交错双栅带状注行波管理论和模拟

【作者】 罗积润； 谢文球； 王自成； 赵鼎；

【机构】 中国科学院高功率微波源与技术重点实验室,中国科学院电子学研究所；

【摘要】 随着电磁波应用向太赫兹频段发展,电磁辐射的产生面临严峻的技术挑战。受光量子能量低的影响,使采用半导体激光难以找到具有足够粒子数反转的物质;而尺寸共度效应,限制了传统轴对称真空微波电子器件功率容量。自由电子激光(FEL)和回旋管(Gyrotron)已经能在太赫兹频段产生高功率输出,但其需要强磁场和高电压,体积十分庞大,应用范围严重受限。带状电子注与交错双栅的结合为提高工作频率和功率容量以及增加带宽提供了有利条件,是传统器件向太赫兹频段发展的一种可行途径。本文在考虑槽区高次谐波影响的基础上,基于电磁场匹配连接、麦克斯韦方程以及电子运动方程,利用阶梯等效逼近金属边界,建立了任意形状交错双栅周期慢波结构高频特性和注波互作用模型,获得了相应的色散特性、耦合阻抗以及线性和非线性注波互作用公式。在G波段,以正弦波导为例,比较了色散特性和耦合阻抗的理论和商业软件HFSS计算结果,前者的误差不超过1%,后者的误差不超过10%,计算时间仅为商用软件的1/7;另外,对矩形、梯形、正弦和三角四种不同交错双栅慢波结构结构色散特性和耦合阻抗进行了比较计算,发现矩形和梯形结构在低频端有更高的耦合阻抗,但正弦和三角结构在整个工作频带内耦合阻抗差异更小。在G波段,以矩形交错双栅为例,讨论了电参数和损耗变化对增长率的影响。在W波段,以矩形波导为例,研究了电子注相位、轴向动量、横截面和群聚电流的演化过程,分析了损耗截断和聚焦磁场变化对高频输出功率、稳定性和带宽的影响。此外,CST-PS软件与理论模型计算结果表明,输出功率/电子注截获-频率特性两者有相对合理的一致性,但前者的计算时间是后者的184倍。上述工作形成了一套用于交错双栅带状注行波管设计参数选择与优化设计的软件(SBTWT-3D),为器件工程设计提供了合理的手段。更多还原