0.34 THz折叠波导行波管设计及流通管实验

以0.34 THz折叠波导行波管为研究对象,分析了慢波结构的色散特性、耦合阻抗、冷损耗特性和工作模式等,并按优化后折叠波导慢波结构的要求设计电子光学系统,进行流通管实验,得到电子注通过率大于80%的实验结果。最后对输入输出结构进行优化设计,满足中心频率为0.345 THz,带宽大于10 GHz,输出功率大于20 mW的0.34 THz折叠波导行波管设计要求。     

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。     

E波段折叠波导行波管集成极靴结构设计及仿真

为进一步提升毫米波折叠波导行波管的输出功率,通过整体加工的工艺方法,将折叠波导慢波结构和周期永磁聚焦系统在母材上同时加工,形成一种集成极靴结构。基于圆形注电子光学系统,设计了E波段折叠波导行波管的集成极靴结构。利用三维电磁场模拟软件(CST)的微波工作室,设计并模拟了慢波结构的冷特性参数,并根据慢波结构尺寸设计周期永磁聚焦系统。通过电磁工作环境仿真软件(OPERA)对磁场进行仿真验证,最终整管粒子数值模拟(PIC)计算结果表明,在61~71 GHz频带内可获得大于1 kW的饱和输出功率。该集成极靴结构在提供强轴向磁场的同时,具有结构紧凑、散热性好等优点。     

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。     

折叠波导慢波结构特性的研究

应用电磁场仿真软件对折叠波导慢波结构进行理论分析、结构设计和数值模拟。计算和分析了折叠波导的色散特性和散射参量,根据折叠波导特殊结构采用了整体极靴结构。模拟得出了折叠波导的周期磁场,通过调节磁场大小对电子注进行有效聚焦,并得到了电子束在磁场中的运动轨迹。结果表明,折叠波导是一种很适合用作毫米波大功率行波管的慢波结构。     

太赫兹折叠波导慢波结构的设计与微加工

从行波管工作的物理特性提出了一种获得折叠波导慢波结构参数的简单方法,给定工作频率和电压,能够获得折叠波导慢波结构的初始参数.设计了D波段的折叠波导结构来验证该方法,对其冷测特性如色散、耦合阻抗进行了分析.仿真结果表明,设计的折叠波导慢波结构在中心频率处具有较平缓的色散关系,在中心频率处耦合阻抗为3.5欧姆.在电子注电压为20.6 kV,电流为15 mA时,27 mm(50个周期)的折叠波导慢波结构在220 GHz具有13.5 dB的增益,3 dB带宽为11 GHz(213~224 GHz).同时讨论了折叠波导慢波结构的微加工工艺,并通过UV-LIGA工艺获得了实验样品.     

近太赫兹频段线性注真空器件的研究

介绍了太赫兹频段真空电子器件的研究和开发进展,包括慢波结构理论、设计、模拟及优化,微加工和微组装技术,整管技术等。这些器件包括行波管、返波管、斜注管、止带振荡器及行波管谐波放大器等,高频结构以折叠波导慢波结构为主,在太赫兹返波管中则利用叶片加载波导慢波结构。器件技术包括微机电系统(MEMS)技术,微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)金刚石生长、金属化和封接技术等。最后给出W波段、G波段以及340 GHz部件和器件所达到的性能。     

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。     

W波段多种槽加载折叠波导行波管的研究

该文提出了3种槽加载折叠波导行波管慢波结构:三角形、梯形和燕尾形槽加载折叠波导。分析比较了不同槽形状对慢波结构的色散特性和耦合阻抗的影响。利用粒子模拟的方法对W波段4种槽加载折叠波导行波管的非线性注-波互作用进行了研究;在相同的电子注参数和输入功率的条件下,对输出功率、电子效率和增益等参量进行了比较。在多种槽加载结构中,梯形槽加载折叠波导输出功率(255 W)和增益(37.1 dB)最大,电子效率最高(10.7%);燕尾形槽加载折叠波导达到饱和所需要的互作用电路最短(64.2 mm);三角形槽加载折叠波导的3 dB带宽最宽。     

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。     

0.14 THz折叠波导行波管中衰减器的设计

0.14 THz折叠波导行波管是一种宽频带高增益器件,容易产生自激振荡,破坏管子的正常工作。在管内加入衰减器是抑制其振荡的核心技术。本文考虑了衰减材料的配比选择,以及结构形状的匹配,运用三维模拟软件对衰减器的吸收和反射特性进行计算,优化并研制出适合0.14 THz行波管使用的衰减器。进行冷测后,其匹配和吸收特性都满足衰减器需求,为制作0.14 THz行波管放大器奠定了基础。     

能散度与发射度模块在太赫兹FWTWT模拟中的应用

研制了三维全电磁粒子模拟大规模并行程序 NEPTUNE3D 的能散度和发射度模块,主要用于评估电子出射速度和方向分布对太赫兹折叠波导行波管(FWTWT)性能的影响。将能散度和发射度模块应用到0.22 THz 的 FWTWT 器件粒子模拟中,结果表明：能散度主要通过改变器件束压范围,使其偏离束波互作用共振电压范围,导致器件性能下降;发射度反映电子发射角的发散,同时影响纵向与横向电子速度,电子横向速度的增加导致其更易碰撞通道内壁,使电子总数下降,导致器件性能下降;若束压保持不变,电子横向速度的增加势必导致轴向速度的减小,破坏束波同步条件,导致器件性能进一步下降。     

太赫兹折叠波导慢波结构止带振荡器

为实现太赫兹新频段的开拓,满足太赫兹应用对实用化功率源的需求,研发了太赫兹折叠波导慢波结构止带振荡器。器件工作在慢波结构的止带附近,利用高耦合阻抗的特点,完成强注波互作用,实现大功率、小尺寸的太赫兹源。实验验证的振荡器样管采用了折叠波导慢波结构,工作电压为23.1 kV,工作电流为150 mA,在振荡频率为124.45 GHz时,最大脉冲输出功率达到32 W。实验结果表明,该器件适于作为开拓新频段的探索,能够满足高功率、窄带宽需求的太赫兹应用。     

0.14 THz双注折叠波导行波管的高频系统设计

随着太赫兹通信技术的发展,对于0.14 THz折叠波导行波管(FWTWT)的研究需求向着更高的功率和更宽的带宽发展。对双注行波管中的双路折叠波导慢波电路进行分析,得到不同参数下的高频特性变化规律。并对双路折叠波导慢波电路的功率分配和功率合成效率进行分析计算,得到功率合成效率96.3%。最后对双路慢波电路、功率分配/合成器和集中衰减器进行建模,并对注波互作用进行计算。在高压15 kV和单注电子的发射电流为40 mA条件下,得到0.14 THz频率下的合成输出功率为56 W,增益为31.4 dB,3 dB带宽为7 GHz。     

D波段7 W连续波折叠波导行波管的研制

介绍了一种D波段连续波行波管放大器。该行波管采用了高压缩比皮尔斯会聚电子枪、折叠波导慢波结构(FWSWS)、蓝宝石输能盒形窗、周期永磁聚焦系统、集中衰减器以及一级降压收集极,经过装配、焊接、排气、磁场调试等过程,得到了D波段连续波放大器样管,并进行了流通率的调试和信号放大的测试。实验测试结果为：电子电压15.4 kV,电子流通率97%时,连续波输出功率7.3 W,中心频率140.2 GHz,增益24.6 dB,3 dB带宽3 GHz。该放大器连续运行稳定,满足工程化要求。     

太赫兹扩展互作用振荡器的矩形耦合腔特性研究

本文选用矩形耦合腔作为太赫兹扩展互作用振荡器(EIO)的慢波结构,鉴于其结构的复杂性,采用等效电路方法计算其色散.详细研究了腔体和耦合槽的电路参数,计算了不同结构尺寸、圆形和矩形电子通道的0.12THz和0.225THz慢波结构的色散特性.并采用专业电磁软件,研究了不同结构参数下的色散特性、耦合阻抗和特征阻抗.通过对色...     

D波段行波管三级降压收集极的设计

效率是行波管(TWT)的重要技术指标,为提高某一0.22 THz折叠波导行波管的效率,需设计多级降压收集极。对注波互作用后的电子注信息进行分析,估算收集极效率最高时的电压设置。利用电磁仿真软件对三级降压收集极电极结构和电压设置进行仿真优化,得到效率大于87.5%,回流电流小于0.328 9 mA的轴对称三级降压收集极;在第二电极入口采用斜口结构进行仿真优化,得到回流电流小于0.075 mA的非轴对称三级降压收集极。结果表明,采用斜口结构可以有效降低0.22 THz行波管多级降压收集极的回流电流。     

THz返波管圆波导梳状慢波结构的研究

该文利用三维电磁仿真软件模拟计算了THz圆波导梳状慢波结构的负1次返波的色散和耦合阻抗。结果证实:在430-570GHz频带内,慢波结构内半径为0.175mm,约为中心频率波长的0.292倍;在760-940GHz的频带内,慢波结构内半径为0.1mm,是中心频率处波长的0.392倍。该结构较大的径向尺寸有利于提高电子注通过率。这种结构负1次返波的耦合阻抗较小,基本上小于1 ,很好解释了现有THz返波管的电子效率小于0.01%的事实。