短毫米波高次谐波行波管研究

作     者：孟祥爱 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：巩华荣

授予年度：2016年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：高次谐波行波管 短毫米波 太赫兹源 折叠波导慢波结构 

摘      要：太赫兹波是介于毫米波和红外线之间的电磁波,由于波段的独特优越性,太赫兹科学技术已被广泛应用于军事、通信、探测等领域。然而,小型化、高功率和低成本太赫兹源的缺乏限制了其在各领域的广泛应用。本文以非相对论电子束的高次谐波产生机理及其在倍频行波管中的应用为研究目的,设计了一种行波放大器——短毫米波高次谐波行波管,该器件的特点是电子束流经过输入信号的调制,电子相空间折叠产生电子群聚束团,并且能够选择特定的高次谐波进行放大且能抑制其他谐波信号。该器件由成熟的短毫米波信号源驱动,在辐射段中由电流高次谐波激励起谐波信号并放大。本文研究的主要内容有:1、首先对折叠波导慢波结构的高频特性和损耗特性进行了理论分析,介绍了折叠波导一维非线性理论,设计出调制段和辐射段慢波结构,并对慢波结构中注波互作用过程进行分析研究。2、对折叠波导慢波结构的输入输出装置和衰减器进行了仿真研究,利用HFSS仿真软件对过渡波导和输入输出窗的电压驻波比进行了仿真计算。3、对短毫米波高次谐波行波管进行了理论研究并进行仿真模拟计算,最后是加工装配整管。通过HFSS仿真软件对调制段和辐射段慢波结构的高频特性进行了仿真,优化出了慢波结构参数,在此基础上对慢波结构的损耗特性进行了仿真计算。利用CST电磁仿真软件的粒子工作室模块对整管模型进行仿真,优化出最佳电子注工作电压、调制段长度和漂移管长度。最终模拟结果为:电子注工作电压为18.4kV、工作电流为120mA,输入信号频率为46GHz、功率为300mW,辐射段输出信号为138GHz、功率为144.5W。输出信号为输入信号的3次谐波信号,频谱纯净,无其他振荡信号或谐波信号的频谱分量,证明了高次谐波行波管可以产生并放大谐波信号,是一种很有前途的太赫兹器件。