基于改型双排矩形栅结构的太赫兹辐射源高频系统的研究

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1、博士学位论文基于改型双排矩形栅结构的太赫兹辐射源高频系统的研究作者姓名：割宣俭指导教师：翅准堡班塞虽王自虞班嚣虽主国越堂瞳皇王堂班塞伍学位类别：王堂簋±学科专业：塑堡电王堂研究所：主国越堂睦鱼王堂班塞压2013年6月InvestigationoftheIⅫSystembasedontheRemodelledDouble—GratingRectangularWaVeguideforaTHzRadiationSourceByLiuQinglunADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInPanialFul

2、fillmentofRequirementsFortheDegreeofDoctorofPhilosophyMajor：PhysicalE1ectronicsDirectedbyProf．LiuPukunandProfWangZichengInstituteofElectronics，ChineseAcademyofSciencesJune．2013㈣6¨嵋嵋m¨¨i■■-哪2㈣8洲3㈣2⋯叭Ⅲr研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不

3、包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均己在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。虢出)私魄洲3弓汐关于学位论文使用权的说明本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论文的规定，其中包括：①电子所有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复制并保存学位论文；③电子所可允许学位论文被查阅或借阅；④电子所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤电子所可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。签名导师签名日期：油

4、侈．S．乡9日期：加／弓．S．弓D摘要太赫兹科学技术是目前重要的前沿研究领域之一，它在材料科学、宽带通信、光谱学、天文学、生物医学、安全检测和国防等领域具有广泛的应用潜力。然而，由于缺乏稳定、高效的辐射源，太赫兹科学技术的发展受到很大的限制。微型电真器件作为一种太赫兹功率源，因具有高功率、宽频带和高能量转换效率等优点而受到人们的高度关注。行波管和返波管是其中两种应用较为广泛的太赫兹辐射源。然而，随着工作频段的不断提高，作为器件核心部件的高频系统在加工和装配方面存在着严峻考验。双排矩形栅慢波结构因其结构简单、径向尺寸较大、散热容易，且易实现输入／输出耦合匹配等优势，使得其在毫米波、亚毫米

5、波及太赫兹频段具有较大的应用前景。本文主要对双排矩形栅慢波结构进行理论分析、数值模拟，对基于该结构的W波段行波管和350GHz返波管高频系统进行初步设计，并在此基础上开展了W波段行波管制造工艺的实验研究。论文的主要工作和创新点如下：1．提出采用圆形电子注和双排矩形栅慢波结构作为W波段行波管和350GHz返波管的慢波结构。2．对具有任意位错的双排矩形栅慢波结构进行理论分析。运用场匹配法，从麦克斯韦方程出发，推导了该慢波结构的场分布，“冷”、“热”色散方程及耦合阻抗表达式，并利用数值计算的方法对非线性方程组进行了求解，求得的色散方程和耦合阻抗与仿真软件计算的结果吻合较好，从而证实了理论的正

6、确性。3．对工作于+1次谐波的W波段行波管高频系统进行了深入研究。通过调整上下两排栅之间距离和电子注通道半径，提高了系统的耦合阻抗；讨论了上下两排矩形栅之间的位错对色散特性和耦合阻抗的影响，提出了避免模式简并的一种方法；设计了系统的输入输出耦合结构，优化了系统的传输性能；利用MAGIC对基于该结构的W波段行波管进行注波互作用计算，得出：当电子注电压为10kV’电流为100mA时，在50mW驱动功率下，连续波输出功率在85～96GHz频带内大于40W，增益高于29dB。4．对工作于一1次返波的太赫兹返波振荡器高频系统进行研究。通过对慢波结构尺寸公差对高频特性影响的计算，为慢波结构尺寸在加

7、工和装配过程中的工基于改型双排矩形栅结构的太赫兹辐射源高频系统的研究艺控制提供了理论依据；针对350GHz返波振荡器的输能耦合结构进行设计，在慢波结构末端设置一个集中衰减器，用以吸收任何从输出端反射回来的能量，防止末端反射影响返波管工作；输出端直接设计成一个辐射天线，利用辐射天线把返波管的太赫兹能量直接辐射出去，供给太赫兹成像或检测设备使用；通过粒子模拟研究了返波振荡器注一波非线性互作用过程，结果表明：在30mA电流下，当在8—18kV之间进行