毫米波扩展互作用器件慢波谐振系统的分析-analysis of millimeter wave extended interaction device slow wave resonance system.docx

摘要毫米波是频率范围为 30GHz~300GHz 范围内的电磁波，介于微波、红外、光 波之间。因此兼有这几个特点：第一，波束窄。第二，极宽的带宽。第三，毫米 波器件的尺寸较微波器件而言要小很多。第四，相比激光来说，它的传播特性受 气候的影响小，接近全天候特性。扩展互作用器件(EID, Extended Interaction Devices)是在二十世纪六十年代发 展起来的，互作用机理介于行波管和速调管之间的毫米波真空电子器件，主要有 扩展互作用速调管(EIK, Extended Interaction K lystron)和扩展互作用振荡器(EIO, Extended Interaction Oscillator)。与行波管和速调管相比，扩展互作用器件采用的慢 波谐振系统兼顾了两者的优点，既可以获得高增益和效率，又可以获得足够大的 带宽。EID 在毫米波、亚毫米波频段有非常大的发展的潜力，该器件具有结构紧凑、 重量轻、体积小、大带宽、工作电压低、输出功率高等特点。目前国际上一些国 家在卫星通讯、深空拓扑成像、气候的观测等一些项目上越来越多地采用了 EID。本文主要对毫米波段 0.14THz 带状注扩展互作用器件慢波谐振系统进行了初 步研究。本文采用高频电磁模拟软件 CST(Computer Simulation Technology)和 CHIPIC 软件分别对其进行了冷腔仿真和热腔仿真，分析了慢波谐振系统的各结构 参数对其影响，得到一组较优的结构参数值来构建模型。然后基于前面构建的模 型，针对该慢波谐振系统进行了色散曲线的仿真计算。在色散曲线与 PIC 仿真的 基础上，对模式竞争进行了分析，选取了 ??模为工作模式，并给予了论证。最后 PIC 仿真结果表明在较低工作电压 18.2kV，工作电流 0.5A 的条件下，该谐振系统 的注波互作用效率可达到 22%，工作模式为??模，输出平均功率可达 1.98kW，工 作频率为 149.4GHz。并且在相同的结构参数以及相同电子注横截面积与密度的条 件下，对带状束 EIO 与柱形束 EIO 进行了比较，最终模拟输出结果表明带状注 EIO 比柱状注 EIO 有更高的输出功率和注波互作用效率。这是因为带状注横截面上的 纵向电场更加均匀，导致电子受到的密度调制更加均匀、群居效果更好；另外， 带状注的耦合阻抗更大。关键字：毫米波，EID，慢波谐振系统，色散曲线，工作模式ABSTRACTThe electromagnetic wave with range of 30GHz-300GHz is millimeter wave, which is among microwave, infrared, light waves. It has some peculiarities: first, narrow beam; second, the very wide bandwidth; third, the size of the millimeter wave device is relatively much smaller than microwave devices; fourth, compared with the laser, its propagation characteristics is influenced smally by the climate, close to all-weather features.Extended interaction devices(EID) is a kind of millimeter wave vacuum electronics developed in the 1960s with interaction mechanism base on traveling wave tube and klystron, which mainly contains extended interaction klystron oscillator (EIK) and extended interaction (EIO). Compared with traveling wave tube and klystron, extended interaction devices can achieve higher gain, higher efficiency and large enough bandwidth, whose slow wave resonant system combines the advantages of traveling wave tube and klystron.EID working at millimeter