本文關鍵詞：毫米波擴展互作用器件理論研究　出處：《電子科技大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 擴展互作用 一維電子模型 運動學理論 非線性模擬 徑向擴展互作用結構

【摘要】：擴展互作用器件體積小、重量輕、結構緊湊,在毫米波及更高的太赫茲頻段上可實現(xiàn)大功率輸出,相對于速調(diào)管、行波管、回旋管等器件有顯著的特點和優(yōu)勢,對于毫米波及太赫茲技術的發(fā)展具有重要意義。目前國內(nèi)對于微波毫米波電真空器件的研究主要集中在速調(diào)管、行波管和回旋管等器件方面,在擴展互作用器件方面開展的研究工作很少,存在很大的不足。本文從運動學角度出發(fā),在小信號條件下分析了擴展互作用器件中的物理過程,研究了擴展互作用腔的耦合系數(shù)和電子電導等特性,分析了擴展互作用結構在高頻段應用的優(yōu)勢,擴展互作用腔體同時具有諧振腔與慢波線的特點,增加了特性阻抗和耦合系數(shù),提高了互作用效率,同時也增大了功率容量,擴展互作用結構可對電子注進行有效的調(diào)制,顯著縮短了各個腔體之間漂移段的長度,器件結構緊湊。計算機模擬在電真空器件的設計過程中起到的作用越來越重要,國內(nèi)外也有多種仿真軟件,但是計算時間通常需要數(shù)十、上百個小時,對器件的研發(fā)設計仍是一個極大的限制。本文基于一維模型,使用C++語言編制了擴展互作用振蕩器和放大器的非線性程序。我們將冷腔電磁仿真軟件得到的場分布代入非線性程序進行計算,能夠十分迅速地模擬注波互作用過程。在相同計算機硬件條件下,非線性程序計算時間約為PIC仿真軟件的千分之一。結合電磁仿真軟件,非線性程序顯著縮短了器件的研發(fā)時間,在參數(shù)優(yōu)化和器件設計方面具有較大的應用價值。本文對35GHz矩形結構EIO、35GHz矩形結構EIK、220GHz矩形結構EIK進行了深入系統(tǒng)研究,分析了不同間隙數(shù)情況下擴展互作用器件的特性、擴展互作用器件與傳統(tǒng)單間隙腔體器件的特性差異,發(fā)現(xiàn)擴展互作用器件在大功率應用上具有顯著的優(yōu)勢。結合小信號理論分析、非線性程序模擬和PIC仿真軟件驗證,提出了一套適用于擴展互作用器件的分析與研發(fā)方法。提出了一種徑向擴展互作用結構,與傳統(tǒng)的擴展互作用器件相比具有較大的陰極面積,顯著提高了工作電流并降低了陰極電流密度。在大功率應用方面該種新結構具有很大的研究價值與前景。本文對徑向擴展互作用振蕩器模型進行了理論分析、非線性模擬、PIC模擬驗證,同時對電子光學系統(tǒng)進行了分析,證明了該種結構的可行性。
[Abstract]:The extended interaction device is small in size, light in weight and compact in structure. It can realize high power output in millimeter wave and higher terahertz band. It has remarkable characteristics and advantages compared with klystron, traveling wave tube, gyrotron and so on. It is of great significance for the development of millimeter wave and terahertz technology. At present, the research of microwave and millimeter wave vacuum devices is mainly focused on klystron, traveling wave tube and gyrotron. In this paper, the physical process of the extended interaction devices is analyzed under the small signal condition from the kinematics point of view. The coupling coefficient and electronic conductance of the extended interaction cavity are studied. The advantages of the extended interaction structure in the high frequency band are analyzed. The extended interaction cavity has the characteristics of both the resonator and the slow wave line at the same time. The characteristic impedance and coupling coefficient are increased, the interaction efficiency is improved, and the power capacity is increased. The extended interaction structure can modulate the electron beam effectively. The length of drift section between different cavities is shortened and the device structure is compact. Computer simulation plays a more and more important role in the design of vacuum devices. There are also many simulation software at home and abroad. However, the computing time is usually tens, hundreds of hours, which is still a great limit to the design and development of devices. This paper is based on one-dimensional model. The nonlinear program of extended interaction oscillator and amplifier is programmed by C language. The field distribution obtained by electromagnetic simulation software of cold cavity is replaced by nonlinear program. It can simulate the beam-wave interaction process very quickly. Under the same computer hardware condition, the calculation time of nonlinear program is about 1/1000 of that of PIC simulation software, combined with electromagnetic simulation software. The nonlinear program shortens the development time of the device and has great application value in parameter optimization and device design. In this paper, the 35GHz rectangular structure EIO-35GHz rectangular structure EIK is studied. The 220GHz rectangular structure EIK is studied in detail. The characteristics of the extended interaction devices with different gap numbers are analyzed. The characteristics of the extended interaction devices are different from those of the traditional single-gap cavity devices. It is found that the extended interaction device has significant advantages in high power applications. Combined with small signal theory analysis, nonlinear program simulation and PIC simulation software verification. A set of analytical and research methods for extended interaction devices are proposed, and a radial extended interaction structure is proposed, which has a larger cathode area than the traditional extended interaction devices. The new structure has great research value and prospect in high power application. The radial spread interaction oscillator model is theoretically analyzed in this paper. The nonlinear simulation is verified by PIC simulation. The feasibility of the structure is proved by the analysis of the electro-optical system.
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN752;TN722

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本文編號：1417506