W波段回旋行波管放大器的模拟与设计

回旋行波管放大器是高功率毫米波雷达发射系统最重要的候选者.通过对回旋行波管放大器中的绝对不稳定性、回旋返波振荡以及电子注-波互作用的研究，讨论了回旋行波管的稳定性、寄生模式的抑制和工作参数的优化等问题，给出了W波段TE₀₁模回旋行波管放大器的模拟设计结果.PIC粒子模拟结果表明，在电子注电压100kV、电流10A、工作磁场3.52T时，94GHz的基波回旋行波管放大器可获得大于250kW的输出功率、40dB的增益、大于25％的效率和约5％的带宽. 关键词： W波段 回旋行波管放大器 模拟 设计     

V波段大功率带状注曲折波导行波管

利用曲折波导慢波结构和一个长宽比为3∶1的带状电子注作为注-波互作用电路,完成了对V波段大功率行波管互作用电路的设计。分析了带状电子注通道对高频特性的影响,并在综合考虑色散和耦合阻抗的情况下得到了优化的结构参数。建立了3维的V波段带状注曲折波导行波管的电路模型,并利用CST粒子工作室完成了注-波互作用的仿真研究。研究结果表明,当工作电压和电流分别为17 kV和150 mA时,带状注曲折波导行波管在58~62 GHz时的饱和平均输出功率大于160 W,增益大于34.7 dB。     

0.14 THz瓦量级折叠波导行波管设计

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上,设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数,然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计,最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代,最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时,折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性,加工装配了一根流通管,并进行了流通率测试,测得流通率大于80%。     

140 GHz多束折叠波导行波管仿真分析

借鉴Khanh Nguyen提出的多束折叠波导行波管结构,设计出了可以有效抑制自激振荡的140GHz多束折叠波导行波管。利用PIC软件对双束微折叠波导行波管进行了仿真计算,并与单束模型进行了对比研究,结果表明行波管采用多束机制可以有效提高器件的增益,克服管子加工长度的困难,且有效抑制了管子的自激振荡。     

0.22THz宽带折叠波导行波管设计与实验

为了获得0.22THz宽带折叠波导行波管,对行波管的慢波结构和输入输出窗结构进行了宽带设计。通过理论分析和电磁仿真计算出合适的参数,使慢波结构在0.22THz工作点附近的色散曲线平坦,耦合阻抗变化小,模拟计算得到的慢波结构3dB带宽大于16GHz;通过对盒型窗结构及匹配段的优化计算,得到的输入输出结构在大于30GHz范围内S11参数小于-25dB。根据该设计进行了两轮制管和实验研究,得到了一支3dB瞬时带宽约8.8GHz,另一支3dB瞬时带宽大于12GHz的0.22THz折叠波导行波管,中心频率的峰值功率大于400mW。     

0.34 THz双注高次模折叠波导行波管高频系统设计

高频系统是行波管的核心部件,它会直接影响行波管的工作频率、带宽、增益等性能指标。为了获得更大的输出功率和更高的增益,对0.34 THz双注高次模折叠波导行波管的基本特性进行了研究,计算了双注折叠波导的色散特性和耦合阻抗,并与仿真结果进行对比,结果显示色散特性随频率升高差距增大,耦合阻抗在高频段匹配较好,并研究了损耗特性。利用CST仿真工作室对双注折叠波导的注波互作用特性进行了仿真,实现41.68 W输出。为了获得更高的输出,通过增大直波导高度,最终使输出功率提高了52.7%,达到63.12 W。最后设计了符合要求的盒型输出窗和模式转换器,验证了高频系统的传输特性。     

毫米波折叠波导行波管输入输出过渡波导设计

折叠波导以其宽频带、加工方便而成为一类重要的毫米波与太赫兹波段行波管慢波线。针对折叠波导慢波系统与标准波导的匹配过渡连接,通过等效电路分析与电磁计算软件模拟,设计出了直渐变波导、双曲圆弧渐变波导、切比雪夫阶梯渐变波导3种输入输出过渡波导结构,分析了各种过渡波导的优缺点及结构尺寸对性能的影响。计算表明,经过合理优化的设计,3种过渡结构均可以使反射系数在28~40 GHz波段小于0.05。     

0.14THz行波管的设计与实验研究

以折叠波导作为为慢波结构进行研究分析,利用三维电磁仿真软件HFSS和CST,对0.14THz行波管模型进行了折叠波导慢波结构、电子光学系统和输入输出窗等的模拟设计,并完成了整管的PIC注波互作用的仿真计算与优化。进行了整管的焊接工艺设计和热测实验,研制出的样管在电压15.4kV、电流17.4mA下,脉冲工作输出最大功率为8.3 W,输出中心频率为140.8GHz,最大增益为28dB,-3dB带宽为2.9GHz。     

0.14THz基模多注折叠波导行波管的理论与模拟研究

为解决THz行波管工作电流过小、输出功率低等问题,提出了基模多注工作模式的折叠波导行波管.首先,获得了基模多注折叠波导色散特性的等效传输线计算模型,并与数值模拟结果进行了比较;然后,对基模多注折叠波导的传输特性进行了模拟计算;最后,通过模拟和理论计算完成了0.14 THz基模多注折叠波导行波管的注波互作用特性分析.电子注参数为12 m A,15.75 k V时,获得的3 d B带宽为25 GHz(128—153 GHz),最大增益为33.61 d B,最大峰值功率为23 W;电子注参数为30 m A,15.75 k V时,在0.14 THz处获得了38 d B增益,最大脉冲输出功率为63.1 W.对比同条件下基模单注折叠波导行波管,3 d B带宽提升了1倍,0.14 THz处输出功率增大了9.66倍,互作用效率增大了3.22倍;当增益相同时,多注方式的互作用长度较单注缩短了33%.该方法能够有效增大THz行波管的工作电流,提高互作用增益及效率、3 d B带宽、输出功率;在增益相同时,基模多注行波管可以做得更短更紧凑.     

低增益kW级mm波螺旋线行波管高频结构设计

根据固态器件的发展和返波振荡抑制的特点,针对kW级mm波螺旋线行波管设计了低增益高频结构,通过切断、螺距渐变和添加衰减器的方式对返波振荡进行了抑制。通过微波仿真软件对其色散特性、耦合阻抗特性进行了模拟计算;通过三维大信号注波互作用计算软件进行了注波互作用计算与优化,并使用粒子模拟(PIC)软件进行了计算。结果显示,在频带29~31GHz范围内,输出功率达到1002 W,增益大于21dB,电子效率大于16.8%,返波振荡得到抑制。     

W波段二次谐波回旋行波管放大器的模拟与设计

回旋行波管放大器是一种具有高功率、高频率、宽带宽的毫米波放大器，TE₀₂模二次谐波回旋行波管放大器在保持基波回旋行波管放大器的基础上极大地减小了工作磁场,从而具有广阔的应用前景. 利用两段分布式损耗的互作用结构，有效抑制了绝对不稳定性和回旋返波振荡,避免了模式互作用电路引起的模式畸变，提高了输出功率，在一定程度上克服了谐波互作用较弱的缺点，满足了扩展功率容量和放大器长时间稳定工作的要求. 非线性模拟结果和粒子模型(particle in cell)模拟结果均表明，在工作电压为100k 关键词： W波段 二次谐波 回旋行波管放大器     

脊加载曲折波导行波管注波互作用的线性理论研究

提出了一类新型毫米波大功率微波器件——脊加载曲折波导行波管,推导出了引入电子注后的"热"色散方程.通过数值求解此方程,研究了加脊尺寸和电子注参数对小信号增益影响.计算结果表明:通过适当的尺寸设计和工作参数的选择,此结构在Kα波段具有18.51%的3 dB增益带宽和1.15 dB/周期的增益;相比于常规曲折波导结构,脊加载结构在保证一定带宽的情况下,具有更高的增益和电子效率;为了进一步提高增益,可以适当增加脊宽度和高度,也可在一定范围内增加电子注电流. 关键词： 毫米波 曲折波导 脊加载 小信号增益     

Linear Analysis of Folded Double-Ridged Waveguide

A novel slow-wave structure (SWS), the folded double-ridged waveguide structure, is presented and its linear gain properties are investigated. The perturbed dispersion equation is derived and the small signal growth rate is calculated for dimensions of the ridge-loaded region and the parameters of the electron beam. The novel structure has potential applications in the production of high power and broad band radiation. For a cold beam, the linear theory predicts a gain of 1.1-1.27dB/period and a 3-dB small-signal gain bandwidth of 30% in W-band. A comparison between the folded double-ridged waveguide SWS and folded waveguide SWS (FWSWS) shows that with the same physical parameters, the novel SWS has an advantage over the FWSWS on the bandwidth and electron efficiency.     

变周期慢波系统内同步问题的研究

由于行波管的工作依赖于其慢波系统中的电子注与沿轴传输交变电磁场之间的相互作用而完成,而这样的相互作用要求沿轴传输的交变电磁场必须与电子注有着近乎同步的速度,所以慢波系统内的同步问题就成了研究行波管的一个很重要的问题.而变周期慢波系统是将一般慢波系统的周期进行变化而形成的,它可以比原周期慢波系统有着更宽的带宽,更高的互作用效率,还可以选择空间谐波.本文分析了变周期慢波系统内的空间谐波,提出了使慢波系统内的一次空间谐波一直与电子注同步所需要满足的原则,最后以变周期折叠波导为例,证明了这个原则. 关键词： 变周期 慢波系统 空间谐波 同步     

345 GHz微折叠波导慢波结构的粗糙度和加工垂直度

通过理论和数值模拟方法,考虑金属粗糙度的情况下,研究了加工垂直度公差角在0~6°范围内变化时折叠波导慢波结构的工作性能,结果表明:金属波导表面的粗糙度增大时,慢波结构中电磁信号的传输损耗增大;垂直度公差角的增大也使得电磁信号的传输损耗增加,而且垂直度公差角所引起的结构变化会引起器件的电压工作点漂移、带宽降低等。     

0.22 THz折叠波导行波管初步实验研究

探索性试验了多种微加工技术加工设计频率0.22 THz的折叠波导慢波结构,最终选择了微铣削工艺进行加工,并测试了微铣削工艺加工的WR4标准直波导的损耗特性,得到了0.22 THz电磁波在无氧铜中传播时材料的相对电导率约为3.2107 S/m。以此为基础设计和制得了国内第一支0.22 THz折叠波导行波管,经过测试和标定得到输出功率大于100 mW,带宽3.5 GHz的初步实验结果。