0.3T Ku波段返波管的低磁场特性研究

为了实现相对论返波管振荡器（RBWO）永磁包装,本文采用Magic模拟软件在0.5T低磁场相对论返波管（RBWO）器件结构基础上,通过在器件慢波结构末端添加一个部分反射腔,减小电子束质量对束波转换影响,即减小引导磁场的影响,实现了Ku波段相对论返波管振荡器0.3T磁场下运行.当电子束束压600kV、电子束束流7kA时,模拟得到器件输出微波功率740MW,效率18%.尽管该器件的效率低于0.5T磁场下的效率（25%）,然而0.3T引导磁场在工程上更容易实现.结合小型化的脉冲功率源进行实验研究,当二极管束压580kV、束流6.5kA,实验获得功率600MW,频率13.10GHz,脉宽25ns的微波输出,该器件的研制可以促进高功率微波（HPM）系统小型化的发展.     

四腔阶梯阴极L波段MILO数值模拟

为了提高器件微波输出功率和功率转换效率,设计了一种四腔结构L波段阶梯阴极磁绝缘线振荡器,运用开放腔高频分析方法得到了谐振频率和高频电场分布,并计算得到了器件的有载品质因数。运用粒子模拟方法对器件进行研究,典型的粒子模拟结果为：在束压为578kV和束流为46．5kA条件下,得到功率为5．1GW的微波输出,工作频率为1．21GHz,功率转换效率为18．9％。最后讨论了电压变化对器件的功率转换效率和频率的影响：器件工作频率受电压变化影响较小;功率转换效率受电压影响较大,在电压为667kV时效率达到最大值20．45％。     

两腔微波振荡器的束流动力学与束-波转换效率

在微波技术向太赫兹波段推进过程中, 人们关注的核心问题是器件的频率、效率或功率问题。文章从Maxwell方程出发, 对两腔微波振荡器的束流动力学与束-波转换效率进行了讨论。在经典力学框架内, 把电子相位运动方程化为摆方程; 从系统的相平面特征出发, 讨论了器件的接受度和束-波转换效率。结果表明, 当相空间密度均匀分布时, 相面积越大束流越强, 功率越高; 而能散越大束-波作用越强, 转换效率越高。     

两腔微波振荡器的束流动力学与束-波转换效率

在微波技术向太赫兹波段推进过程中,人们关注的核心问题是器件的频率、效率或功率问题。文章从Maxwell方程出发,对两腔微波振荡器的束流动力学与束-波转换效率进行了讨论。在经典力学框架内,把电子相位运动方程化为摆方程;从系统的相平面特征出发,讨论了器件的接受度和束-波转换效率。结果表明,当相空间密度均匀分布时,相面积越大束流越强,功率越高;而能散越大束-波作用越强,转换效率越高。     

X 波段无导引磁场Cerenkov 型振荡器的仿真研究

利用2.5 维粒子模拟软件Karat 对一种无导引磁场X 波段Cerenkov 型高功率微波振荡器开展了仿真研究,利用 冷腔色散曲线模型与Superfish 电磁场分布模拟软件选择了工作点,设计了基本模型。在基本模型的基础上进行仿真优化, 通过采用内外约束阴极环提高电子束质量,采用锥变型收集极优化器件Q 值、增加模转效率、纯化输出微波模式,优化 非均匀锥形慢波结构增强束波作用,最终使器件效率从17%优化到30%,输出功率达到1.8GW,输出微波模式为TEM 模,频率9.1GHz,对应二极管工作电压620kV、电流9.4kA.     

低引导磁场相对论返波管振荡器设计

从线性化的Vlasov方程出发,研究了相对论返波管中产生的微波功率与磁场的关系,给出了低引导磁场相对论返波管振荡器的设计准则;设计了一个高效率的高功率返波管振荡器,通过采用过模的分段、非均匀慢波结构,实现器件的高效率、高功率运行,同时通过在慢波结构末端添加部分反射腔来降低引导磁场强度.当引导磁场强度为0.6T、电子能量和束流分别为800 keV和7.6kA时,采用2.5维Particle in Cell(PIC)程序模拟得到频率为9.6 GHz、功率为1.85 GW的微波输出.     

低磁场S波段相对论返波振荡器模拟与实验

为实现高功率微波(HPM)系统的小型化,设计一个S波段较低磁场相对论返波管(RBWO)振荡器。针对低磁场特点,分析慢波结构、引导磁场、束压、束流等对输出微波的影响,通过模拟软件(PIC)优化结构。以此设计引导磁场为0.24 T,电子束束压为725 kV,束流为6 kA,频率为3.53 GHz,输出微波功率为1.22 GW,束波转换效率为27%的低磁场S波段相对论返波管。仿真实验结果表明：在强流电子束加速器平台上外加磁场为0.24 T时,得到平均功率1 GW、频率3.58 GHz、脉宽90 ns的微波输出,与理论值一致。进行了重频为1 Hz,20 s的稳定性实验,该实验结果为实现相对论返波管的永磁包装奠定了良好的基础。     

虚阴极振荡器的谐振频率机理分析

利用三维MAGIC数值模拟软件对虚阴极振荡器进行研究,在二极管电压450 kv、束流31 kA条件下,得到4.8和7.3 GHz两种频率成分的微波,平均功率达1.22 GW,转化效率为8.7%.     

X波段低磁场相对论返波管振荡器实验研究

基于现有永磁磁体的参数,并结合高功率微波器件的优点,设计了一个X 波段低磁场相对论返波管振荡器,当引导磁场强度为0. 48T、二极管束压和束流分别为530 kV 和7. 0 kA 时,通过粒子模拟软件得到频率9. 42 GHz、功率1. 11GW 的模拟微波输出,器件束波转换效率30%。在强流电子束加速器平台上进行实验研究,当二极管电压500kV、电流6. 2kA、引导磁场强度0. 46T 时,得到频率为9. 40GHz、功率为900MW、脉宽为32ns 的微波输出。该实验结果为低磁场器件实现高功率、高效率微波输出及永磁包装打下了良好的基础。     

真空电子技术

O462 02040104向外发射同轴型虚阴极振荡器研究/邵浩,刘国治(西北核技术研究所) 物理学报。-2001,50(12)。-2387-2392在高功率微波源研究领域提出了一种新型虚阴极器件——向外发射同轴型虚阴极振荡器。对其相关束流特性进行了理论分析,得到了同轴空间径向传输空间电荷限制电流,以及虚阴极产生的条件和电子束运动的基     

S波段GaN微波功率器件的研制

简要介绍了第三代新型半导体材料GaN的特点和优势,基于Agilent ADS微波仿真软件设计并实现了一款工作于S波段基于GaN的高效超宽带微波功率器件。测试结果表明,该器件适用于2.7～3.5GHz的超宽带,连续波和脉冲制式均可工作,在饱和状态下,输出功率大于15W,增益达到13dB,漏极效率超过45%,并在管壳内部实现了匹配和偏置电路,对GaN MOSFET微波功率器件小型化、超宽带、高增益和高效率的优异性能得以验证和实现。     

1WKu波段GaAs MESFET

采用新型通孔结构制作的微波功率GaAs FET,在12GHz,输出功率达1.2W,相应功率增益为6.6dB。在15GHz输出功率为1.1W,相应增益为5.5dB,漏极效率大于30％。     

TaN微波功率薄膜匹配负载的设计及制备

基于有耗传输线理论设计了频率为DC-3GHz的TaN微波功率薄膜匹配负载,采用HFSS软件仿真了匹配负载的频率特性。根据设计仿真结果,采用反应磁控溅射和掩模图形化方法制备了TaN微波功率薄膜匹配负载样品,基片为6 mm×9 mm×1 mm的BeO陶瓷基片,TaN薄膜的直流电阻为50。结果表明,实验结果与仿真结果基本一致,在DC-3 GHz频率范围内,样品的电压驻波比(VSWR)都小于1.2。     

2W6～18GHz宽带MMIC功率放大器

运用微波在片测试技术和IC-CAP模型提取软件对总栅宽为850μm PHEMT器件进行了大信号建模,并利用此模型,采用分布式放大器与电抗匹配相结合的方法,制备了一款三级宽带功率放大器。实验测试结果和ADS仿真结果相吻合。其测试结果为:在6～18GHz频段内,平均输出功率Po为33dBm,功率增益Gp在22～24dB之间,功率附加效率PAE在23%～28%之间,输入输出端口电压驻波比VSWR<1.8,稳定性判断因子K>1(在5～19GHz内)。     

Indium gallium arsenide microwave power transistors

Depletion-mode InGaAs microwave power MISFETs with 1-μm gate lengths and up to 1-mm gate widths have been fabricated using an ion-implanted process. The devices employed a plasma-deposited silicon/silicon dioxide gate insulator. The DC current-voltage (I -V) characteristics and RF power performance at 9.7 GHz are presented. The output power, power-added efficiency, and power gain as a function of input power are reported. An output power of 1.07 W at 9.7 GHz with a corresponding power gain and power-added efficiency of 4.3 dB and 38%, respectively, was obtained. The large-gate-width devices provided over twice the previously reported output power for InGaAs MISFETs at X-band. In addition, the first report of RF output stability of InGaAs MISFETs over 24 h period is also presented. An output power stability within 1.2% over 24 h of continuous operation was achieved. In addition, a drain current drift of 4% over 10⁴ s was obtained     

Narrowband amplifier with excellent power combining efficiency

Based on a coaxial waveguide power-dividing/combining circuit, a four-device solid-state power amplifier with excellent power combining efficiency is presented. The fabricated power amplifier combining four monolithic microwave integrated circuit power amplifiers shows a 13-16.65 dB small-signal gain over a wide bandwidth of 7-13.5 GHz. The measured maximum output power at 1 dB compression is 25.4 dBm at 11 GHz, with a power-combining efficiency of 91%.     

Study of a X-Bank Relativistic Backward Wave Oscillator with Variable Couple Impedance

An electromagnetic particle-in-cell code has been used to simulate the nonlinear beam wave interaction and other optimization issues of a X-band RBWO with variable couple impedance, the simulation results show: the device can high-efficiently generate microwave radiation of 950MW peak power at (9.06±O.03) GHz when it is driven by a 5KA-500KV annular electron beam, peak power efficiency is 38%. The preliminary experiment results show that the microwave-generating efficiency of the non-uniform impedance RBWO is about twice of the uniform case in the same operating conditions.     

InGaAs field-effect transistors with submicron gates forK-band applications

Depletion mode InGaAs microwave power MISFETs with 0.7 μm gate lengths and 0.2 mm gate widths have been fabricated using an epitaxial process. The devices employed a plasma deposited silicon dioxide gate insulator. The RF power performance at 18 GHz, 20 GHz, and 23 GHz is presented. An output power density of 1.04 W/mm with a corresponding power gain and power-added efficiency of 3.7 dB and 40%, respectively, was obtained at 18 GHz. This is the highest output power density obtained for an InGaAs based transistor on InP at K-band. Record output power densities for an InGaAs MISFET were also demonstrated to the stable within 3% over 17 hours of continuous operation at 18 GHz     

Q波段圆波导轴线弯曲TE01-TE11模式变换器设计

在模式耦合理论的基础上, 采用相位重匹配技术对圆波导轴线弯曲TE01-TE11模式变换器进行了数值优化计算和分析.在Q波段给出了两种不同周期数TE01-TE11模式变换器的优化设计参数.数值计算表明: 四周期模式变换器的最高转换效率为98.82%, 带宽为2.2 GHz, 六周期最高转换效率为99.89%, 带宽为1.7 GHz.研究了模式变换器关键几何尺寸在小范围内变化对转换效率的影响.并利用HFSS对给出的模式变换器进行了仿真, 仿真结果与数值模拟一致性较好.同时加工了六周期结构模式变换器并进行了小功率热测实验, 测试结果表明输出了模式纯度较高的TE11模式.