W波段平面集成行波管高频系统设计及验证

针对W波段平面一维阵列集成行波管设计,采用非半圆弯曲变形折叠波导慢波结构和聚焦极调制皮尔斯电子枪,基于CST、MTSS和Opera软件优化设计了集成行波管高频系统和电子光学系统,实现了W波段低电压小电流工作的低功率行波管设计,通过周期永磁(PPM)聚焦系统制管验证了高频系统和电子枪设计的合理性。测试结果表明,行波管在工作电压12.62 kV,工作电流31.6 mA条件下,输出功率大于10 W的带宽达到5 GHz,增益优于28 dB,总效率优于10%,测试结果与设计结果具有较好一致性,为W波段行波管实现阵列集成提供技术支撑。     

W波段折叠波导慢波结构设计及三维注波互作用模拟

本文综合分析了折叠波导的几何尺寸和电子束参数，运用电磁场软件MAFIA的粒子模拟程序对三维折叠波导慢波结构进行了模拟．模型中，电磁波通过波导模式导入；为了克服较大空间电荷效应造成的电子注发散，使用了纵向聚焦磁场．基于三维互作用模型得到了W波段折叠波导的模拟结果，该结果可以对折叠波导慢波结构的三维互作用性能进行预测和分析．     

F波段折叠波导行波管研制

毫米波行波管具有效率高、功率大、频带宽的特点,在国防和国民经济领域发挥着越来越重要的作用,因此对新型毫米波行波管的研究具有重要的现实意义。为填补F波段行波管研制空白,本文开展该频段行波管的研制工作,利用CST和MTSS软件完成对F波段折叠波导行波管慢波系统和输能系统的优化设计,并根据设计结果研制样管一支。样管测试结果显示工作电压20.3 kV、电流50 mA,103～110 GHz频带范围内输出功率大于20 W,增益大于25 dB,该测试结果与模拟仿真结果吻合较好。     

W波段脊加载折叠波导连续波行波管制管研究

通过对脊加载折叠波导慢波结构的工艺研究,研制出了W波段连续波行波管,实现了20 W以上的连续波输出功率。     

0.14 THz折叠波导行波管慢波结构设计与加工

使用一种显式方法对0.14 THz折叠波导行波管慢波结构进行了快速设计,并通过解析模型、等效电路模型以及电磁场仿真软件(CST MWS)对结构的色散关系和耦合阻抗进行了计算。计算结果表明,0.14 THz附近的色散较为平坦,耦合阻抗在1Ω左右。为了满足大功率输出需求,对初始结构尺寸进行了部分调整。CST PS互作用模拟结果表明,在0.14 THz附近,输出功率大于1 W。用微电火花(EDM)和微铣削方法分别进行了加工实验,结果表明,两种方法在尺寸精确度上均能满足指标要求,微铣削加工能获得更平整、表面粗糙度更好的槽底。     

D波段7 W连续波折叠波导行波管的研制

介绍了一种D波段连续波行波管放大器。该行波管采用了高压缩比皮尔斯会聚电子枪、折叠波导慢波结构(FWSWS)、蓝宝石输能盒形窗、周期永磁聚焦系统、集中衰减器以及一级降压收集极,经过装配、焊接、排气、磁场调试等过程,得到了D波段连续波放大器样管,并进行了流通率的调试和信号放大的测试。实验测试结果为：电子电压15.4 kV,电子流通率97%时,连续波输出功率7.3 W,中心频率140.2 GHz,增益24.6 dB,3 dB带宽3 GHz。该放大器连续运行稳定,满足工程化要求。     

亚毫米波折叠波导慢波结构的损耗特性研究

损耗是慢波结构的重要参量之一.采用理论与仿真的方法分析了在亚毫米波段(220 GHz)折叠波导慢波结构的导体损耗.在理论模型计算了弯曲波导段的衰减系数,并考虑了波导内表面粗糙度对电导率的影响,从而使模型更接近实际情况.计算结果表明,弯曲波导段的衰减常数大于直渡导段,而且理论模型计算出的每周期折叠波导电路的损耗与高频仿真软件HFSS的结果吻合较好,说明理论模型有较高的精确度.在此基础上,分析了慢渡结构参数变化对损耗的影响.     

345 GHz微折叠波导慢波结构参数分析

借助微机电加工技术(MEMS技术)研制的微折叠波导行波管(FWG-TWT)太赫兹辐射源,具有紧凑、小型、宽带以及高功率的特点。本文对345 GHz微电真空折叠波导慢波结构进行了结构参数的规律分析和初步优化设计。基于小信号理论设计的慢波结构的初步结构参数,采用三维PIC软件仿真并优化,研究了电子参数、几何结构参数、磁场参数与增益之间的关系,对折叠波导慢波结构的设计具有一定的参考意义。     

Q波段通信折叠波导行波管研究

针对通信行波管卫星上行链路高频率、宽频带、大功率和高线性度的应用特点,开展了Q波段折叠波导通信行波管电子光学和慢波线互作用设计研究。在设计基础上,通过加工零部件进行制管验证,攻克了慢波线加工、装配、焊接工艺和副特性补偿等关键技术,研制出饱和输出功率大于200 W、效率优于38%、线性指标优异的Q波段折叠波导行波管,为类似Q波段通信折叠波导行波管研发提供重要设计参考。     

E波段折叠矩形槽波导行波管的研究

分析了一种适用于E波段81~86 GHz空间行波管的新型慢波结构——折叠矩形槽波导.折叠矩形槽波导来源于传统的矩形槽波导,将E面沿其纵向来回弯曲而形成.利用电磁场仿真软件Ansoft HFSS设计优化并最终确定了E波段折叠矩形槽波导的关键几何尺寸.同时,模拟仿真出了折叠矩形槽波导在中心频率f=83.5 GHz处的耦合阻抗沿x和y方向上的变化趋势,得出其可通过加载带状电子注获得更高的平均耦合阻抗.利用CST粒子工作室模拟得出:折叠矩形槽波导行波管在中心频点83.5 GHz处输出功率为210 W,电子效率达到8.05%.     

0.14 THz折叠波导行波管的设计与实验

对折叠波导慢波结构进行了研究,对其色散特性和耦合阻抗进行分析,并设计了输能窗和电子光学系统,在此基础上进行了粒子模拟的束波互作用计算。通过设计,对0.14 THz 行波管进行了制管工艺的研究,包括慢波结构的加工和焊接等,完成了热测实验。在电压为16.3 kV,电子流通率为74%条件下,测试得到最大饱和输出功率3.1 W,输出频率140.08 GHz,增益27 dB,最大功率半带宽2.82 GHz。     

W波段行波管切断位置性能分析与实验

为分析折叠波导行波管互作用电路切断位置的功率和频谱特性,提出并研制出一只四端口W波段脉冲行波管。对该行波管频带内互作用电路的S参数、切断处功率和对应频谱特性进行测试,分析表明：端口2(输入段的切断)的功率幅值主要取决于饱和状态下行波管的输入功率,与输入段增益不成正比关系分布;端口3(输出段切断)功率主要取决于端口匹配性能,其数值计算功率和测试数据吻合良好。本文研究为毫米波及太赫兹行波管切断设计提供了一种有效方法。     

0.22 THz折叠波导返波管设计

作为折叠波导家族的重要成员之一,折叠波导返波管无需种子微波源,具有可观的振荡功率输出,可在较宽频带内方便地进行电压调谐,在THz波段的紧凑型电真空器件中占有重要地位。介绍了中物院应用电子学研究所0.22 THz折叠波导的研究情况,并阐述整管设计的原理和理念。通过一维模型分析和三维宏粒子模拟校验,完成了调谐频宽10 GHz,带宽内输出功率为瓦级的折叠波导返波管的理论设计。     

能散度与发射度模块在太赫兹FWTWT模拟中的应用

研制了三维全电磁粒子模拟大规模并行程序 NEPTUNE3D 的能散度和发射度模块,主要用于评估电子出射速度和方向分布对太赫兹折叠波导行波管(FWTWT)性能的影响。将能散度和发射度模块应用到0.22 THz 的 FWTWT 器件粒子模拟中,结果表明：能散度主要通过改变器件束压范围,使其偏离束波互作用共振电压范围,导致器件性能下降;发射度反映电子发射角的发散,同时影响纵向与横向电子速度,电子横向速度的增加导致其更易碰撞通道内壁,使电子总数下降,导致器件性能下降;若束压保持不变,电子横向速度的增加势必导致轴向速度的减小,破坏束波同步条件,导致器件性能进一步下降。     

太赫兹行波管级联倍频器

太赫兹行波管(TWT)级联倍频器基于行波管非线性互作用后电子注中的谐波电流,利用行波管和级联谐波系统组成的倍频器获得电磁波倍频放大。以 W 波段行波管二倍频器为例,对器件的正确性和可行性进行验证。利用微波管模拟器套装(MTSS)软件对设计的倍频器进行三维非线性互作用模拟,结果显示,级联了二次谐波系统的 W 波段行波管倍频器与其他工作在140 GHz~220 GHz 波段的小型太赫兹辐射源相比较,具有优越的性能：谐波输出功率在8 GHz 范围内大于2 W,转换增益大于37 dB。利用 CST公司的粒子工作室软件进行三维粒子注波互作用模拟,结果显示,太赫兹行波管级联倍频器作为潜在的太赫兹源具有高功率、宽频带和高实用化的特点。     

Ka波段宽频带高线性空间行波管研制

该文对Ka波段空间行波管宽频带、高线性、高效率的慢波系统进行设计,通过动态渐变技术实现了低相位失真、高效率的指标要求。在此设计基础上研制的Ka波段空间行波管实现了宽频带(25~27 GHz)、低非线性失真(非线性相移40 , AM/PM2.86/dB ,三阶交调10.39 dBc)、高效率(总效率51.7%)。经数传系统测试,误码pe优于10-6 的情况下C/N0有2.4 dB裕度,满足了卫星数传系统对多通道并行传输方案的工作需求。     

一种适用于Ku波段行波管放大器的预失真线性化器

随着通信技术的发展,功率放大器线性度要求日益提高。该文提出一种两支路预失真电路,在单支路预失真电路基础上加入可调衰减器和非线性发生器级联成的辅助支路,改善了单个非线性发生器增益曲线斜率不足的问题,并在ADS中代入行波管模型仿真分析。在此基础上,加工Ku波段实际预失真电路并与行波管联合实验,线性化后的行波管放大器三阶载波交调比在输入功率回退3 dB时达到12.92 dB,回退6 dB时达到22.8 dB,线性度有了明显的改善。     

E波段81~86 GHz行波管放大器研制

介绍了一种面向高速无线通信应用的E波段连续波行波管放大器(TWTA)。该放大器将E波段折叠波导行波管和小型化高压电源集成为一体,外部仅需低压供电,使用便捷。放大器主要性能指标包括：工作频率81~86 GHz,饱和输出功率>80 W,小信号增益>38 dB,总效率>22%,外形尺寸为38 cm×20 cm×6.3 cm,可满足机载使用环境,具有大功率、宽带、高效率、小型化及高可靠的优点。     

X波段脉冲空间行波管输出结构可靠性研究

X波段脉冲空间行波管主要用于轻型SAR等雷达系统,要求行波管具有高功率、高效率、高可靠的性能。输出结构是行波管的重要部件,其可靠性不仅影响行波管的输出功率等性能,还影响行波管的稳定性与可靠性。该文针对X脉冲空间行波管输出结构进行可靠性研究,通过电、磁、热多物理场耦合的方式对它进行热、力结构可靠性分析,按分析结果对输出结构薄弱环节进行改进,耐冲击能力增强,并经过1000 h以上的整管老练及空间环境试验验证,输出结构具有较高的可靠性,满足空间环境试验及使用要求。     

行波管慢波结构抗振可靠性研究

慢波结构为行波管的核心部件之一。为了评价行波管的慢波结构振动可靠性,整合了慢波结构有限元分析和简化模型的数学推导,得到了慢波结构的固有频率和振型,再研究慢波结构电性能与结构尺寸的关系,以及自然振动频率公式的内在联系。最后,比较分析西者的关系,从主动避振的角度,提出了优化慢波结构的设计方法。以提高产品的抗振性能。