毫米波扩展互作用器件

扩展互作用器件是一种采用慢波谐振系统作为高频互作用电路的真空电子器件,是目前能够在毫米波亚毫米波段提供大功率输出的重要器件之一。本文给出了目前国内外毫米波亚毫米波段扩展互作用器件（EIK和EIO）技术的发展情况,并介绍了扩展互作用器件在毫米波亚毫米波段的技术特点和最新研究趋势。     

8 mm径向扩展互作用振荡器

提出并研究了一种具有结构紧凑、散热性好、输出功率大等特点的新型扩展互作用结构——径向扩展互作用振荡器(EIO),并推导了小信号理论.利用电磁仿真软件分析了径向EIO高频结构中的谐振特性与场分布,并采用三维粒子模拟软件开展了注波互作用研究.研究结果表明在工作电压为5 k V,电流为8.48 A时,所设计的径向EIO输出功率达到2.6 k W,热腔工作频率为30.011 GHz,效率为6.1%.     

等离子填充扩展互作用振荡器研究

对等离子体填充扩展互作用振荡器进行了研究,通过CST软件研究了填充不同密度等离子体对Ka波段矩形耦合腔扩展互作用振荡器高频特性的影响,得到了通过改变等离子体密度与工作电压实现调节扩展互作用振荡器工作频率的方案.利用CST粒子工作室对其进行了粒子模拟分析,结果表明通过电子束电压和等离子体密度的共同调节,可使Ka波段扩展互作用振荡器实现34.14～37.99 GHz的调谐.     

三点式LC振荡器振幅起振条件的简单推导方法

介绍一种物理概念明确，易于学生掌握的三点式振荡器振幅起振条件的简单推导方法。     

太赫兹扩展互作用振荡器输出结构的设计与分析

扩展互作用振荡器由于具有结构紧凑、工作电压低、效率高等特点成为真空电子学太赫兹辐射源的重要研究 方向,在高分辨成像雷达、保密通信等方面具有广泛的应用前景。扩展互作用振荡器输出段是该器件输出THz 的关 键部分,其输出特性对扩展互作用振荡器的整体性能有着至关重要的作用。本文采用仿真软件模拟计算的方法,对扩 展互作用振荡器输出段的S 参数进行了较为详细的研究,并且对中心轴对称直渐变过渡波导、平面对称直渐变过渡波 导和阶梯过渡波导式结构的输出结构进行了比较研究,本文的结果对后续EIO 的设计与研究具有一定的参考意义和指 导价值。     

相对论扩展互作用腔振荡器重复 频率稳定运行研究

 分析了相对论扩展互作用腔振荡器(Relativistic Extended Interaction Cavity Oscillator)初次实验中存在的模式竞争和重复频率运行不稳定等问题.通过改进扩展互作用腔振荡器的长度,抑制了模式竞争问题;优化设计和选择了三轴提取腔和收集极结构与材料,解决了重复脉冲REICO的高功率稳定运行问题,减轻了脉冲缩短问题,稳定运行重频从15Hz提高到100Hz,辐射微波脉宽由20ns增加到38ns.采用900kV/16kA/45ns的电子束驱动REICO,实现了峰值功率4.1GW、频率2.85GHz、脉宽38ns、重频100Hz的辐射微波稳定输出,功率效率26％,能量效率22％,辐射微波平均功率16kW.     

毫米波扩展互作用振荡器的起振特性研究（英文）

为克服高欧姆损耗对发展毫米波频率的扩展互作用振荡器(EIO)的限制,本文开展了对于阶梯型射频电路的振荡起始特性研究。通过PIC仿真模拟、定量计算和理论分析,本文证明了一个被设计和制作的W波段EIO具有大幅度降低振荡启动电流的可能性。通过对间隙数、腔体尺寸、场分布、工作电压和表面损耗五个方面的优化,在电子注电压为17.5k V时,该EIO的振荡起始电流可降至0.43A。根据冷测实验结果,本文还对输出功率衰减进行了分析和预测。     

开关电容振荡器的起振和幅值稳定的研究

本文讨论了开关电容振荡器(SCO)的起振和幅值稳定问题。提出了SCO的起振和幅值稳定的新方法。给出了稳定性好的幅值控制电路。在多相SCO的设计中,幅值控制电路的复杂程度不随振荡器的相数增加而增加。实验结果与理论相符。     

带状注扩展互作用振荡器的研究

设计了一种带状线性电子注与电磁波进行互作用的低电压高效率的扩展互作用结构.这一结构主要由9个耦合间隙,2个耦合谐振腔组成,具有高的特性阻抗R/Q.整个谐振腔如一个矩形波导两端封闭实现电磁场谐振.为了最后的成品器件能和其他的设备连接测量需要将输出窗变换到标准波导.利用3D-PIC粒子模拟程序进行数值模拟,得到一种工作在86.1 GHz,输出峰值功率为0.46 kW,效率为8％的扩展互作用振荡器,电子注电流的发射密度为125 A/cm2.     

基于相位再同步技术的W波段高效率分布作用振荡器的研究

对基于12个周期的交错双排矩形波导慢波结构(staggered double rectangular waveguide slow wave structure,简记为SDRWSWS)的单谐振腔94.5GHz分布作用振荡器(extended interaction oscillator,EIO)进行了计算机模拟,给出了通过计算机模拟确定谐振腔结构参数及电子注参数的方法和步骤。提出了"相位再同步"的高效率方法,将谐振腔中从电子注输入端数起的第5~6个周期的慢波结构的周期降低到原来的90%左右,改变了谐振腔中轴向电场强度的分布,使轴向电场强度在远离输出口一端相对降低,而在靠近输出口一端相对升高,有助于电子注的调制随着电子注的行进而加强;同时,使在靠近输出口一端的轴向电场强度的相位增大了51.6°,从而与电子注的空间电荷波的相位保持同步并从电子注提取更多能量。计算机模拟结果证实,采用该技术的分布作用振荡器的功率和电子效率都得到显著提高,改善最大的数值是原来的2倍以上。     

同轴内导体盘荷慢波结构注波互作用机理研究

采用理论分析和粒子模拟方法研究同轴内盘荷慢波结构注波互作用的物理机理。采用场匹配理论得到色散方程,通过数值计算得到了准TEM模的色散曲线及不同电子注电压下注波互作用的增长率;采用粒子模拟技术研究了注波互作用的物理过程。结果表明,随着电子注电压的不断增加,器件的工作状态由返波振荡转换到行波振荡;通过对辐射谱特性进行分析表明粒子模拟结果与理论计算结果基本一致。     

CAD OF MILLIMETER WAVE OSCILLATORS WITH THE FDHB TECHNIQUE

In this paper the modelling, analysis and optimization of millimeter wave oscillatorsare investigated by using the a frequency-domain harmonic balance technique (FDHB), where theexternal-circuit impedances looking outside from the active device are calculated with a combinedtechnique of modes expansion, Galerkin, and collocation methods. The optimization results arein agreement with the experimental ones, which show the reliability of the presented model andoptimization.     

0.5 THz双电子注返波管注波互作用的高频结构优化

返波振荡器是一种重要的真空电子学太赫兹源,具有高功率、高工作频率和宽带调谐等特点。为提高圆形电子注与光栅慢波结构的互作用,提出一种双电子注嵌入矩形光栅的慢波结构,使电子注与光栅表面电场更好地充分相互作用,从而提高互作用效率和输出功率。通过数值求解和仿真计算其色散特性,结果表明,相比于相同结构参数的普通矩形单栅,该结构可以实现更高的工作频率和耦合阻抗。利用CST进行PIC仿真,优化结构和电子注参数,最终得到工作频率501 GHz,10.6 W的稳定输出。研究成果为设计0.5 THz的返波管提供了理论指导。     

不同类型降水对毫米波传播特性的影响研究

为了提高复杂降水条件下毫米波传播衰减的评估精度,通过分析多个地区的降水谱特征,得出具有代表性的层状云降雨、积层混合云降雨、积雨云降雨以及干雪、湿雪的谱分布参数,然后结合降水粒子的形状、相态、介电模型,计算降水体目标在毫米波波段的散射特性.结果表明,降水强度不是唯一影响毫米波传播衰减的因素; 降水粒子相态、谱分布、入射波频率和温度等对毫米波传播特性均有不同程度的影响,其中谱分布和数密度是影响降雨对毫米波衰减的主要因素; 冰水构成比例是影响降雪对毫米波衰减的主要因素; 不同相态的降水,尤其是干雪、湿雪和雨对毫米波传播影响的差异较大; 而温度的影响较小.并建立了考虑谱分布和温度的降水衰减模型.     

平面超材料对曲折线慢波结构行波管效率改善和杂模抑制的影响

针对U型曲折线慢波结构带状注行波管杂模抑制和互作用效率提高等面临的挑战,提出了一种开口菱形超材料结构。在综合考虑电路单元谐振性能、与U型曲折线慢波结构之间的协调配合以及电路实现可行性和结构简单等因素,通过电路设计和数值模拟优化等具体措施相结合,探讨这种超材料对增强注波互作用表面电场和抑制电路振荡的效果。在Ka波段优化的结果表明,这种超材料在抑制杂波和改善注波互作用效率方面效果明显,对此类行波管稳定性提高具有重要意义。     

毫米波及太赫兹行波管的功率提高方法评述

短毫米波及太赫兹行波管具有宽频宽、大功率、高效率等优点,在高分辨成像、高速通信、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。分析和评述了国内外研究单位的研制水平,以及作者近年来研发的行波管,频率覆盖E波段、W波段、G波段和Y波段等多个频段。为进一步提升毫米波及太赫兹行波管输出功率,在新型折叠波导慢波结构、相速再同步技术、周期聚焦磁场(PCM)聚焦带状电子注、多注集成等方向开展了分析与实验研究,为器件的性能提升和应用推进提供技术支持。     

A new method to enhance frequency operation of CMOS ring oscillators

This article proposes a frequency-boosting method for CMOS ring oscillators. It consists of adding RC-based differentiators in delay cells to speed up their transient responses. Two novel delay cells for simple and differential versions are presented. On using MOS transistor components to implement the differentiators, the resulting increase of surface area is observed to be moderate, and this allows frequency tuning by voltage control, without inducing additional phase noise. The presented circuits are suitable for low-voltage operation. Simulation results on the proposed circuits have shown significant frequency enhancement with a competitive factor of merit.     

长脉冲高效率HPM源的新技术研究

本文综述作者在长脉冲高效率ＨＰＭ源新技术方面的研究成果。对强流相对论电子学的若干前沿领域进行了分析与评述，研究腔振荡器的主从锁相、互耦振荡器的等同锁相以及环形串接互耦振荡器、中心联结网状互耦振荡器的等同锁相的原理与方法，分析毫米波虚阴极器件的主从锁相与等同锁相，所进行的数值计算与分析相当吻合；研究一种新型的长脉冲空心阴极等离子体电子枪及其特性，该电子枪可产生长脉冲（》１μｓ）高电流密度（≥５０Ａ／ｃｍ２）电子注；分析一类新型的长脉冲、高效率ＨＰＭ源──等离子体辅助慢波振荡器的作用机理，关键技术及其实现途径，它不需外加磁场，具有长脉冲（》１μｓ）高效率（１５％～２５％）和高平均功率（＞１ｋＷ）的能力。