行波再生反馈振荡非线性跳频与多模机理研究

Vacuum electronic devices due to their efficient, powerful and reliable performance, are still first choices in sub-millimeter wave to terahertz regime, which has motivated enourmous researches. By increasing the working frequency, the size of the devices needs to be very compact, which meets the challenge of power limit. With a fraction of the output power recirculated to the amplifier terminal, regenerative feedback oscillators have been proposed and validated as very attractive sub-millimeter wave and THz source devices. Recently, a lot of investigations have been done on micro-fabrications of such devices. However, unstable characteristics have been found as output frequency exhibits step tuning and multi-mode behaviors, while the physical models of such behaviors have not been discussed and explained yet.In this case, this project studys the non-linear characteristics of traveling wave regenerative feedback oscillatiors. Firstly the linear and non-linear physical and mathmatical model of the oscillation is built, including the beam-wave interaction model in the folded waveguide, the EM transmitting model in both amplifying and feedback circuit, and the composition model of the oscillation frequencies; Secondly the frequency step tuning and multi-mode characteristics are studied, a new design method to implement the feedback circuit which leads the output frequency to become single, steady state and continuously adjustable is presented; Lastly an oscillation testing system is built to validate the theory. In conclusion, this project provides theoretical foundation for future similar source oscillation devices' investigation.

电真空器件源其高效、高能、高稳定性等特点，在亚毫米波以及更高的太赫兹频段仍具有不可替代的地位，为目前国内外研究的重点。随着频率的进一步提高，器件尺寸过小，功率容量已趋于极限，为进一步提高输出功率，近年来提出了"采用引入反馈回路将行波放大后再生振荡的方式获得稳定输出"的方案，在对行波再生反馈振荡系统的研究中，国内外学者的研究重心集中在微细加工方面，其中，遇到了输出频率点不容易控制，易发生跳频与多模现象等问题，但目前仍缺乏此类现象的物理机理解释。为此，本项目研究行波再生反馈振荡的非线性机理，首先建立再生振荡的线性与非线性数学物理模型，包括折叠波导中的注波互作用模型、正向与反馈回路电磁波传播模型与振荡合成理论模型；然后，根据模型对再生振荡中的跳频与多模现象进行非线性分析，提出系统优化改进设计方法；最后根据实验结果验证理论的正确性。总之，研究成果为今后类似振荡器信号源的研制奠定理论基础。

根据项目主要研究内容，本项目完成情况概述如下：（1）完成行波再生反馈振荡器的物理与数学模型建立，通过数值计算，分析存在的电磁波模式，研究传播特性，分析振荡频率发生跳变和多模的机理：考察不同频段电磁波在慢波结构中传播特性，有针对性地对THz频段的电子注与电磁波相互作用过程以及再生回路中电磁波的传播过程进行详细建模，建立完整的激励响应输出频率的再生振荡数学物理模型。建立反馈回路中电磁波色散模型，研究反馈回路信号、放大信号与电子注信号的合成原理，给出包含上述参数与输出频率特性指标的详细合成理论模型。根据此非线性理论模型，建立详细的单频、多频、锁频与跳频的非线性振荡模型，给出完整的各模式下的振荡条件，分析输出频率在随电子注电压等指标调节下容易发生跳变与产生多种模式的原因，分别对以上的工作模式下的振荡条件计算结果进行对比分析；（2）完成编写560GHz振荡器非线性计算软件，给出可视化计算过程，成功获得560GHz，260mW模拟结果：根据申请人参与设计的折叠波导慢波结构为原型，采用严格的场分析法与等效电路法，获得其色散特性、耦合阻抗和衰减系数，得出提高频率与展宽频带的规律。同时以线性模型与非线性模型，在亚毫米波频段内对其进行修正，将模拟结果与实验结果或其它近似模型的计算结果进行了对比，获得稳定的单频输出结果；（3）完成实验验证平台的搭建：通过建立行波再生振荡系统，包括折叠波导行波管、发射与接收天线、输入激励源、波导窗、隔离器、可变衰减器、相移器，定向耦合器、脉冲开关电源、脉冲信号发生器、频谱分析仪与示波器等组件与设备的购买、租赁与组合；完成该再生振荡系统的整体测试工作，与仿真结果进行了对比，进一步验证理论的正确性。.项目基本完成了研究目标：获得了预期的研究结果，依托本项目发表论文29篇，其中SCI检索17篇，EI检索文章12篇，参加国际会议10人次，其中2次会议邀请报告，申请专利7项，受理7项、已授权2项，完成培养博士研究生5名，硕士研究生10名，正在培养硕士研究生5名。