220GHz耦合腔擴展互作用速調管研究
設計和研究了一種太赫茲波段耦合腔擴展互作用速調管，應用CST軟件建模仿真得到其幾何參數，進(jìn)行冷腔仿真，得到了色散曲線(xiàn)和工作點(diǎn)，并且對其進(jìn)行優(yōu)化;再用PIC軟件建模對其進(jìn)行熱仿真，在工作頻率222.967GHz和工作電壓12620V下得到管子的輸出峰值功率為16W;3dB帶寬為230MHz，效率為1.5%，帶內最大增益為27.2dB。
太赫茲(THz)技術(shù)是涉及多個(gè)學(xué)科的交叉前沿領(lǐng)域，在通信、電子對抗、電磁武器、天文學(xué)、醫學(xué)成像、無(wú)損檢測、安全檢測等領(lǐng)域有非常重要的應用價(jià)值。太赫茲信號源是太赫茲技術(shù)應用的關(guān)鍵，因此對其信號源的研究十分重要。
擴展互作用速調管(EIK)是一種太赫茲波段輻射源器件，最早是上世紀60年代由美國斯坦福大學(xué)喬多羅及威瑟爾-貝格提出的。耦合腔EIK結合速調管較高增益、高效率以及行波管較寬帶寬特點(diǎn)，其結構緊湊、體積小、重量輕、工作電壓低、功率較高。近年來(lái)，隨著(zhù)微細加工技術(shù)、陰極技術(shù)和電子光學(xué)等各方面技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)取得了一定的成果，本文研究了一種耦合腔EIK，設計和模擬了0.22THz的EIK輻射源。
1、EIK工作原理
耦合器EIK原理和傳統的速調管基本相同，主要工作過(guò)程是電子注的產(chǎn)生、加速、速度調制、群聚、換能、收集。主要區別在于，傳統速調管中，電子注與高頻場(chǎng)的互作用以及能量交換只發(fā)生在諧振腔間隙中。而由n個(gè)諧振腔構成的EIK，形成了n 個(gè)間隙，由于腔與腔有耦合槽連接，相鄰兩腔的電磁場(chǎng)是耦合的，電子與這樣電場(chǎng)的互作用發(fā)生在m 個(gè)間隙上，這相當于多腔速調管中每個(gè)腔由多個(gè)相互耦合的小腔構成，互作用就分布在這些小腔的間隙上連續進(jìn)行。
2、耦合腔EIK冷腔仿真和粒子仿真
2.1、冷腔仿真
耦合腔EIK的諧振腔結構如圖1，設計其工作頻率為220GHz，選取該管的工作模式是2π的高頻駐波場(chǎng)TM110模。利用CST軟件對其參數優(yōu)化，經(jīng)過(guò)適當比較，選擇參數結構如表1所示。
表1 耦合腔EIK的結構參數(單位：mm)
根據管子設計尺寸，利用CST軟件對兩個(gè)周期結構的諧振腔進(jìn)行冷腔仿真，得到出場(chǎng)分布屬于2π模的頻率為226.043GHz，如圖2所示。在此結構上確定速調管的工作電壓和工作頻率以及腔體形變(H 或W 增加或者減小0.04mm)下的色散曲線(xiàn)，如圖3所示;隨著(zhù)H 或者W 增加時(shí)，頻率減小，H或W 減小時(shí)頻率增大，且W 的微小變化對頻率的影響比較明顯。根據擴展互作用速調管設計參數，利用公式(1)和式(2)得出工作電壓V 約為12600V。
仿真表1結構參數下以及腔體形變(H 或者W增加或者減小0.04mm)下的偶合阻抗如圖4所示;由圖可得W 的微小增加對耦合阻抗的變化影響很大，結合色散曲線(xiàn)圖，說(shuō)明在管子實(shí)際加工中對寬度精度要求更加苛刻。
圖1 諧振腔結構 圖2 226.043GHz電場(chǎng)分布
2.2、粒子模擬
設耦合腔EIK有n個(gè)腔，采用空間電荷波理論分析，經(jīng)計算得出n從0到6腔，電子注的轉換率約為0;6腔到14腔轉換率逐漸增大，14腔得到最大，14腔以后的轉換率基本不變，由此可建模整管結構如圖5所示;根據冷腔仿真得到的結構參數，用PIC軟件在3維直角坐標下建模，對整管進(jìn)行粒子模擬仿真。選擇工作電壓12620V，輸入波頻率222.697GHz，電流密度為65A/cm2，仿真不同電子束半徑r下的瞬時(shí)功率如表2所示;得出電子束半徑r為0.18mm輸出幾乎為0，0.18mm到0.22mm一直增大，其中從0.195mm到0.2mm急劇增大，0.2mm到0.22mm，增幅平緩，0.22mm 后急劇減小�？紤]到電子的流通率，當電子束半徑較大時(shí)，電子會(huì )被通道壁截獲，綜合實(shí)際情況考慮最終選擇電子束半徑r=0.2mm。
圖3 色散曲線(xiàn)
圖4 耦合阻抗
圖5 EIK結構
表2 仿真不同電子束半徑下的瞬時(shí)功率
圖6是電子注的調制圖，圖7是電子動(dòng)量隨z軸的變化關(guān)系圖，可以看出電子注在管內高頻場(chǎng)得到了調制，在速調區和第一漂移段，電子注的速度調制較弱，在慢波段和第二段漂移段其調制較強;同時(shí)在輸出區可以看出電子動(dòng)量明顯減小，說(shuō)明電子注在輸出區把能量交給了高頻場(chǎng)。圖8是輸出波瞬時(shí)功率圖，約在12ns輸出穩定，得到16W 的峰值功率，可以看出輸出瞬時(shí)功率很平滑，說(shuō)明沒(méi)有出現震蕩現象。圖9是電場(chǎng)的頻譜圖，中心頻率為222.69GHz，圖10是輸入頻率與輸入功率輸出功率關(guān)系圖;3dB帶寬約230MHz，頻帶內最大增益為27.2dB，如圖11所示。
3、結論
本文設計了一種220GHz耦合腔EIK，并對其進(jìn)行了冷腔仿真和粒子模擬仿真，在12620V電壓和65A/cm2 電流密度下，工作頻率222.697GHz下得到輸出峰值功率約為16W;3dB帶寬為0.23GHz，效率為1.5%，帶內最大增益為27.2dB。仿真結果表明各參數尺寸選擇恰當，便可實(shí)現此結構的耦合腔EIK工作于太赫茲波段，為下一階段的研究奠定基礎。
