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397 GHz斜注管互作用系统的设计模拟

苏思铭 冯进军

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397 GHz斜注管互作用系统的设计模拟

    作者简介: 苏思铭(1995—),男,硕士研究生,主要研究方向为短毫米波和太赫兹真空电子器件研制:18645093816@163.com.
  • 中图分类号: TN125

Design and simulation of beam-wave interaction system of 397 GHz clinotron

  • CLC number: TN125

图(15)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-19
  • 录用日期:  2019-11-12
  • 网络出版日期:  2019-11-28
  • 刊出日期:  2019-12-01

397 GHz斜注管互作用系统的设计模拟

    作者简介: 苏思铭(1995—),男,硕士研究生,主要研究方向为短毫米波和太赫兹真空电子器件研制:18645093816@163.com
  • 北京真空电子技术研究所 微波电真空器件国家重点实验室,北京 100015

摘要: 斜注管是返波振荡器的一种,通过电子注的倾斜,电子距离慢波结构更近,高频场更强,耦合阻抗和互作用效率更高,显著增加输出功率。对带状注斜注管的互作用系统进行了设计,并首次将双排齿慢波结构应用于斜注管。利用电磁模拟软件和3D粒子模拟软件对设计的斜注管的色散曲线和场分布进行了分析,并对其注-波互作用进行了模拟,可以得到大于100 mW的输出功率以及50 GHz的调谐带宽。输出功率在370.5 GHz频点处处达到峰值2.3 W,电子注电压7.0 kV,注电流120 mA,聚焦磁场1.0 T。

English Abstract

  • 随着电磁波频谱的开发利用,电真空技术也得到了发展。传统的微波管在W波段已经可以稳定有效地工作,但随着人们对信息需求量的增大,促使微波管的工作频段向着更高的方向发展,即太赫兹波段。虽然太赫兹技术的发展潜力巨大,但制约其发展的原因之一是缺乏合适的太赫兹辐射源。应用场景中需要紧凑的、高功率、高效率、可调谐太赫兹辐射源,然而现有的太赫兹源的功率较低,不易被收集利用。斜注管正好解决了这一问题。斜注管作为一种太赫兹辐射源,是由乌克兰国家科学院(NASU)射电天文学研究所的Levin等人于1992年提出的[1]。在斜注管中,电子注是倾斜于慢波结构的,这样可使电子与慢波结构更接近,与更强的电场互作用从而增加输出功率,提高互作用效率。斜注管腔内的慢波结构末端没有吸收器,在电子注的入口和出口发生强反射。斜注管是振荡器件,它的频率调谐范围可达到约为15%[2]。目前开发出的345~390 GHz的斜注管输出功率为100 mW,272~334 GHz的斜注管输出功率为50~100 mW[3]。国内对斜注管的研究处于软件模拟阶段。2011年任大鹏等人设计了W波段斜注管的慢波结构,并对注-波互作用过程进行了模拟[4]。2015年姚若妍设计出0.1 THz矩形单栅、0.4 THz矩形单栅、0.65 THz正弦波导、1.5 THz交错双栅慢波结构斜注管并进行注-波互作用过程模拟[5]。2016年王晨曦对0.34 GHz矩形单栅斜注管慢波结构进行设计并讨论其加工工艺和损耗[6]。斜注管常用于生物学、医学和材料学的太赫兹成像技术以及动态核磁共振光谱技术[7-8]

    本文主要设计了350~400 GHz斜注管互作用系统中的双排齿慢波结构,并研究了其色散特性和耦合阻抗。利用3D粒子软件对注-波互作用过程进行了模拟,结果表明该互作用系统的调谐范围为347~397 GHz,对应的调谐电压为6~12 kV,可以获得大于100 mW的输出功率和50 GHz的调谐带宽以及较为纯净的频谱。

    • 斜注管的注-波互作用系统示意图如图1所示。图2展示了所用双排齿慢波结构的三视图。双排齿慢波结构对圆形电子注和带状电子注具有良好的兼容性,且由于双排齿结构的特点,齿顶附近叠加得到的场强较强,为慢波结构的应用提供了可能。双排齿波导中的主要结构参数为外波导宽度b=0.3 mm,齿高h=0.16 mm、齿间距g=0.05 mm、齿宽w=0.14 mm、慢波结构周期p=0.1 mm以及槽宽s=0.035 mm。斜注管中,与电子注发生互作用的是返波,波能量的传递方向与电子运动方向相反,故能量输出位于电子注输入端一侧[4]

      图  1  斜注管注-波互作用系统示意图

      Figure 1.  Beam-wave interaction system of the clinotron

      图  2  斜注管慢波结构三视图

      Figure 2.  Structure diagram of the double corrugated waveguide SWS

      对于双排齿慢波结构,可以使用近似计算的方法求其色散方程[9]

      ${Y_0}\left( \phi \right) = 2\sqrt {\dfrac{{{\varepsilon _0}}}{{{\mu _0}}}} \sin \dfrac{\phi }{2}\left\{ {\dfrac{{2w}}{s}\sin \dfrac{\phi }{2} + \dfrac{{p - s}}{p}\sum\nolimits_{n = - \infty }^\infty {{{\left( { - 1} \right)}^n}\dfrac{{\sin \dfrac{{{\beta _n}s}}{2}\sin \dfrac{{{\beta _n}\left( {p - s} \right)}}{2}}}{{\dfrac{{{\beta _n}s}}{2}\dfrac{{{\beta _n}\left( {p - s} \right)}}{2}}}} \left[ {{\rm{cth}}{\beta _n}l + {\rm{cth}}{\beta _n}g - \dfrac{1}{{{\rm{sh}}{\beta _n}g}}} \right]} \right\}$

      (1)

      ${Y_0}\left( \phi \right) = D\left( f \right)$

      (2)

      $D\left( f \right) = \omega C\tan kh$

      (3)

      式中:${\varepsilon _0}$${\mu _0}$为理想条件下的介电常数和磁导率;n为空间谐波的波数;$\phi $为周期相移;$\omega $为角频率;$k = \omega /c$,其中$c$为光速;约化电容$C$=1.6[10];其他参数如图2所示。

      在CST微波工作室中,建立一个单周期的双排齿慢波结构,如图3所示。利用本征模求解器来计算其色散曲线。图4为由公式计算得到的色散曲线与用CST软件模拟得到的色散曲线的对比图。由图可见,周期相移在0.2π~1.8π区间时,模拟曲线与理论计算拟合度较好,设计中的斜注管工作的周期相移区间在1.3π~1.7π,故理论计算虽存在误差,但对斜注管的设计的影响可忽略。设计的斜注管工作频段为350~410 GHz,电压调谐范围为5.1~12.8 kV。

      图  3  CST微波工作室中建立的单周期慢波结构模型

      Figure 3.  Solid model of one single period slow wave structure (SWS) in CST

      图  4  计算与模拟得到的斜注管慢波结构色散曲线

      Figure 4.  Comparison of calculation and simulation dispersion curves in the SWS

      耦合阻抗常用于衡量电子注与轴向场的互作用效果。利用CST软件中的后处理功能,可以求出单周期双排齿慢波结构的耦合阻抗,结果如图5所示,计算的位置在双排齿中心距离齿顶0.05 mm的位置(电子注中心位置),如图6所示。

      图  5  单周期双排齿慢波结构的耦合阻抗

      Figure 5.  Coupling impedance of the SWS

      图  6  耦合阻抗的计算位置

      Figure 6.  Calculation point of coupling impedance

    • CST软件中建立的斜注管互作用系统的模型图如图7所示,其中左侧所示为电子注输入端及能量输出端,右侧为慢波结构反射端。电子注尺寸0.5 mm×0.1 mm,电流120 mA,倾斜角0.2°,聚焦磁场强度1.0 T[10],材料的电导率1.6×107 S/m[11-13]。带状电子注由图中左侧的矩形结构发出,输出端口的位置与电子注输入端同侧,在慢波结构的底部,由正下方的波导将能量引出。互作用系统的末端被反射面封住,这样可以利用反射形成振荡,与反射面相连的是半周期的双排齿。

      图  7  CST软件中的斜注管互作用系统模型

      Figure 7.  Interaction section of clinotron solid model in CST

      图8示出了电子注在行进过程中的形状变化,图8(a)为观测位置距离输入端0.5 mm处的截面图,图8(b)为观测位置距离输入端4.5 mm处的截面图。由图可见,电子注截面在入射时可近似看成矩形,随着电子注的行进,磁场对其作用,使得电子在纵向(y方向)有一定的下移,但截面形状还能近似保持矩形,这证明了聚焦磁场选值的合理性。图9示出了电子注在互作用系统末端发生的群聚现象。

      图  8  CST模拟的电子注形态

      Figure 8.  Sheet beam cross section in CST model

      图  9  互作用系统末端的电子群聚

      Figure 9.  Electron bunching at the end of the interaction section

      图10示出了斜注管互作用系统的电压调谐曲线。由图可见,电压相同时由模拟得到的工作频率比色散曲线的频率稍低,这是因为电子速度只有在略高于波的相速时才能传递能量,而且由于电子注与慢波结构间存在的场导致的电位沉降现象,使得电子速度比所加电压对应的速度要低。图11示出了互作用系统的输出功率随频率变化的关系曲线。虽然设计频段为350~410 GHz,但由于低频段区域的耦合阻抗较低,导致输出功率大幅下降;而在高频段区域,随着电压的增长,频率变化不够明显。当电压达到12.8 kV时,频率并未达到410 GHz,而是在400 GHz附近缓慢增长。故最终得到的斜注管互作用系统的频段为347~397 GHz,对应的调谐电压为5.1~12.8 kV。输出功率为最高值时工作频率为370.5 GHz,图12示出了输出功率最大时的输出端口的电场,计算得到的输出功率如图13所示。图14图15分别为工作频率370.5 GHz和397 GHz情况下,输出信号通过快速傅里叶变换后的谱线。可以看出,输出信号的频谱较为纯净,斜注管互作用系统的设计合理。

      图  10  电压调谐曲线

      Figure 10.  Operating frequency versus beam voltage

      图  11  CST软件模拟的互作用系统输出功率曲线

      Figure 11.  Simulated output power in CST

      图  12  模拟得到的370 GHz频点的电场随时间变化的函数

      Figure 12.  Electric field versus time

      图  13  模拟得到的370 GHz频点端口输出功率

      Figure 13.  Simulated output power

      图  14  370.5 GHz频点的快速傅里叶变换谱线

      Figure 14.  Frequency spectrum through FFT (370.5 GHz)

      图  15  397 GHz频点的快速傅里叶变换谱线

      Figure 15.  Frequency spectrum through FFT (397 GHz)

    • 本文介绍了斜注管的注-波互作用系统的设计过程,首次将双排齿慢波结构应用于斜注管中。确定了慢波结构的结构参数,并进行了冷特性模拟以及互作用过程的模拟。在347~397 GHz调谐范围内得到了大于100 mW的输出功率。

参考文献 (13)

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