太赫兹多注级联折叠波导行波管放大器的研究

With the development of micro machining technology and high current density cathode technology,the reseach of terahertz amplifier used in airbrone and spaceborne platforms has become one of the hot topics in vacuum electronic field.The cascaded multi-beam folded waveguide slow-wave circuit is used in multi-stage amplifier, which improves the gain, shortens the length of electron beam channel and lowers intercepted electron beam. The common and bottleneck problem in terahertz band, slender electron beam channel machining, high current electron beam focus and transmission, is also solved. Traveling wave tube amplifier with miniature cascaded multi-beam folded waveguide slow-wave circuit as the core part has great potential as the coherent power source of THz imaging radar and THz communication system for advantages of high-power capability, high gain, broadband, lighter weight and smaller volume. In this project, the transmission characteristic of cascaded folded waveguide high frequency slow-wave circuit and beam-wave interaction mechanism are studied; A practical physical model of the multi-beam electron optics system will be built, and the key problems of electron gun structure with electron beam emission ,high compression ratio, and magnetic system with electron efficient guide, effective transmission and collection will also be solved; And an available technical approach will be established to solve the bottleneck problem of micro machining technology.

随着微加工技术和高电流密度阴极技术的发展，应用于机载、星载平台的太赫兹放大器的研究已成为电真空技术领域的热点课题。多注级联折叠波导慢波电路采用多级放大，既提高了增益，又大大地缩短了电子束通道的长度，降低了电子束的截获，解决了太赫兹频段细长电子束通道加工和高电流密度电子束聚焦、传输这一具有共性且为瓶颈的技术问题。以微型级联多注折叠波导慢波电路为核心的行波管放大器具有高功率、高增益、宽频带、轻量紧凑的优点，有望成为THz成像雷达、太赫兹通信系统的相干功率源。 本项目拟开展级联折叠波导行波管放大器慢波电路注波互作用机理研究，建立放大器的设计理论；开展多注电子光学系统的设计研究，建立阴极发射、传输和收集的电子光学系统的实用化物理模型，解决实现产生电子束发射、高压缩比的电子枪结构，小型化有效引导、高效传输和收集电子束的磁场系统的关键问题；开展微加工工艺技术中瓶颈问题研究，建立可行技术途径。

太赫兹（THz）辐射源的研究是THz领域科技发展的核心研究内容。多注级联折叠波导慢波电路采用多级放大，既提高了增益，又大大地缩短了电子束通道的长度，降低了电子束的截获，解决了太赫兹频段细长电子束通道加工和高电流密度电子束聚焦、传输这一具有共性且为瓶颈的技术问题。以微型级联多注折叠波导慢波电路为核心的行波管放大器具有高功率、高增益、宽频带、轻量紧凑的优点，是THz成像雷达、太赫兹通信系统并可应用于机载、星载平台的理想的相干功率源，具有很大应用潜力。本项目从以下两个方面做了深入的研究。.基于Pierce圆电子注电子枪物理模型，采用设计一个圆电子注电子枪单元并将其在二维平面拓展的方法，实现了220GHz平面三注电子枪的模型构建。为了简化平面三注电子枪的模型结构使其便于平面一体化集成，对该平面三注电子枪的外聚束电极和阳极头等复杂结构进行简化与优化，并与均匀永磁场聚焦结构集成。通过系统地模拟电子光学系统，获得了良好电性能参数：三注阵列电子注传输距离为18mm，电子轨迹的起伏11.2%，传输效率100%。论证阵列电子束传输特性对电子枪与聚焦磁场匹配误差、电子束电压起伏和轴向磁场起伏的稳定性，实现了工作电压U_a=20kV，注电流I=3×0.1A，每一个电子注通道半径为0.14mm，相邻电子注轴线间距为8mm的电子光学系统。. 开展了220GHz三注级联折叠波导行波管放大器互作用电路的研究。通过分析色散和耦合阻抗等高频特性初步确定了主要的结构参数。考虑到级联折叠波导的特殊结构形式，设计了外部衰减器以抑制反射以及连接折叠波导与标准波导的过渡波导，获得了带宽在210GHz-240GHz频率范围，从输入波导输入至输出波导输出，整个互作用电路S11参数低于-12dB。通过优化整体结构，增加磁钢体积及缩小磁钢间距，调整均匀聚焦磁场的强度，获得最大输出功率为100.8W，增益为32.3dB，电子效率为4.8%，-3dB带宽为8GHz。论证了放大特性对电子注电压起伏、匹配误差及磁场起伏的稳定性。. 基于本项目的研究成果，正在开展220GHz三注级联折叠波导行波管放大器的研制工作。