相速渐变折叠波导的研究

为了提高折叠波导行波管的注-波互作用效率,本文提出了两类变形的折叠波导高频结构,分别是直波导长度渐变的折叠波导以及部分加载介质的折叠波导。前者又分为连续渐变和阶梯渐变两种结构,后者有两段式及三段式介质加载两种;并从理论上分析了这两类结构。分别用等效电路法和矩形波导法分析计算了两种新型的折叠波导结构的相速,得出两者的波在轴向上的相速都降低了。再利用仿真软件进一步观察电子的运动情况和输出功率的情况,并对两种结构的参数进行了优化,优化结果可使输出功率提高达80%。仿真结果表明两种新型的结构都让更多的电子速度变慢,由此可以证明两种高频结构对注-波互作用效率有很大提高,也对输出功率有很大改善。     

220 GHz三注折叠波导慢波电路的设计与仿真

本文设计了220 GHz三注折叠波导慢波电路,并对其放大特性进行了分析。利用等效电路法对慢波电路结构色散特性与轴向耦合阻抗进行了计算,并通过三维高频仿真软件HFSS进行了模拟验证。利用三维电磁仿真软件CST-PS的PIC求解器对该慢波结构的三维大信号的注波互作用进行了粒子仿真,结果表明:在工作中心频率为220 GHz时,三注折叠波导慢波电路输出功率达到49.7 W,增益达到了37.05 dB,3 dB带宽为13 GHz(212~225 GHz)。最后分析了边缘电子注的注电压和注电流的减小对该结构放大性的影响。     

140GHz多注折叠波导结构的特性与微铣削工艺研究

多个电子注是提升THz辐射源输出功率的一种有效办法,折叠波导是一类广泛应用于THz行波管的慢波结构,为此本文对一种三注折叠波导结构进行了研究。首先,完成了该结构冷测特性与注波互作用特性的理论分析,获得了一组优化的结构参数;其次,由于折叠波导结构具有准二维的特点,突破微铣削工艺相关关键技术,完成了该结构的制作;最后,搭建实验测试平台完成了该结构传输特性的测试,并与设计结果进行比较。模拟结果表明:中心频率点在140GHz、注电压与电流分别为9.55kV与12mA、输入功率为10mW时,同单注结构相比,输出功率从1.82提升到了12.73W;电子效率从1.59%高到了3.7%;传输特性的实验值同设计值保持了很好的一致性。该方法为THz行波管输出功率和电子效率的提高提供了新的参考。     

高功率Ka波段三注级联折叠波导行波管输入输出特性研究

折叠波导慢波结构具有高功率、宽频带、高增益等优点。作为高频、大功率、宽频带微波源的慢波电路具有巨大的应用潜力。与单注折叠波导行波管相比,多注折叠波导行波管能够进一步提高行波管的增益。一般多注折叠波导行波管各级之间空隙很大,增加了行波管重量,如何减轻其重量是当前面临的一大难题。本文从多注折叠波导行波管基本结构出发,考虑各级折叠波导行波管之间的连接方式,设计了一种新的三注级联折叠波导行波管。通过HFSS软件对新结构进行仿真分析,结果表明该结构具有良好的输入输出特性。该设计不仅克服了管子加工长度上的困难,而且降低了三注级联折叠波导行波管对尺寸的要求,使行波管的结构更紧凑,适用于要求重量轻的场合。     

折叠波导几何尺寸自动测量方法及误差分析

根据W波段行波管的设计要求,考虑加工设备的固有精度,编写测量程序,实现了折叠波导多周期微结构的自动精密测量。实际应用时,利用视频影像测量显微镜、工具显微镜、激光共聚焦显微镜和高度计完成了W波段行波管折叠波导慢波结构关键几何尺寸的全自动和半自动测量,分析了测量误差的来源,提出了最大限度减小误差的方法,各个尺寸的测量精度全部控制在1.5μm以内,测量时间从原来的3 h缩短到了1 h以内,显著提高了工作效率,为折叠波导行波管的批量生产节约了时间和人力成本。     

基于电子注嵌入光栅的0.55 THz返波振荡器的结构设计与注波互作用的分析

根据矩形栅慢波结构的色散公式初步确定各结构参数,并分析了各结构参数的变化对色散曲线的影响,用CST微波工作室仿真,计算并对比分析嵌入与未嵌入圆形电子注的高频特性的变化趋势,得出前者对应的色散曲线和耦合阻抗曲线要大于后者的结论。利用CST粒子工作室进行注波互作用模拟,权衡起振时间和输出功率关系,确定整管的仿真长度。研究了电子注嵌入深度、填充比、电流大小对输出功率的影响,优化结构参数,最终得到14. 6 W的稳定输出功率,与Magic计算出的结果相吻合。     

双电子注高次模折叠波导慢波结构注波互作用仿真分析

提出了一种工作于220 GHz的双电子注高次模折叠波导慢波结构,该结构由四段慢波线组成,各段之间通过衰减器进行连接。文章首先计算了该结构的色散特性,其次利用CST模拟软件对其注波互作用特性进行了仿真分析:该结构工作模输出信号稳定,增益为33.1 d B。最后讨论了在电子注直流发射模型中,能量离散、角度离散、电子注电压差异三个仿真参量改变时,输出信号增益随参量的变化关系。通过对参量变化的分析,希望为器件的制造提供参考。     

折叠波导高频结构UV-LIGA技术研究

真空电子器件的频率越来越高,作为核心部件的折叠波导慢波结构由于具有独特的优点,在真空器件中必将得到广泛的应用。由于真空器件的尺寸与波长具有共渡性,频率越高,互作用结构的尺度越小,加工误差的要求越来越严格。传统的加工方法很难实现如此微小尺寸的结构,而UV-LIGA技术对于制造这种微型结构是一种很有前途的方法。本文以220GHz折叠波导为研究对象,在中科院电子所行波管设计、计算和仿真模拟软件IESTWT1.0平台上,进行了设计和仿真,对高频慢波结构的相关参数进行了优化,并开展了基于SU8厚胶采用嵌丝式UV-LIGA工艺制备折叠波导互作用结构的工艺实验,主要包括无氧铜WAFER制备、大厚度SU8胶匀胶工艺、光刻工艺、嵌丝工艺、电铸以及去胶工艺等参数的摸索。结果表明采用基于SU8系列光刻胶的UV-LIGA方法可以实现折叠波导慢波结构的制备。     

两段式结构赝三元材料热电模块的研究

在实验研究单段式结构赝三元材料的热电模块基础上,利用现有半导体致冷器生产工艺,依据热电材料的温度特性和冷热端工作温度,采用不同电阻率的赝三元材料,设计制作了两段式结构的热电模块．研究表明,当冷、热端工作温差为80K时,其输出功率和发电效率均比单段式结构的热电模块提高80％左右．     

X波段40 W高效率空间行波管螺旋慢波系统的模拟优化

为了提高X波段40 W空间行波管的互作用效率,本文通过计算机模拟对其慢波系统进行了模拟优化,获得了渐变螺距慢波系统的互作用效率和输出功率,并和样管的测试结果进行了比较。比较结果表明,互作用效率、输出功率的模拟优化结果和测试结果在频带内的相对误差分别小于5.7%和8.3%,二者取得了很好的一致。同时,样管在中心频率处的相移小于40°,表明慢波系统的线性良好。     

三级级联光子晶体曲折波导慢波系统的研究

基于三级级联模式,通过在漂移段采用切断方式、在预群聚段和辐射段采用光子晶体加载所需模式,利用CST对太赫兹波段光子晶体曲折波导慢波结构的高频特性作了模拟计算。计算结果表明:在f=225 GHz处,光子晶体加载曲折波导慢波结构有较平缓的色散关系,耦合阻抗为3.7Ω;当工作电压为13 kV、电流为56 mA、电子注半径为0.09 mm时,慢波结构在输入功率为5 mW情况下在f=225 GHz处具有30.4 d B的增益;与相同条件下的普通曲折波导慢波结构相比,频带显著变宽,输出功率增大1.4倍。     

THz两级串联慢波结构研究

提出了一种基于矩形交错双光栅的两级串联慢波结构,该高频结构采用双电子注通道和一个聚焦系统,高频信号分别在两段慢波结构中工作在-1和+1空间谐波状态。对该慢波结构的色散特性进行了模拟计算,分析了该器件工作原理。通过设计传输变换结构及两级慢波连接波导组成高频互作用电路,在295~320 GHz频率范围内获得较好的传输特性,反射系数S11-17 d B,传输系数S21-12.51 d B。利用三维粒子模拟设计的方法,在单注电流18 m A时,获得14.6 W的299.5 GHz信号输出,电子效率为1.7%。     

0.14 THz低电压扩展互作用速调管慢波谐振系统的研究

设计了一个在高效率、高频率、结构紧凑低磁场以及低电压工作等方面具有独特优势的0.14 THz扩展互作用速调管慢波谐振系统。针对该慢波谐振系统进行了色散曲线的仿真计算,在色散曲线与PIC仿真的基础上,对模式竞争进行了分析,选取了3π模为工作模式,并给予了论证。PIC仿真结果表明在较低工作电压18.2 k V,工作电流0.5 A的条件下,该谐振系统的注波互作用效率可达到22%,工作模式为3π模,输出峰值功率可达4.03 k W,工作频率为149.419 GHz。     

W波段TE6,2模同轴开放式谐振腔的研究与设计

详细研究了一种用于回旋管冷测的三段式同轴谐振腔模式激励器,该模式激励器利用同轴开放腔的选频选模特性将输入的W波段的波功率转换为TE6,2模式输出。基于缓变截面波导理论,研究了同轴谐振腔激励TE6,2模式的机理;求解了同轴波导中TE模式的特征根和不均匀弦方程并得到腔体谐振频率及Q值;分析了同轴腔内外半径对谐振频率的影响;给出了W波段高纯度TE6,2模谐振腔优化设计的参数;并用电磁仿真软件对其进行仿真计算,结果表明:该谐振腔的TE6,2模式纯度达到99.51%。     

硅太赫兹波导配置及性能分析

针对现有太赫兹辐射源在输出频率可调性及输出功率方面的局限性。本文从非线性介质的Maxwell方程入手对非线性聚合物的光学性质进行理论分析,建立硅波导配置的数学模型。利用硅材料的高折射率,设计了硅太赫兹波导。分析了太赫兹波导模式图,讨论了硅太赫兹波导模式的有效折射率、波导损耗、连续波输出功率与输出频率的关系,实验结果表明:硅太赫兹波导产生的太赫兹波连续可调,输出太赫兹波频率范围宽至0.1THz到15THz,输出功率可达到微瓦级。     

W波段带状注扩展互作用速调管三维MAGIC研究

带状注扩展互作用速调管通过采用宽高比值很大的带状电子注来降低空间电荷效应,采用多间隙结构来增加功率容量,是一种高频率、高功率的微波真空放大器件。本文利用CST Microwave Studio与MAGIC设计了2π模W波段带状注五间隙扩展互作用谐振腔,重点研究了五间隙谐振腔关键结构参数对谐振腔特性阻抗与谐振频率的影响,并对器件稳定性与带状注双腔速调管注波互作用特性进行了三维MAGIC仿真与分析。最后,在电子注电压为19.5 kV,电流为3.5 A时,获得大于8 kW的输出功率、23 dB左右的增益。     

负-正相速跳变慢波结构行波管的小信号理论辅助分析

应用Pierce小信号理论,对设计高效率宽带行波管的一般方法进行分析,采用螺距跳变渐变技术,形成了相速减少和相速增加两段结合的输出段作为宽带行波管的慢波结构,并采用散热性能好的半金属化夹持杆慢波结构产生反常色散曲线。为了提高行波管工作频带的电子效率,在高频点(18 GHz),利用遗传算法并调用1维BWIS互作用程序,对相速减少和相速增加两段相结合输出段的慢波结构进行了优化。计算结果表明:行波管在工作频带(6~18 GHz)获得了比较平坦的饱和输出功率,为下一步实际研制宽带行波管提供了理论依据。     

X波段带状注速调管注波互作用系统的3维PIC模拟

带状注速调管是采用宽高比值很大的薄矩形注来降低空间电荷效应,采用特殊的高频结构来增加功率容量,从而使注波互作用效率得到提高的一种新型微波电真空器件.本文对工作在π模状态下的X波段带状注速调管三间隙腔进行了模拟计算,并对由该型腔体构成的注波互作用系统进行了3维PIC模拟,给出了初步的模拟设计结果.模拟结果表明:在电子注电压为415kV,电流为250A时,该速调管可以获得大于29.6MW的输出功率、34.3dB的增益以及29.6%的效率.     

一种特殊动力吸振器阻抑结构声传递特性分析

结构声传递控制一直是舰船结构声学设计需要解决的关键问题。动力吸振器是一种重要的波阻技术,具有很好的频段选择性,在舰船的应用日益广泛。针对动力吸振器阻抑板的结构声传递问题,提出了精细的波分析模型和波动力响应矩阵法。将结构离散为多个波导单元和波阻单元,建立附加动力吸振器的结构连接的广义波动力响应平衡方程,推导出波导单元的波动力响应特征矩阵及动力吸振器的附加波动响应特征矩阵,并代入平衡方程求解得到波导单元的振动幅值,从而求得传递效率与损失。数值研究表明动力吸振器在特定频段具有很好的波阻效果,并探讨了动力吸振器设计参数对其波阻特性的影响。研究为动力吸振器的声学设计提供了新的分析方法,在舰船减振降噪中具有重要的理论意义与工程应用价值。     

W波段回旋速调管放大器的优化设计与分析

在模式场匹配理论和注波互作用非线性理论的基础上,对TE01模W波段回旋速调管冷腔模型进行了模拟分析,通过分析结果建立了4腔高频系统粒子模拟模型,并对其注波互作用进行了详细分析、计算,优化得到在注电压为75kV,注电流为15A,磁场为3.29T,输入功率为72W,纵横速度比α为1.5时,输出功率为362kW,效率超过32%,增益为37dB的设计模型。