設(shè)計(jì)和研究了一種太赫茲波段耦合腔擴(kuò)展互作用速調(diào)管，應(yīng)用CST軟件建模仿真得到其幾何參數(shù)，進(jìn)行冷腔仿真，得到了色散曲線和工作點(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(nèi)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(yī)學(xué)成像、無損檢測、安全檢測等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。太赫茲信號源是太赫茲技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，因此對其信號源的研究十分重要。

　　擴(kuò)展互作用速調(diào)管(EIK)是一種太赫茲波段輻射源器件，最早是上世紀(jì)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(jié)合速調(diào)管較高增益、高效率以及行波管較寬帶寬特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、工作電壓低、功率較高。近年來，隨著微細(xì)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(shè)計(jì)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(tǒng)的速調(diào)管基本相同，主要工作過程是電子注的產(chǎn)生、加速、速度調(diào)制、群聚、換能、收集。主要區(qū)別在于，傳統(tǒng)速調(diào)管中，電子注與高頻場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(gòu)成的EIK，形成了n 個(gè)間隙，由于腔與腔有耦合槽連接，相鄰兩腔的電磁場是耦合的，電子與這樣電場的互作用發(fā)生在m 個(gè)間隙上，這相當(dāng)于多腔速調(diào)管中每個(gè)腔由多個(gè)相互耦合的小腔構(gòu)成，互作用就分布在這些小腔的間隙上連續(xù)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(jié)構(gòu)如圖1，設(shè)計(jì)其工作頻率為220GHz，選取該管的工作模式是2π的高頻駐波場TM110模。利用CST軟件對其參數(shù)優(yōu)化，經(jīng)過適當(dāng)比較，選擇參數(shù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1　耦合腔EIK的結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：mm)

　　根據(jù)管子設(shè)計(jì)尺寸，利用CST軟件對兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)的諧振腔進(jìn)行冷腔仿真，得到出場分布屬于2π模的頻率為226.043GHz，如圖2所示。在此結(jié)構(gòu)上確定速調(diào)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，如圖3所示;隨著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(jù)擴(kuò)展互作用速調(diào)管設(shè)計(jì)參數(shù)，利用公式(1)和式(2)得出工作電壓V 約為12600V。

　　仿真表1結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)合色散曲線圖，說明在管子實(shí)際加工中對寬度精度要求更加苛刻。

圖1　諧振腔結(jié)構(gòu)　　圖2　226.043GHz電場分布

　　2.2、粒子模擬

　　設(shè)耦合腔EIK有n個(gè)腔，采用空間電荷波理論分析，經(jīng)計(jì)算得出n從0到6腔，電子注的轉(zhuǎn)換率約為0;6腔到14腔轉(zhuǎn)換率逐漸增大，14腔得到最大，14腔以后的轉(zhuǎn)換率基本不變，由此可建模整管結(jié)構(gòu)如圖5所示;根據(jù)冷腔仿真得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，用PIC軟件在3維直角坐標(biāo)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(dāng)電子束半徑較大時(shí)，電子會被通道壁截獲，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

圖4　耦合阻抗

圖5　EIK結(jié)構(gòu)

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(diào)制圖，圖7是電子動量隨z軸的變化關(guān)系圖，可以看出電子注在管內(nèi)高頻場得到了調(diào)制，在速調(diào)區(qū)和第一漂移段，電子注的速度調(diào)制較弱，在慢波段和第二段漂移段其調(diào)制較強(qiáng);同時(shí)在輸出區(qū)可以看出電子動量明顯減小，說明電子注在輸出區(qū)把能量交給了高頻場。圖8是輸出波瞬時(shí)功率圖，約在12ns輸出穩(wěn)定，得到16W 的峰值功率，可以看出輸出瞬時(shí)功率很平滑，說明沒有出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。圖9是電場的頻譜圖，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(nèi)最大增益為27.2dB，如圖11所示。

3、結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)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(nèi)最大增益為27.2dB。仿真結(jié)果表明各參數(shù)尺寸選擇恰當(dāng)，便可實(shí)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)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(chǔ)。