了一支D波段兩注合成行波管,現(xiàn)有熱陰極條件下發(fā)射電流為12mA、電壓為15.75kV時(shí),在0.14THz處獲得了8.7W的輸出功率,3dB帶寬為12GHz(135GHz-147GHz),合成效率不低于90%,單注時(shí)飽和輸出功率僅為3.64W,輸出功率提升了140%以上；各因素對(duì)相位影響的最大值為55°,幅值比在0.75以上,使合成效率可達(dá)80%以上。提出了基模并行多注THz折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。建立了該結(jié)構(gòu)高頻特性的等效電路模型和基于模式耦合理論的小信號(hào)增益理論模型,通過理論與數(shù)值模擬兩種方法對(duì)該結(jié)構(gòu)的高頻特性、傳輸特性和注波互作用特性進(jìn)行了計(jì)算分析,獲得了該類結(jié)構(gòu)行波管的高頻特性、增益、輸出功率和3dB帶寬性能。0.14THz并行三注行波管的計(jì)算結(jié)果表明,注電流為12mA、電壓為15.75kV時(shí),獲得了22.5W的飽和輸出功率,3dB帶寬為25GHz(128GHz-153GHz),同單注相比,輸出功率提高了6倍以上,互作用效率提高了2倍以上,3dB帶寬展寬了一倍以上。同時(shí),對(duì)該結(jié)構(gòu)的功率合成THz行波管開展了相關(guān)研究。提出了基模串行多注THz折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。建立了該結(jié)構(gòu)高頻特性的7π型等效電路模型,深入研究了該結(jié)構(gòu)的冷測(cè)特性與注波互作用放大特性,獲得了該結(jié)構(gòu)的色散、耦合阻抗、增益、3dB帶寬等性能。完成了一支0.14THz串行三注折疊波導(dǎo)行波管的設(shè)計(jì),計(jì)算結(jié)果表明,注電流為12mA、電壓為9.55kV時(shí),獲得了57.7W的飽和輸出功率,同單注相比,增益提高了12dB以上、輸出功率提高了約16倍。同時(shí),也開展了功率合成串行多注THz行波管的研究。開展了過模多注THz折疊波導(dǎo)行波管的研究。通過理論計(jì)算與數(shù)值模擬方法對(duì)過模多注結(jié)構(gòu)中模式分布、高頻特性、傳輸特性和注波互作用特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,通過合理的模式選擇使THz折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)有效工作于TE30模,并通過介質(zhì)加載有效抑制了其它模式；并提出了如何解決過模工作時(shí)同步電壓過大問題。通過過模工作方式有效增大了慢波結(jié)構(gòu)尺寸,提高了注通道尺寸及注電流,降低了聚焦磁場(chǎng)及熱負(fù)載。完成了二端口、三端口兩路折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和串行三注折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的加工,建立了多注折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量與傳輸特性測(cè)試系統(tǒng)。評(píng)估了這些結(jié)構(gòu)的加工尺寸誤差、表面粗糙度和傳輸特性,獲得了工藝誤差、幅值與相位值和S參數(shù)的變化規(guī)律,指導(dǎo)工藝改善和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。測(cè)試結(jié)果表明,三類結(jié)構(gòu)的傳輸特性S21同設(shè)計(jì)結(jié)果基本吻合,S11低于-15dB,合成結(jié)構(gòu)的合成效率不低于80%。綜上所述,本論文通過功率合成、基模多注及過模多注等方法有效地增大了THz行波管的工作電流與慢波結(jié)構(gòu)的物理尺寸,提高了THz行波管的增益、輸出功率及互作用效率,為研制寬帶、較大功率THz輻射源提供了新的方案,對(duì)推動(dòng)THz系統(tǒng),特別是超寬帶超高速THz通信、超遠(yuǎn)距離超高分辨率THz雷達(dá)等系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN124
【部分圖文】：

功率放大鏈實(shí)現(xiàn)ＴＨｚ福射。兇１．１所示為大功率放大鏈框圖，功率鏈的初級(jí)驅(qū)動(dòng)功率較小的固態(tài)調(diào)制源，通過固態(tài)功放或功率合成技術(shù)獲得毫瓦或百毫瓦量級(jí)率，該信號(hào)作為ＴＨｚ電真空行波管放大器的前級(jí)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)瓦至百瓦量級(jí)的輸出巧波管出來(lái)的寬帶信號(hào)既可作為高速ＴＨｚ通信系統(tǒng)的信號(hào)源，也可作為大功率管放大器的驅(qū)動(dòng)前級(jí)實(shí)現(xiàn)更大的輸出功率，從巧旋行波管獲得的大功率信號(hào)可辨率ＴＨｚ雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)源。逡逑固態(tài)調(diào)制源Ｉ邐邐邐Ｗ巧、Ｖ邐邋Ｉ高速ＴＨｚ逡逑￣Ｉ邐Ｉ－端逡逑

管實(shí)現(xiàn)電磁波放大的過程如下首先，從電子槍發(fā)射出來(lái)的直流電子注進(jìn)入慢波結(jié)構(gòu)逡逑區(qū)域，該區(qū)域中的電磁波對(duì)電子注中各電子進(jìn)行速度調(diào)制，逐漸形成電子注群聚塊，此逡逑時(shí)互作用過程處于初始階段，如圖１．４（ａ），這個(gè)階段中電子注從電磁波中吸收部分能量，逡逑使電磁波的幅值有所減��；然后，當(dāng)電子注經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)后，群聚塊進(jìn)入商頻場(chǎng)逡逑的減速場(chǎng)區(qū)域，電子注在減速場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)速度逐漸降低，交出電子注中的動(dòng)能，電逡逑磁波被不斷放大，此時(shí)互作用過程處于線性放大區(qū)，如圖１．４（ｂ）；最后，隨著電子注與逡逑電磁波的互作用進(jìn)行到一定程度后，群聚的電子密度的相位分布變得十分復(fù)雜，激勵(lì)起逡逑來(lái)的電磁波不再線性變化，而是表現(xiàn)出非線性，隨著互作用過程的維續(xù)，電磁波被放大逡逑割最大值，隨后進(jìn)入互作用的過飽和區(qū)，電子注群聚塊進(jìn)入了電磁波的加速場(chǎng)區(qū)，磁場(chǎng)逡逑波不再被放大而是交出電磁能量，此區(qū)域?yàn)榉蔷�性放大區(qū)，如圖１．５；這個(gè)過程就是行逡逑波管放大電磁波的原理

逑電子槍逡逑圖１．３行波管組成結(jié)構(gòu)示意圖逡逑行波管中這五大子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，最終將電子注直流能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量。行波逡逑管實(shí)現(xiàn)電磁波放大的過程如下首先，從電子槍發(fā)射出來(lái)的直流電子注進(jìn)入慢波結(jié)構(gòu)逡逑區(qū)域，該區(qū)域中的電磁波對(duì)電子注中各電子進(jìn)行速度調(diào)制，逐漸形成電子注群聚塊，此逡逑時(shí)互作用過程處于初始階段，如圖１．４（ａ），這個(gè)階段中電子注從電磁波中吸收部分能量，逡逑使電磁波的幅值有所減��；然后，當(dāng)電子注經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)后，群聚塊進(jìn)入商頻場(chǎng)逡逑的減速場(chǎng)區(qū)域，電子注在減速場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)速度逐漸降低，交出電子注中的動(dòng)能，電逡逑磁波被不斷放大，此時(shí)互作用過程處于線性放大區(qū)，如圖１．４（ｂ）；最后，隨著電子注與逡逑電磁波的互作用進(jìn)行到一定程度后

本文編號(hào)：2833380