220GHz耦合腔扩展互作用速调管研究
设计和研究了一种太赫兹波段耦合腔扩展互作用速调管，应用CST软件建模仿真得到其几何参数，进行冷腔仿真，得到了色散曲线和工作点，并且对其进行优化;再用PIC软件建模对其进行热仿真，在工作频率222.967GHz和工作电压12620V下得到管子的输出峰值功率为16W;3dB带宽为230MHz，效率为1.5%，带内最大增益为27.2dB。
太赫兹(THz)技术是涉及多个学科的交叉前沿领域，在通信、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检测等领域有非常重要的应用价值。太赫兹信号源是太赫兹技术应用的关键，因此对其信号源的研究十分重要。
扩展互作用速调管(EIK)是一种太赫兹波段辐射源器件，最早是上世纪60年代由美国斯坦福大学乔多罗及威瑟尔-贝格提出的。耦合腔EIK结合速调管较高增益、高效率以及行波管较宽带宽特点，其结构紧凑、体积小、重量轻、工作电压低、功率较高。近年来，随着微细加工技术、阴极技术和电子光学等各方面技术的发展，已经取得了一定的成果，本文研究了一种耦合腔EIK，设计和模拟了0.22THz的EIK辐射源。
1、EIK工作原理
耦合器EIK原理和传统的速调管基本相同，主要工作过程是电子注的产生、加速、速度调制、群聚、换能、收集。主要区别在于，传统速调管中，电子注与高频场的互作用以及能量交换只发生在谐振腔间隙中。而由n个谐振腔构成的EIK，形成了n 个间隙，由于腔与腔有耦合槽连接，相邻两腔的电磁场是耦合的，电子与这样电场的互作用发生在m 个间隙上，这相当于多腔速调管中每个腔由多个相互耦合的小腔构成，互作用就分布在这些小腔的间隙上连续进行。
2、耦合腔EIK冷腔仿真和粒子仿真
2.1、冷腔仿真
耦合腔EIK的谐振腔结构如图1，设计其工作频率为220GHz，选取该管的工作模式是2π的高频驻波场TM110模。利用CST软件对其参数优化，经过适当比较，选择参数结构如表1所示。
表1 耦合腔EIK的结构参数(单位：mm)
根据管子设计尺寸，利用CST软件对两个周期结构的谐振腔进行冷腔仿真，得到出场分布属于2π模的频率为226.043GHz，如图2所示。在此结构上确定速调管的工作电压和工作频率以及腔体形变(H 或W 增加或者减小0.04mm)下的色散曲线，如图3所示;随着H 或者W 增加时，频率减小，H或W 减小时频率增大，且W 的微小变化对频率的影响比较明显。根据扩展互作用速调管设计参数，利用公式(1)和式(2)得出工作电压V 约为12600V。
仿真表1结构参数下以及腔体形变(H 或者W增加或者减小0.04mm)下的偶合阻抗如图4所示;由图可得W 的微小增加对耦合阻抗的变化影响很大，结合色散曲线图，说明在管子实际加工中对宽度精度要求更加苛刻。
图1 谐振腔结构 图2 226.043GHz电场分布
2.2、粒子模拟
设耦合腔EIK有n个腔，采用空间电荷波理论分析，经计算得出n从0到6腔，电子注的转换率约为0;6腔到14腔转换率逐渐增大，14腔得到最大，14腔以后的转换率基本不变，由此可建模整管结构如图5所示;根据冷腔仿真得到的结构参数，用PIC软件在3维直角坐标下建模，对整管进行粒子模拟仿真。选择工作电压12620V，输入波频率222.697GHz，电流密度为65A/cm2，仿真不同电子束半径r下的瞬时功率如表2所示;得出电子束半径r为0.18mm输出几乎为0，0.18mm到0.22mm一直增大，其中从0.195mm到0.2mm急剧增大，0.2mm到0.22mm，增幅平缓，0.22mm 后急剧减小。考虑到电子的流通率，当电子束半径较大时，电子会被通道壁截获，综合实际情况考虑最终选择电子束半径r=0.2mm。
图3 色散曲线
图4 耦合阻抗
图5 EIK结构
表2 仿真不同电子束半径下的瞬时功率
图6是电子注的调制图，图7是电子动量随z轴的变化关系图，可以看出电子注在管内高频场得到了调制，在速调区和第一漂移段，电子注的速度调制较弱，在慢波段和第二段漂移段其调制较强;同时在输出区可以看出电子动量明显减小，说明电子注在输出区把能量交给了高频场。图8是输出波瞬时功率图，约在12ns输出稳定，得到16W 的峰值功率，可以看出输出瞬时功率很平滑，说明没有出现震荡现象。图9是电场的频谱图，中心频率为222.69GHz，图10是输入频率与输入功率输出功率关系图;3dB带宽约230MHz，频带内最大增益为27.2dB，如图11所示。
3、结论
本文设计了一种220GHz耦合腔EIK，并对其进行了冷腔仿真和粒子模拟仿真，在12620V电压和65A/cm2 电流密度下，工作频率222.697GHz下得到输出峰值功率约为16W;3dB带宽为0.23GHz，效率为1.5%，带内最大增益为27.2dB。仿真结果表明各参数尺寸选择恰当，便可实现此结构的耦合腔EIK工作于太赫兹波段，为下一阶段的研究奠定基础。
