設(shè)計(jì)了一個(gè)在高效率、高頻率、結(jié)構(gòu)緊湊低磁場(chǎng)以及低電壓工作等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的0.14 THz 擴(kuò)展互作用速調(diào)管慢波諧振系統(tǒng)。針對(duì)該慢波諧振系統(tǒng)進(jìn)行了色散曲線的仿真計(jì)算，在色散曲線與PIC 仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)模式競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行了分析，選取了3π 模為工作模式，并給予了論證。PIC 仿真結(jié)果表明在較低工作電壓18.2 kV，工作電流0.5 A 的條件下，該諧振系統(tǒng)的注波互作用效率可達(dá)到22%，工作模式為3π 模，輸出峰值功率可達(dá)4.03 kW，工作頻率為149.419 GHz。

　　太赫茲波是指頻率在0.1 ～10 THz 范圍內(nèi)的電磁波。它介于毫米波與紅外輻射之間，是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，也是電子學(xué)向光子學(xué)的過渡領(lǐng)域。太赫茲波在遠(yuǎn)紅外光譜學(xué)、醫(yī)療和工業(yè)成像、生物學(xué)研究、材料科學(xué)等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。0.14 THz 波段是繼W 波段后另外一個(gè)非常重要的大氣窗口，相比于W 波段，該頻段的電磁波具有波束窄、天線旁瓣低、分辨率高、絕對(duì)頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)、制導(dǎo)、深空探測(cè)、高速率通信、成像等方面可廣泛應(yīng)用。產(chǎn)生太赫茲波源有許多途徑，例如真空電子器件、ultrafast laser pluses、自由電子激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器等。在太赫茲低頻段，真空電子器件有著許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如高效率、高功率、重量輕、較低的制造成本等。在真空電子器件中，擴(kuò)展互作用器件有著功率高、重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。

　　在高功率太赫茲波和毫米波擴(kuò)展互作用器件發(fā)展的過程中，新型的慢波結(jié)構(gòu)備受關(guān)注，例如復(fù)合介質(zhì)慢波結(jié)構(gòu)、折疊波導(dǎo)、同軸慢波結(jié)構(gòu)、矩形耦合腔慢波結(jié)構(gòu)等。對(duì)于太赫茲擴(kuò)展互作用器件，矩形耦合腔慢波結(jié)構(gòu)如圖 所示是一種新型的全金屬慢波結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的速調(diào)管和行波管相比，該結(jié)構(gòu)既有諧振腔的特點(diǎn)，又有慢波線的特點(diǎn)，能得到較大的R/Q 值。另外，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS) 技術(shù)的發(fā)展，使得該結(jié)構(gòu)的制造加工成為可能，從而能夠發(fā)展小型化的毫米波和亞毫米波波源器件。本文所設(shè)計(jì)的擴(kuò)展互作用速調(diào)管(EIK) 慢波諧振系統(tǒng)正是一種矩形耦合腔慢波結(jié)構(gòu)，它具有高頻率、高效率、低磁場(chǎng)、低電壓以及結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，并且易于加工。

　　1、EIK慢波諧振腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

　　慢波諧振腔的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由慢波結(jié)構(gòu)和與之耦合的諧振腔兩部分組成，中間部分表示帶狀電子注，通過自激振蕩來產(chǎn)生電磁波，波的頻率與慢波諧振結(jié)構(gòu)尺寸大小有關(guān)，工作原理與其他O 型器件相似。在理想均勻磁場(chǎng)Bz = 0.7 T 的條件下，電子注穿過電子通道經(jīng)過間隙( 每個(gè)間隙都能與電子通道兩邊的諧振腔很好的耦合) ，電子注能激勵(lì)器高頻場(chǎng)，反過來高頻場(chǎng)又與電子注互作用，從而使電子注產(chǎn)生群聚，與此同時(shí)，電子注與高頻場(chǎng)進(jìn)行能量交換。最后，產(chǎn)生的電磁波從耦合輸出孔輸出。

圖1 EIK 慢波諧振系統(tǒng)

　　4、結(jié)論

　　本文利用三維粒子仿真軟件，對(duì)0.14 THz EIK慢波諧振系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究，并建立三維結(jié)構(gòu)模型。基于色散曲線，對(duì)模式競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行研究分析，確定了工作模式為3π 模及對(duì)應(yīng)的工作電壓為18.2 kV。最后仿真實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)在工作模式為3π 模、工作電壓為18.2 kV、工作電流為0.5 A、外加磁場(chǎng)為0.7T 的條件下，輸出頻率為149.419 GHz、峰值功率為4.03 kW 的微波，互作用效率達(dá)22%。