0.22 THz折叠波导返波管设计

作为折叠波导家族的重要成员之一,折叠波导返波管无需种子微波源,具有可观的振荡功率输出,可在较宽频带内方便地进行电压调谐,在THz波段的紧凑型电真空器件中占有重要地位。介绍了中物院应用电子学研究所0.22 THz折叠波导的研究情况,并阐述整管设计的原理和理念。通过一维模型分析和三维宏粒子模拟校验,完成了调谐频宽10 GHz,带宽内输出功率为瓦级的折叠波导返波管的理论设计。     

0.67 THz折叠波导慢波结构损耗的计算

在太赫兹频段,损耗对折叠波导慢波结构的特性有显著影响。提出一种计算折叠波导慢波结构损耗的理论模型,推导出弯曲波导的衰减系数。分别使用理论模型和商业仿真软件计算了0.67 THz折叠波导慢波结构的损耗,二者的计算结果吻合较好,表明理论模型有较高的精确度。最后,使用理论模型分析了0.67 THz折叠波导慢波结构的结构参数变化对损耗特性的影响。     

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。     

0.22 THz折叠波导行波管设计

在一支0.22 THz折叠波导行波管样管的模拟设计和实验研究基础上,对该样管进行了优化设计。对慢波损耗特性、慢波结构的尺寸冗余度进行了研究,对结构加工进行了进一步的考虑,对样管的实验研究进行了详细讨论并论述了新慢波结构的设计。采用HFSS软件结合大信号理论计算进行模拟,结果表明,折叠波导行波管的输出功率不低于100 mW,带宽不低于5 GHz。     

0.41 THz折叠波导慢波结构分析与设计

在0.14 THz,0.22 THz和0.34 THz折叠波导行波管研制的基础上,讨论了0.41 THz折叠波导行波管慢波结构设计与加工的可行性,分析研究了折叠波导慢波结构弯曲处直角弯曲与半圈弯曲、方形电子注通道与圆形电子注通道对色散特性、耦合阻抗、带宽、冷损耗和增益的影响。考虑了慢波结构中增加理想衰减器对该行波管带宽和增益的影响,得到了0.41 THz折叠波导行波管慢波结构的初步设计方案,为太赫兹折叠波导行波管的继续发展打下了一定基础。     

0.22 THz微电真空折叠波导行波管的聚焦磁场研究

在0.22 THz微电真空折叠波导行波管放大器(FWG-TWT)的设计中,为了保证在电子枪中产生的、具有所需电流密度的电子注能够稳定、成型地注入互作用区,并维持较高的电子通过率,需仔细设计磁场聚焦系统。本文在 FWG-TWT 中使用螺线管线圈和周期永磁聚焦系统(PPM)2种磁场结构来实现电子束流的稳定注入和传输。通过三维仿真软件对此电子光学系统进行模拟计算,重点考察了磁场的初始位置、磁感应强度峰值以及磁体厚度等对电子束传输特性的影响。仿真结果表明,在合理的参数范围内,电子注静态通过率可以接近100%,波动很小,能够实现束流的稳定注入和传输。     

220 GHz折叠波导行波管慢波结构的损耗研究

在太赫兹频段,折叠波导慢波结构的损耗很大,因此需要在设计220 GHz折叠波导行波管慢波结构时进行深入研究。首先通过软件仿真的方法预测了慢波结构的S参数,然后利用紫外光刻、电镀和微铸模成型(UV-LIGA)工艺制作了慢波结构样品并进行测量。测量结果表明,该样品在220 GHz时衰减系数约为240 dB/m,与仿真结果符合较好。显微照片显示,该样品产生了形变,造成高频段2种结果存在差异。     

折叠波导慢波结构太赫兹真空器件研究

简要介绍了利用折叠波导慢波结构的太赫兹真空辐射源的发展现状,重点对折叠波导慢波结构的特点进行了研究,并利用这种慢波结构开展了W、D波段行波管,W波段和650GHz返波振荡器,560GHz反馈振荡放大器的设计、计算和模拟优化,分别得到了较好的结果,并实际研制出W波段连续波行波管,输出功率达到8W。对太赫兹真空辐射源的部件技术、微细加工技术进行了研究和分析。     

1.03THz折叠波导慢波结构及电子光学系统研究

太赫兹真空电子器件成为未来主要的发展方向,本文对1.03 THz折叠波导慢波结构及电子光学系统进行了研究,分析了不同电子注通道形状对于折叠波导特性的影响,包括色散特性、耦合阻抗、衰减特性、功率、增益等,并且利用OPERA 3D软件设计了电子光学系统。仿真结果表明,在中心1.03 THz频率处,与矩形电子注通道折叠波导慢波结构相比,圆形电子注通道的结构色散曲线更为平缓,耦合阻抗提升6.9%,损耗降低6.8%;在10 GHz带宽内功率提升47.4%,增益提升1.2 dB,互作用长度缩短12.3%。在工作电压为17.4 kV时,阴极发射电流大于3 mA,电子注半径为0.012 mm,在均匀区永磁聚焦系统中可稳定传输。     

微加工工艺误差对THz折叠波导行波管性能影响

在太赫兹频段,折叠波导慢波结构主要采用微细加工技术完成。讨论了目前折叠波导慢波结构主要的微加工工艺,分析了主要工艺误差包括波导深度、侧壁垂直度对0.41 THz折叠波导慢波结构高频特性的影响。通过分析比较,a值对折叠波导行波管性能影响很大,需要在工艺中精确控制。在侧壁垂直度为89°范围以内,侧壁垂直度的变化对折叠波导行波管性能影响不大。通过仿真分析,确定了工艺中必须控制加工精确度的工艺步骤,这对0.41 THz折叠波导行波管的研制有非常重要的意义。     

太赫兹翼片加载折叠波导行波管放大器的研究

翼片加载折叠波导电路是一种改进型的行波管互作用电路。与原始结构相比,它具有提高的耦合阻抗、扩展的横向尺寸以及更加灵活的设计能力,因此适合工作在太赫兹频段。首先采用理论模型设计了工作频率0.22THz的慢波结构;然后采用三维粒子模拟技术对翼片加载折叠波导行波管放大器的非线性性能进行了研究。结果显示,新型结构具有高的互作用效率和宽频带放大的能力。在中心工作频率220GHz处,2mW的驱动功率下可以得到4W的饱和输出功率,对应的电子效率和增益分别为2.47%和33dB（考虑了电路的导体损耗）;恒定功率下扫频模拟显示,放大器的瞬时3dB带宽可达13.6,频率范围覆盖205～235GHz。     

折叠波导缝隙阵天线的展开形变及辐射特性研究

折叠波导缝隙阵天线在太空中展开时可能产生的应力形变会影响其辐射特性,因此在设计时需要充分研究形变的机理和可能产生的影响.本文首先分析和计算薄膜波导在展开时受到拉伸而可能产生的形变,然后分析了形变带来的波导特性阻抗等的变化,以及由此导致的波导缝隙阵天线的驻波、增益以及副瓣电平等辐射特性的变化.该分析方法联系了波导所受外力和电磁场特性之间的关系,为实际工程提供有益的理论指导.     

0.14 THz大功率回旋行波管前级激励源粒子模拟研究

以折叠波导行波管作为大功率回旋行波管的前级激励信号源,利用电磁仿真软件HFSS和粒子模拟软件(CST粒子工作室),对0.14 THz微电真空折叠波导行波管慢波结构的色散特性、耦合阻抗进行计算分析,然后对折叠波导行波管束波互作用过程进行粒子模拟,最后通过粒子模拟得到该折叠波导行波管的增益、工作电压、电流等工作特性参数。在电压为13.9 kV、电流为16 mA,输入功率为5 mW的条件下,输出功率为5 W,线性增益为30 dB,带宽3.7 GHz,最大输出功率为6.2 W,该结果为0.14 THz大功率回旋行波管实现kW量级的功率输出提供功率足够的前级馈入信号奠定了基础。     

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％.     

0.22 THz Waveguide Bandpass Filter with High Stop-Band Suppression

A terahertz (THz) waveguide band-pass filter using an iris inductive window coupled structure was designed and fabricated. The filter was designed at 0.22 THz with a pass band of 20 GHz. The measured results show that the center frequency is 0.218 THz with a pass band of 0.205 THz to 0.231 THz, the minimum insertion loss is 1.26 dB at 0.224 THz, and the return loss is less than 13.1 dB. The stop-band suppression is 65.6 dB at 0.193 THz and 51.8 dB at 0.243 THz, respectively, which means a good performance of high stop-band suppression. A good agreement exists between the measured S-parameters and the simulated ones, especially in the upper band. The proposed THz waveguide filter has potential applications in THz communications.     

基于光学技术的太赫兹相干辐射源研究

由于太赫兹辐射的独特性质和潜在的应用价值, 国内外关于太赫兹波的产生和探测的研究正呈现日益繁荣的景象, 目前太赫兹相干辐射源的研究已成为太赫兹技术领域最重要的前沿课题之一。介绍了产生太赫兹相干辐射的三种主要途径：一是光学技术, 它从高频向低频发展, 其代表为太赫兹激光器, 如气体激光器、半导体激光器和量子级联激光器等; 二是电子学技术, 它由低频向高频发展, 如微波管、固体微波源等; 三是光电子技术, 其频率由1 THz向两侧展宽, 采用超快激光脉冲触发产生太赫兹脉冲。设计了基于光学技术的太赫兹相干辐射系统, 该装置根据气体振转能级跃迁原理, 采用高压直流激励方式产生受激辐射, 波导管谐振腔体, 工作气体为N2, CD4和D2, 经过优化设计, 预计可以产生1.54 THz和1.58 THz的波连续输出。     

亚毫米波折叠波导慢波结构的损耗特性研究

损耗是慢波结构的重要参量之一.采用理论与仿真的方法分析了在亚毫米波段(220 GHz)折叠波导慢波结构的导体损耗.在理论模型计算了弯曲波导段的衰减系数,并考虑了波导内表面粗糙度对电导率的影响,从而使模型更接近实际情况.计算结果表明,弯曲波导段的衰减常数大于直渡导段,而且理论模型计算出的每周期折叠波导电路的损耗与高频仿真软件HFSS的结果吻合较好,说明理论模型有较高的精确度.在此基础上,分析了慢渡结构参数变化对损耗的影响.     

集成宽带折叠半模基片集成波导带通滤波器

 本文提出并设计了一种新型的折叠半模基片集成波导（Folded Half-Mode Substrate Integrated Waveguide: FHMSIW）宽带带通滤波器,并给出了FHMSIW上层金属层槽缝式和中间金属层槽缝式宽带滤波器的仿真和测试结果。相对于半模基片集成波导（Half-Mode Substrate Integrated Waveguide: HMSIW）槽缝式滤波器,由双层PCB制作的FHMSIW槽缝式滤波器的尺寸减小了约一半。同时测试结果和仿真结果表明该宽带滤波器具有损耗小、带外抑制好等特性。