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。     

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。     

Ku波段150W空间行波管的设计和研制

本文介绍了中科院电子所Ku波段150 W连续波空间行波管的设计、模拟和测试结果。该行波管采用双阳极电子枪、螺旋线跳渐变慢波结构、非轴对称四级降压收集极、辐冷型散热器。动态通过率在98.5%以上,在12.25~12.75 GHz范围内输出功率大于154 W,效率大于62%,增益大于51.8 dB,饱和点非线性相移小于46.65°,AM/PM变换系数小于4.31°/dB。环境试验结果表明行波管结构设计符合卫星力学环境条件,热设计符合空间环境试验条件。     

W波段阶梯型交错双栅慢波结构行波管的研究

为了提高传统交错双栅慢波结构行波管的性能,提出了一种阶梯型交错双栅慢波结构,并基于此新型慢波结构,提出了新型输入输出耦合结构.在此基础上,设计了一只工作在W波段的带状电子注阶梯型交错双栅慢波结构行波管.计算结果显示,阶梯型交错双栅慢波结构行波管的耦合阻抗更高,从而使行波管在更短的互作用电路长度里,实现更高的饱和增益和互作用效率.在90～100GHz频率范围内,阶梯型交错双栅慢波结构的耦合阻抗大于4Ω,高于传统交错双栅慢波结构;W波段带状电子注行波管高频结构的反射系数(S11)小于-15dB;并且行波管的饱和输入功率仅约为0.7W,可以实现最高输出功率约800W,相应的效率大于7.8%,增益大于30.6dB.     

0.22 THz宽带折叠波导慢波结构的设计

通过对折叠波导的理论分析,提出一种快速设计折叠波导慢波结构的方法。优化设计了中心频率为0.22 THz的折叠波导慢波结构,分析了结构参数对高频特性的影响。为防止振荡,仿真中采用截断的慢波结构。互作用仿真表明,在电子注电压为16 kV,电流为10 mA情况下,中心频率处增益为23.9 dB,输出功率为1.2 W。其中3 dB带宽大于14 GHz(0.214 THz~0.228 THz),带内输出功率大于0.5 W,在7 GHz(0.217 THz~0.224 THz)范围内输出功率大于1 W。     

W 波段回旋行波管高频结构设计和仿真*

对W 波段回旋行波管的高频结构的设计参数进行了分析计算与软件仿真,通过色散关系确定了磁场 取值,通过对返波振荡的分析确定了高频结构———周期衰减材料加载,通过对绝对不稳定性振荡的分析确定了工作 电流和横纵速度比的取值范围,最终得到了W 波段回旋行波管的工作参数。采用粒子模拟软件进行模拟计算,可以 得到155kW 的峰值功率输出和5.5GHz 的带宽,并给出了输出功率与回旋行波管各工作参数之间的关系曲线,进一 步证明了对返波振荡和绝对不稳定性振荡的分析与参数选取的合理性。实际加工的回旋行波管在测试中峰值功率 大于100kW,增益大于40dB,效率大于12%,3dB 带宽为4.1GHz。     

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。     

32路X波段径向波导空间功率合成系统研制

为突破单个固态功率器件在微波毫米波频段功率输出能力较低的限制,我们根据径向波导中主模TM00波电磁场的轴向对称性,提出了径向波导空间功率合成技术。并利用HFSS(高频电磁场仿真软件)和ADS(高级设计系统)软件,研制出了一款32路X波段径向波导空间功率合成系统。仿真和实验证明,从8.6GHz至12.3GHz,这种径向波导无源空间功率合成系统的插入损耗小于1dB,反射损耗小于-15dB,合成效率大于80%。     

毫米波10W空间功率合成放大器研制

提出了一种结构新颖的2×2空间功率合成结构.该结构在30~36GHz范围内,回波损耗优于10dB,插入损耗小于1dB.以此结构为基础再利用4块GaAs MMIC单片制作出了一个新型的功率合成器.该功率合成器在31~34GHz的频率范围内,在±0.64dB的增益波动下能得到大于10W的输出功率,并且在31GHz时具有最大的饱和输出功率13.8W,在带内的平均合成效率大于80%.     

微波高功率双介质栅静电感应晶体管

提出了用同步外延法设计和制造具有双介质层栅结构和非饱和电流电压特性的高频高功率静电感应晶体管的关键技术.讨论了寄生栅源电容Cgs对静电感应晶体管高频功率特性的影响.描述了工艺上减小寄生电容、改善静电感应晶体管高频功率性能的主要方法和措施.成功地制造出频率在400MHz时输出功率大于20W、功率增益大于7dB、漏效率大于70%和700MHz时输出功率大于7W、功率增益大于5dB,漏效率大于50%的高性能静电感应晶体管.     

毫米波折叠波导行波管的研究

采用等效电路方法和电磁场仿真软件Ansoft HFSS分析了折叠波导行波管的结构参数对其高频特性的影响,并在此基础上确定了Ka波段折叠波导行波管的尺寸.利用三维非线性粒子模拟软件MAGIC3D建立了两段式折叠波导行波管的模型,模拟研究了切断区长度和位置对折叠波导行波管的饱和输出功率及第2段电路单位长度增益的影响.最后设计了一个工作于33～36GHz的两段式折叠波导行波管,其输出功率的波动小于1dB,最大连续波输出功率达670W,对应电子效率高达7.55％.     

W波段宽带螺旋线行波管设计

提出了W波段螺旋线宽带行波管(TWT)设计方案,论述了高频系统、电子光学系统以及输能系统的计算与模拟。结果表明在80 GHz~100 GHz的范围内,能够得到大于15 W的输出功率,为开展W波段低电压螺旋线行波管的研制工作提供了依据。     

Design of Coaxial Couplers for High Efficiency Helix TWT

The main objective of the paper is to make an efficient design of the input and output coaxial coupler for a helix TWTs. An approach has been developed for the efficient design and analysis of the coaxial couplers in the practical situation. Normally multi-section impedance transformer approach is used for any wide band coupler. For a space helix TWT, coupler should be wide bandwidth and small size. In this case coupler is matched with helix slow wave structure and the standard 50-ohm connectors. The simulated return loss (dB) profile for different type of couplers is obtained by using Ansoft HFSS, CST microwave studio and compares those with experimental results. The tip loss design at sever ends for the input and the output section has been also optimized.     

Simulation of cold-test parameters and RF output power for acoupled-cavity traveling-wave tube

Procedures have been developed which enable the accurate computation of the cold-test (absence of an electron beam) parameters and RF output power for the slow-wave circuits of coupled-cavity traveling-wave tubes (TWT's). The cold-test parameters, which consist of RF phase shift per cavity, impedance, and attenuation, are computed with the three-dimensional electromagnetic simulation code MAFIA and compared to experimental data for an existing V-band (59-64 GHz) coupled-cavity TWT. When simulated in cylindrical coordinates, the absolute average differences from experiment are only 0.3% for phase shift and 2.4% for impedance. Using the cold-test parameters calculated with MAFIA as input, the NASA Coupled-Cavity TWT Code is used to simulate the saturated RF output power of the TWT across the V-band frequency range. Taking into account the output window and coupler loss, the agreement with experiment is very good from 60-64 GHz, with the average absolute percentage difference between simulated and measured power only 3.8%. This demonstrates that the saturated RF output power of a coupled cavity TWT can be accurately simulated using cold-test parameters determined with a three dimensional electromagnetic simulation code     

W波段带状注耦合腔慢波结构行波管的设计与冷测

对W波段三槽梯形线耦合腔慢波结构(包括大功率输入输出耦合器和射频窗)的加工和冷测进行了研究。此慢波结构由一个矩形波导耦合器馈电,该耦合器由放置在输入腔短边上的三阶阶梯变换矩形波导组成。首先,利用仿真方法研究了慢波结构的色散、互作用阻抗、传输特性和注-波互作用。结果表明,采用三槽梯形线耦合腔慢波结构的行波管能够在91~96 GHz的频率范围内提供大于1000 W的饱和输出功率,并且在94 GHz频点,饱和输出功率最大,可以达到1125 W。其次,采用高精度数控铣床加工出三槽梯形线慢波结构,并将其固定在非磁性不锈钢外壳中。文中给出了带有耦合器和射频窗的三槽梯形线慢波系统的测试结果,表明在90 GHz到100 GHz的频率范围内,S11<-10 dB。因此,三槽梯形线慢波结构在W波段大功率行波管方面具有应用前景。     

S波段连续波无截获栅控行波管的研究

介绍了S波段250 W大功率连续波无截获栅控行波管的设计计算和测试情况,整管采用金属陶瓷封接结构,周期永磁聚焦,底板传导冷却,单级降压收集极,N-K型射频同轴输出,SMA-K射频同轴输入.其主要的技术指标:输出功率≥250 W,增益≥35 dB,二次谐波≤-7 dB.     

Design of Tip Loss Profile on Support Rod for a Helix TWT

This paper describes the design of tip loss profile on support rod for a high gain, high efficiency helix TWT. The tip loss profile at sever ends for the input and the output section of the helix slow wave structure has been designed for return loss at severs ends better than -20 dB. The experimental results have been carried out in the input and the output section of the helix assemblies for the high gain helix TWT to find the return loss in the region of carbon coated tip loss on the support rods. The experimental result has been compared with the simulated performance for the return loss at the sever ends. The design of tip loss profile on the support rod for helix TWT has been carried out in real situation using Ansoft HFSS. A good agreement has been found in the simulated and experimental results.     

Study on Ka-Band Sheet Beam Traveling Wave Tube Focused by Closed PCM

This paper reports a Ka-band sheet beam traveling wave tube (TWT) focused by a 0.2 T closed periodic cusped magnet (PCM) system. The TWT with one section of staggered double-vane slow-wave structure (SWS) is driven by a 0.8-A sheet beam with rectangular cross-sectional area of 3.2 mm?×?0.6 mm. This sheet beam TWT can produce 100 W output power, and the 3 dB band is 33–38.5 GHz. In order to improve the output power, an optimized sheet beam TWT with two sections of SWSs focused by a novel closed PCM system is proposed. The new closed PCM system is with annular magnetic blocks and can be fabricated and adjusted easily. The simulation shows that the optimized sheet beam TWT can produce 2000 W output power and the 3 dB band ranging from 33 to 40 GHz.     

一种高效率多注毫米波行波管的设计模拟

对某Ka波段7注耦合腔行波管慢波系统进行了模拟,分析了多注耦合腔行波管的单腔冷测特性、周期永磁聚焦（PPM）系统以及PPM聚焦系统下的注-波互作用,模拟结果表明：在中心频率34.5GHz处,其饱和输出功率达到829W,增益43.16dB,带宽约1.4GHz,电子效率高达30.37%。