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。     

具有高稳定性的超高增益回旋行波管放大器

该文结合线性理论和自洽非线性理论对Ka波段TE11模超高增益回旋行波管放大器的稳定性进行了研究。 研究揭示了回旋行波管中前向波绝对不稳定性和返向波振荡之间的区别,以及分布损耗技术对这两种自激振荡的抑制作用,并首次提出通过渐变磁场技术来提高系统的稳定性。基于该分析方法设计的Ka波段超高增益回旋行波管,采用电压100 kV,电流7 A,速度零散5％的电子注,获得了-1 dB的饱和功率带宽约5 GHz,最高增益约80 dB。     

Ku 波段回旋行波管设计与分析

设计了用于Ku波段的介质加载回旋行波管。阐述了磁控注入电子枪的设计,采用均匀介质加载的结构来抑制回旋行波管的自激振荡,降低了回旋行波管的起振电流,同时提高了寄生模式的起振长度。设计了线极化输入耦合器。设计的回旋行波管工作电压为70kV,工作电流为10A,最大峰值功率210kW,最大功率处增益为35dB,3dB带宽为1.8GHz。     

Ka波段二次谐波回旋行波管放大器的研究

二次谐波回旋行波管放大器的互作用磁场比基波回旋行波管放大器的磁场降低了一半,从而降低了设计难度,具有广阔的应用前景。通过对周期介质加载结构的Ka波段二次谐波回旋行波管电子枪、高频结构、模式竞争以及注波互作用研究,确定了Ka波段TE02模二次谐波回旋行波放大器的基本工作参数,通过PIC模拟计算,在电子注电压为90 kV,注电流为25 A时,获得了大于200 kW的输出功率,超过40 dB的增益。     

高功率回旋行波管新型宽带输出窗的设计

首先利用场匹配理论和传输级联矩阵建立多层介质窗的普遍分析方法,对回旋行波管输出窗进行解析分析,在理论分析和数值计算的基础上得到回旋行波管宽带输出窗的结构和尺寸;然后利用三维高频分析软件HFSS进行仿真和验证.通过热分析和优化设计,在Ka波段获得了平均功率容量达到50 kW,反射系数小于-20 dB的带宽约为3.6 GHz的高性能新型宽带输出窗.冷测实验表明,冷测结果与数值计算结果较为吻合.     

回旋行波管分布式介质加载高频结构研究

利用线性理论对Ka波段工作模式为TE01模的回旋行波管进行了稳定性分析,计算了介质加载条件下工作和寄生模式的传播损耗,以及不同传播损耗下工作模式的起振电流;对不同介质加载条件和工作电流,给出了3个主要寄生模式的起振长度;确定了介质加载厚度以及相对介电常数等参数。计算结果表明,在优化得到的介质加载条件下,寄生模式在其各自振荡频点的单位长度传播损耗大于抑制各寄生模式返波振荡所需最低损耗值要求;工作模式起振电流大于设计所需工作电流;寄生模式的起振长度大于设计的介质加载段和未加载段长度;设计的介质加载参数能够满足抑制工作和寄生模式自激振荡的要求。利用优化设计的高频结构及介质加载参数,进行了整管热测实验,得到了输出功率160kW,饱和增益40dB,效率22.8%以及3dB带宽5%的回旋行波管。     

周期介质加载大轨道回旋行波管研究

通过耦合系数、模式竞争和起振条件分析谐波状态下采用大回旋电子注周期性介质加载结构的注波互作用特点,并通过理论分析和PIC粒子模拟,优化设计出一支Ka波段大回旋电子注回旋行波管。该回旋行波管处于二次谐波工作状态,互作用结构采用周期性介质加载结构,结构简单,工艺成熟。仿真结果表明,在电子注为75 kV、电流为9 A、磁场强度仅为0.51 T的工作条件下,所设计的回旋行波管最大输出功率达到了156 kW,3 dB带宽为4.4 GHz,最大增益为47.18 dB,磁场用常规电磁线圈磁体产生即可达到要求。     

高功率毫米波回旋行波管宽带输出窗设计

首先利用场匹配理论建立传输级联矩阵对回旋行波管输出窗进行解析分析。在理论分析的基础上,通过数值计算得到回旋行波管宽带蓝宝石输出窗的初步结构和尺寸,然后利用三维高频分析软件HFSS进行仿真验证。通过大量计算与仿真,为Ka波段TE01模回旋行波管设计出驻波比小于1.2的输出带宽约为6GHz,相对带宽大于17%的高性能3层窗片结构蓝宝石输出窗。通过冷测实验研究表明仿真计算结果与冷测结果基本一致。     

Ka波段基波回旋行波管放大器的模拟与设计

完成了Ka波段基次谐波TE01模回旋行波管的初步设计,通过PIC模拟计算获得了回旋行波管稳定工作的详细物理图像和参数依赖关系．模拟计算表明,在电子注电压为100kV,电子注电流为20A,工作磁场为1．27T时,放大器可以获得大于450kW的输出功率、50dB增益、大于22．5％的效率和约为5％的带宽．     

一种Ka波段回旋行波管输出窗设计

针对Ka波段回旋行波管输出窗介质窗片易打坏的问题,引入了3层介质厚窗结构和液冷结构。利用微波网络场匹配理论建立传输级联矩阵的方法对多层窗片结构输出窗进行研究,给出Ka波段回旋行波管一种新型中间液冷结构输出窗的参数,通过CST进行仿真验证和优化处理,并进一步结合热损耗公式和ANSYS Workbench对输出窗进行热分析,在26.3~35.7 GHz频带范围内,实现S_(21)>-0.5 d B。     

分布式损耗加载和导引中心调节对TE11模工作回旋行波管稳定性影响的多模稳态分析

该文利用多模稳态非线性理论,研究损耗材料加载和导引中心半径调节对回旋行波管稳定性改善的效果。结果表明,随着损耗材料电导率的减小返波振荡强度逐渐减小直至完全消失,同时工作模式输出功率显著增大;适当增大导引中心半径后,完全抑制返波振荡需要的损耗更小,可以减轻热损耗散热的困难,同时还能减小管子输出性能对电导率变化的敏感性。     

Reflectance Measurement of Lossy Metal Meshes in the Millimeter-Wave Range

The method of power reflectance measurement of small lossy metal meshes is suggested by evaluating the measured reflection coefficient in the vicinity of a resonance mode of quasi-optical resonator. The resonator is described by the equivalent circuit that includes coupling ohmic losses of the mesh. The multi-points reconstructing algorithm is suggested to restore power reflectance. This particular technique is suitable for reflectance measurements of lossy metal meshes and wire grids having overall small dimensions which are not relevant when employing standard free space techniques. Its validity is illustrated by reflectance measurements in W-band.     

A W-Band Air-Cavity Filter Integrated on a Thin-Film Substrate

In this letter, a W-band air-cavity filter has been developed on a thin-film substrate using a lossy silicon substrate as a base plate, which is suitable for a mm-wave system-on-package. The lossy silicon suppresses a parasitic substrate mode excited in a thin-film substrate, while a coupling loss between a transmission line and a resonator is minimized by etching the backside of the lossy silicon substrate underneath the coupling area. In the backside etching process, 70 mum of silicon was left for mechanical support of the thin-film substrate. The resonator was fabricated using a low-cost silicon micromachining technique and was flip-chip integrated on a thin-film substrate. The fabricated air-cavity resonator showed an unloaded Q of 851 at a resonant frequency of 94.18 GHz. Improvement in the coupling loss by the backside etching process was verified with measurement results. The fabricated filter exhibited an insertion loss of 1.75 dB and a return loss better than 14.5 dB with a 1.3% 3 dB fractional bandwidth at a center frequency of 93.8 GHz.     

W频段机场异物探测雷达收发前端

主要介绍了一种用于机场异物探测雷达的W频段调频连续波( FMCW)收发前端的研究工作。基于波导T形接头的等效计算公式,对W频段波导合成电路进行了集中参数的电路建模,通过优化设计波导合成电路的参数,提高了波导合成电路的容差特性,解决了W频段波导功率合成电路加工精度要求高的问题,实现了W频段4路功率合成;采用低损耗的石英基材设计开发了微带薄膜滤波器技术,实现了W频段FMCW雷达接收前端的一体化集成设计;通过对低噪声放大器芯片键和金丝的匹配设计,实现了W频段收发前端的低噪声接收。最终实现的W频段FMCW收发前端的发射功率优于360 mW,接收机噪声系数优于5 dB。研制的收发前端为W频段FMCW雷达提供了一种有效的射频前端的解决方案。     

W频段机场异物探测雷达收发前端

主要介绍了一种用于机场异物探测雷达的W频段调频连续波（FMCW）收发前端的研究工作。基于波导T形接头的等效计算公式,对W频段波导合成电路进行了集中参数的电路建模,通过优化设计波导合成电路的参数,提高了波导合成电路的容差特性,解决了W频段波导功率合成电路加工精度要求高的问题,实现了W频段4路功率合成;采用低损耗的石英基材设计开发了微带薄膜滤波器技术,实现了W频段FMCW雷达接收前端的一体化集成设计;通过对低噪声放大器芯片键和金丝的匹配设计,实现了W频段收发前端的低噪声接收。最终实现的W频段FMCW收发前端的发射功率优于360 mW,接收机噪声系数优于5 dB。研制的收发前端为W频段FMCW雷达提供了一种有效的射频前端的解决方案。     

W频段卫星通信研究进展

总结了W频段卫星通信系统的研究工作。介绍了W频段卫星通信的概念、特点,重点介绍了DAVID、WAVE等W频段卫星通信研究任务,并对研究中现存的雨衰、非线性失真、相位噪声等难点问题及其相关解决方法进行了探讨,最后指出W频段卫星通信任务、信道传输、硬件等方面的未来研究方向。     

W波段大功率发射机的设计与研究

毫米波雷达对云、雾、降水的形成与发展等微物理过程的探测具有明显的优势,是认识气象物理过程的重要手段。介绍了用于云雨探测雷达的W波段大功率发射机的设计方法与过程,该发射机采用分布作用速调管(EIK)作为末级放大器,介绍了EIK的工作原理、特点及应用要求,重点对发射机的聚焦极脉冲调制器、高压电源的工程实现进行了分析,高压电源采用电容钳位移相逆变器,具有快速响应及良好的稳压性能,对控制电路的实现及其功能进行了介绍,最终给出了W波段发射机的样机研制及测试结果。     

回旋行波管收集极初始条件的研究

为了确定回旋行波管收集极入口的初始条件,利用CST2009模拟回旋行波管静态电子的运动轨迹,以3D模型,更直观、形象的显示出电子在回旋行波管中的运动轨迹。模拟计算表明,在电子注电压为70kV,电子注电流为10．4A,工作磁场为l.5T时,回旋行波管的电子注发射出的电子最终降落在收集极的530～700mm处。模拟结果为回旋行波管的设计和收集极的热分析提供了有效的依据。     

一种新研制的W频段固态GaN功率放大器毫米波源

介绍了一种新研制的W频段固态GaN功率放大器毫米波源,给出了系统组成与工作原理,提供了其主要部件W频段固态Gunn驱动源、W频段波导-微带转换器、主放大器芯片基本性能及实验测试结果。该固态毫米波源工作频率94 GHz,输出连续波功率大于300 mW,线性增益10 dB,附加效率(PAE)大于16%。在W频段固态毫米波源研制过程中,其单片微波集成电路(MMIC)功率放大器半导体材料选择经历了GaAs、InP到GaN演变,结果清楚表明, W频段毫米波源的GaN MMlC功率放大器输出功率、增益、效率、高温性能要优于其他固态MMIC功率放大器性能。 W频段大功率固态GaN MMlC技术将在毫米波领域带来新的技术革命和应用。     

Two time-derivative Lorentz material (2TDLM) formulation of aMaxwellian absorbing layer matched to a lossy medium

A two time-derivative Lorentz material (2TDLM) is introduced to define polarization and magnetization fields that lead to an absorbing layer that can be matched to a lossy dielectric medium. The 2TDLM is a generalization of the successful uniaxial polarization and magnetization time-derivative Lorentz material (TDLM) which has been introduced as an absorbing boundary condition for simulation regions dealing with lossless materials. Expressions are derived to describe the propagation of an arbitrary plane wave in this 2TDLM Maxwellian absorbing material. They are used to study the scattering from a semi-infinite 2TDLM half-space of an arbitrary plane wave incident upon it from a lossy isotropic dielectric medium. Matching conditions are derived which produce reflectionless transmission through such an interface for any angle of incidence and frequency. Numerical tests are given which demonstrate the effectiveness of the resulting 2TDLM absorbing layer