正交场返波管太赫兹源慢波系统-论文.pdf

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1、第26卷第6期强激光与粒子束Vo1．26，NO．62014年6月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJUFI．，2014正交场返波管太赫兹源慢波系统保荣，李彦松，王洪广，刘纯亮，李永东，刘美琴(电子物理与器件教育部重点实验室(西安交通大学)，西安710049)摘要：为解决正交场返波管太赫兹源慢波结构的设计问题，研究了开放式单排矩形梳齿慢波结构的色散及耦合阻抗特性并给出了设计思路及结果。利用单模近似法和数值计算得到了各几何参数对慢波结构性能的影响。结果表明：慢波周期长度可相对独立地优化耦合阻抗；设计慢波结构时可根

2、据工作频率、加工工艺和电子枪性能确定其余三个几何参数，主要是对慢波周期长度进行调节。进一步的数值计算给出了梳齿间距在0．01O～0．025ITInl范围内、工作频率在300～420GHz范围内的开放式矩形梳齿慢波结构的具体尺寸。利用粒子模拟软件对一个设计结果进行了仿真，得到的工作频率验证了冷腔分析的结果。关键词：太赫兹；返波管；慢波结构；色散方程；矩形梳齿中图分类号：TNl25．1文献标志码：Adoi：lO．11884／HPLPB201426．063lOl正交场返波管振荡器是具有潜力的太赫兹源之一，它具有调谐快、工作稳定、功率大、效率

3、高和相位稳定性极高的特点，从而应用在高频相敏测量等领域l】]。此种器件需要尺寸小，稳定性好而又易于制造的慢波结构，而开放式单排矩形梳齿慢波结构因其能在高频时克服制造和散热问题，同时也能应用在行波管和奥罗管中，而备受关注¨5]。1994年，B．McVey等人l7]提出单模近似法对单排矩形梳齿慢波结构进行了研究，该方法可推广至开放式单排矩形梳齿慢波结构。2007年，黄宇_8利用单模近似法导出了任意槽形状开放式矩形波导慢波结构的统一色散方程，并分析了几何参数对结构特性的影响。但是，这些工作都是针对行波管进行的，对于使用此种结构的正交场返波管

4、太赫兹源，还是需要进一步总结结构特性的规律，求出具有参考意义的结构尺寸，从而为仿真和实验研究提供依据。本文采用单模近似法得到色散方程和耦合阻抗表达式，并用MATIAB软件进行数值求解。在分析了不同几何参数对工作频率和耦合阻抗的影响之后，总结出一种设计结构几何尺寸的方法，并对工作在300420GHz范围内、梳齿间距在0．010～0．025iilm之间具备潜力的结构参数进行了总结及验证。l慢波结构设计方法该慢波结构共有4个几何参数，在图1中给出，分别为：慢波周期长度L，梳齿间距z，梳齿高度h以及极间距a。通过基于单模近似法的冷腔分析可导出

5、色散方程和平均耦合阻抗(记为K)的表达式ll1“一。通过数值求解色散方程可绘出色散曲线以及耦合阻抗的曲线，利用函数的单调性和二分查找法可以提高算法效率。一1次返波基模色散曲线的极大值为给定尺寸结构的截止频率，记为厂，用以表征结构的工作频率；平均耦合阻抗用以表征慢波结构的效率。Fig．12DstructureofopenrectangulargratingwaveguideSWS图l开放式矩形梳慢波系统2维结构图1．1几何参数对慢波结构性能的影响以尺寸L一0．08mm，一0．016mm，a一0．06mm，h一0．16mm为基准，分别独立

6、地调整h，a，L，*收稿日期：201312-08；修订日期：2O14-0124基金项目：围家自然科学基金项目(51107097)作者简介：保荣(1990一)，男，博士研究生，主要从事高功率微波器件设计与算法研究；timur．br@stu．xjtu．edu．cn。通信作者：王洪广(1980-)，男，讲师，从事高功率微波器件与脉冲功率器件数值模拟研究；wanghg@mail．xjtu．edu．cn。0631O1—1强激光与粒子束通过数值计算可得到截止频率_厂和平均耦合阻抗K随各参数的变化规律，其中有三个现象较为特别，下面一一列举。·图2(

7、a)给出了厂随h变化的规律。可以看出，工作频率随着梳齿高度的增大而迅速降低，变化幅度极大。事实上，工作频率受梳齿高度影响最为显著，这意味着当梳齿高度变化时，其余三个几何参数在合理范围内的变化将很难对工作频率带来显著影响。图2(b)给出了K与L的关系，可知当其他几何参数给定时，耦合阻抗先是随着慢波周期的增大而增大，在达到一个极值点后，再随着慢波周期的增大而减小。设计慢波结构就是希望能够取到这样的极值点，使得结构效率尽可能的高。图2(c)给出了返波相速度(频率为时，一1次返波相速度与光速的比值)随L的变化规律，可知在图2(c)给出的变化范

8、围内，可近似为L的线性函数。亦即通过适当减小慢波周期长度，可以达到既降低电子注漂移速度，又不损失太多效率的目的。．Fig．2Cutofffrequenciesandaveragecouplingimpedancesgeo