140GHz带状注扩展互作用器件的研究.pdf

摘要

太赫兹波具有工作带宽高、波束指向性好、抗干扰、等物理特性，在6G通

信、超快计算、卫星中继、国土安全等诸多尖端领域有着广泛应用。目前随着太

赫兹技术的飞速发展，系统功率的生成与传输也成为了设计的重点。作为系统最

为核心器件的太赫兹源，其输出功率水平直接决定着整个系统的运行效能。因此，

带状电子注器件作为一种高频率有效提高功率的重要方法应运而生，并且被电子

真空器件领域作为技术前沿的研究。采用带状电子注和扩展互作用振荡器的结合，

不仅解决了多间隙高频结构带来的特性阻抗较大的问题，同时匹配了高频率扩展

互作用器件尺寸小带来的互作用电路的长度较小的问题，使得带状注可以在较小

尺寸的高频间隙中传输并且在磁聚焦磁场的作用下进行有效的电子注的速度调制

以及漂移群聚等问题，进行有效的注波互作用。

本文主要是针对140GHz的带状注扩展互作用振荡器展开的系列研究。研究

内容主要包括对140GHz的带状注扩展互作用振荡器高频结构的研究以及优化工

作点的粒子模拟和为了进一步提高功率容量，更好的进行功率输出而设计的包含

方圆过渡和圆波导半径渐变的EIO输出系统，具体研究内容如下：

1、研究对该模型高频结构的冷腔特性进行仿真计算，通过同步条件分析、

色散特性和电场分布特性的研究分析，确定选择TM11的2π模作为本文扩展互作

用腔体的工作模式，进而可以有效地避免模式竞争问题，维持单模的稳定工作同

时减小加工的复杂性等问题。

2、研究了高频结构进行粒子模拟效果，同时对变量进行调试不断优化仿真

结果。通过分析理论工作电压下粒子模拟情况分析，电子没有进行有效的高频互

作用，为了使得现有器件结构下达到有效注波互作用对电子注电压电流，聚焦磁

场强度以及输出口位置进行单一变量调试进而优化注波互作用效果，得到最佳的

输出功率、最少的电子截获和高效的注波互作用效果。

3、为了提高功率容量设计了过渡波导模式变换和蓝宝石封接窗结合的EIO输

出系统，利用耦合波理论和半径圆波导的耦合波方程对过渡波导模式变换器进行

仿真计算，具体包括模式转换效率和传输效率使得在波导内部进行了非常高效的

模式变换和耦合，提高能量转换效率，使得能量尽可能全部集中在轴线上。

关键词：太赫兹波，带状注，扩展互作用器件，EIO输出系统

ABSTRACT

Terahertzwavehashighworkingbandwidth,goodbeamdirectivity,anti-

interferenceandotherphysicalcharacteristics.Itiswidelyusedinmanycutting-edge

fields,suchas6Gcommunication,ultrafastcomputing,satelliterelay,homelandsecurity

andsoon.Atpresent,withtherapiddevelopmentofterahertztechnology,thegeneration

andtransmissionofsystempowerhasbecomethefocusofdesign.Asthecoredeviceof

thesystem,theoutputpowerlevelofterahertzsourcedirectlydeterminestheoperation

efficiencyofthewholesystem.Therefore,stripelectronbeamdevice,asanimportant

methodtoeffectivelyimprovepowerathighfrequency,cameintobeing,andhasbeen

regardedastheresearchfrontierinthefieldofelectronicvacuumdevices.The

combinationofbandedelectronbeamandextendedinteractionoscillator