W波段行波管功率提升研究

行波管为发射机提供放大信号,其输出功率直接决定着系统的作用距离,是系统的核心部件之一。本文从提升电子效率和电子注功率两方面开展研究,以提升W波段行波管输出功率。基于折叠波导互用电路相速跳变设计,研制出8 GHz带宽内输出功率大于250 W的W波段行波管。提出非半圆弯曲折叠波导与相速跳变技术结合的设计方法,使W波段行波管输出功率和电子效率最高分别达到647 W和13.4%。提出一种四端口式高频结构和一种双弧弯曲折叠波导慢波结构,大幅提升了行波管对工作电流的聚焦能力,基于两种新型结构的创新研究,完成了千瓦级W波段行波管设计。     

340 GHz菱形曲折波导慢波结构（英文）

提出并研究了一种菱形曲折波导慢波结构。与传统的矩形曲折波导慢波结构相比,菱形曲折波导慢波结构在相同频带下拥有更大的尺寸,在相同尺寸下拥有更宽的带宽。同时提出了适用于这种慢波结构的输入-输出过渡结构和衰减器。在此基础上,设计了一种用于行波管的340 GHz菱形曲折波导慢波结构,并采用相速负跳变技术提高了其增益。模拟仿真结果表明,在加载电压为15.3 kV,电流为35 mA的圆形电子注的情况下,行波管在343 GHz的输出功率和增益分别达到8 W和33 dB,其3-dB带宽范围为330～348 GHz。     

340 GHz菱形曲折波导慢波结构

提出并研究了一种菱形曲折波导慢波结构。与传统的矩形曲折波导慢波结构相比,菱形曲折波导慢波结构在相同频带下拥有更大的尺寸,在相同尺寸下拥有更宽的带宽。同时提出了适用于这种慢波结构的输入-输出过渡结构和衰减器。在此基础上,设计了一种用于行波管的340 GHz菱形曲折波导慢波结构,并采用相速负跳变技术提高了其增益。模拟仿真结果表明,在加载电压为15.3 kV,电流为35 mA的圆形电子注的情况下,行波管在343 GHz的输出功率和增益分别达到8 W和33 dB,其3 -dB带宽范围为330～348 GHz。     

低电压高效率W波段脉冲行波管设计

行波管具有大功率、高增益等优点,是雷达、电子对抗系统等武器装备的核心电子器件。采用一种新型慢波结构——非半圆弯曲变形折叠波导,设计出低电压、高效率、宽带W波段脉冲行波管,工作电压16 kV,电流125 mA,6 GHz带宽内输出功率大于125 W,增益大于34 dB,电子效率与总效率分别大于6.3%,25.7%。     

耳型折叠波导慢波结构W波段行波管

毫米波行波管具有大功率、宽频带、高增益等特点，广泛用于雷达、高速通信、电子对抗等现代军事装备中。为提高折叠波导耦合阻抗并考虑工程应用性，提出一种耳型折叠波导新型慢波结构。与常规矩形波导相比，工作频带内耦合阻抗提高30%以上，损耗降低10%。研制的耳型折叠波导W波段行波管，在工作电压21.9 kV，电流210 mA，占空比为5%时，10.8 GHz带宽内输出功率大于192 W，峰值功率达278 W，电子效率和增益分别达到6.3%和44.6 dB，行波管工作稳定。     

W 波段行波管的高效率方法

将相速再同步技术引入基于双排矩形梳状慢波结构的W波段行波管中,利用CST 计算了所需不同周期的慢波结 构的色散和偶合阻抗,在此基础上用MTSS 模拟计算了注波互作用。结果证实：对于由两段周期均匀的慢波结构构成的 W波段行波管,在90~98GHz 范围内输出功率为48.92W~56.44W,电子效率为6.04%~6.96%,增益大于49dB;而对于由 7 段周期跳变的慢波结构构成的W波段行波管,在90~98GHz 范围内输出功率为57.06W~98W,电子效率为6.98%~11.99%, 增益大于50dB;两者相比,电子效率提高1%~4%。     

32-40GHz 宽带大功率行波管的研究进展

报道了一种32-40GHz 宽带大功率行波管的研究进展情况。在26.5—40GHz 范围内功率大于60 W,增益大于35 dB。功率最大处电子效率大于15%。     

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。     

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.     

0.85 THz 折叠波导行波管的高频特性与结构参数优化分析

由于折叠波导具有准二维结构、功率容量大、易集成等特点,非常适合在THz 频段推广应用,文中对0.85 THz 折叠波导行波管(FW-TWT)的色散和耦合阻抗特性进行了模拟计算与优化,利用等效电路理论、简化理论与CST 仿真计算的方法。根据折叠波导直波导高度需大于注通道的特点,电子注的直流加速电压必须小于某一值;根据MEMS 加工工艺的允许误差范围,对折叠波导结构各部分的参数进行优化,使该结构的色散较平坦与耦合阻抗较大。计算结果表明:电子注的直流加速电压不超过26 kV;注通道填充比为0.1 时,带宽约400 GHz、相速变化率小于1%时带宽约275 GHz(825~1 100 GHz)。该套方法对THz 折叠波导行波管的设计具有重要意义。     

高效率曲折槽波导毫米波行波管设计、制造和冷测

本文提出一种适用于工作在毫米波段(85～110 GHz)的带状注高效率曲折槽波导毫米波行波管,并进行了参数优化设计、加工制造和冷测实验研究.曲折槽波导首次采用一次改变周期相速跳变技术提高带状注毫米波行波管电子互作用效率.文中加工制造了三种不同周期个数(包含相速跳变和均匀相速两种类型)的曲折槽波导,并进行了S参数测试,其...     

Design of high-efficiency wide-bandwidth coupled-cavitytraveling-wave tube phase velocity tapers with simulated annealingalgorithms

The output circuit section of a traveling-wave tube (TWT) routinely contains an RF phase velocity taper for the purpose of increasing RF output power and efficiency. By slowing the RF phase velocity in approximate synchronism with the decelerating electron beam bunches, the taper increases power transfer from the beam to the RF wave. Recently, the computational optimization technique of simulated annealing was shown to be very effective in the design of an RF phase velocity taper that significantly increased computed RF power and efficiency of a coupled-cavity TWT. In this paper, two new broadband simulated annealing algorithms are presented that optimize (1) minimum saturated efficiency over a frequency bandwidth and (2) simultaneous bandwidth and minimum efficiency over the frequency band with constant input power. The algorithms were incorporated into the NASA 2.5-dimensional (2.5-D) coupled-cavity TWT computer model and used to design optimal phase velocity tapers using a 59-64 GHz coupled-cavity TWT as a baseline model. Compared to the baseline taper design, the computational results of the first broadband algorithm showed an improvement of 73.9% in minimum saturated efficiency. The second broadband algorithm indicates an improvement of 272.7% in minimum RF efficiency with constant input power drive and an increase in simultaneous bandwidth of 0.5 GHz over that calculated for the baseline TWT     

多阳极220 GHz倍频器单片设计

介绍了一款基于GaAs肖特基二极管单片工艺的220 GHz倍频器的设计过程以及测试结果。为提高输出功率,倍频器采用多阳极结构,8个二极管在波导呈镜像对称排列,形成平衡式倍频器结构。采用差异式结电容设计解决了多阳极结构端口散射参数不一致问题,提高了倍频器的转换效率和工作带宽。对设计的倍频器进行流片、装配和测试,测试结果显示：倍频器在204~234 GHz频率范围内,转化效率大于15%;226 GHz峰值频率下实现最大输出功率为90.5 mW,转换效率为22.6%。设计的220 GHz倍频器输出功率高,转化效率高,工作带宽大。     

Design and fabrication of a sub-millimeter multi-beam folded waveguide structure

A novel multi-beam folded waveguide (MBFW) circuit, which can enhance the output power and interaction efficiency of sub-terahertz (THz) traveling wave tube (TWT), is presented in the paper. Operating with fundamental mode and multiple electron beams means that a larger beam current can be used for a higher output power. The characteristics of the MBFW structure are analyzed and optimized. Compared with the single-beam folded waveguide (SBFW) TWT, the output power of the MBFW TWT increases from 3.64 W to 25.45 W at 140 GHz and its electronic efficiency increases from 1.06% to 7.4% under the conditions of an input peak power of 10 mW, a beam voltage of 9.55 kV and a current of 12 mA. The optimized MBFW structure can be successfully fabricated by micro milling, with dimension errors below expectation, and the measured transmission characteristics are in good agreement with the design.     

折叠波导行波管PIC 模拟中的相位分析方法研究

由于非线性计算特别是场相位方面缺乏专门的分析工具及方法,一直难以对折叠波导行波管的电子效率及副特性进行准确分析。通过CST PARTICLE STUDIO的PIC仿真模块,利用行波管注波互作用中的轴向基波电流与轴向基波电场的相位差表征注波相位关系,提出了一种相位分析方法。通过比较V波段折叠波导行波管单跳变周期结构与均匀周期结构的注波互作用模拟结果,揭示了注波互作用中相位聚焦的物理机理,优化后电子效率提高了5.13%,验证了PIC模拟中相位分析方法的合理性。     

Parametric Simulation and Optimization of Cold-test Properties for a 220 GHz Broadband Folded Waveguide Traveling-wave Tube

Characterized with full-metal structure, high output power and broad bandwidth, microfabricated folded waveguide is considered as a robust slow-wave structure for millimeter wave traveling-wave tubes. In this paper, cold-test (without considering the real electron beam) properties were studied and optimized by 3D simulation on slow-wave structure, for designing a 220 GHz folded waveguide traveling-wave tube. The parametric analysis on cold-test properties, i.e., phase velocity, beam-wave interaction impedance and cold circuit attenuation, were conducted in half-period circuit with high frequency structure simulator, assisted by analytical model and equivalent circuit model. Through detailed parametric analyses, interference between specified structural parameters is found on determining beam-wave interaction impedance. A discretized matrix optimization for interaction impedance was effectively carried out to overcome the interference. A range of structural parameters with optimized interaction impedance distributions were obtained. Based on the optimized results, a broadband folded waveguide with cold pass-band of about 80 GHz, flat phase velocity dispersion and fairly high interaction impedance was designed for a 220 GHz central frequency traveling-wave tube. A three-dB bandwidth of 20.5 GHz and a maximum gain of 21.2 dB were predicted by small signal analysis for a 28 mm-long lossy circuit.     

E波段折叠矩形槽波导行波管的研究

分析了一种适用于E波段81~86 GHz空间行波管的新型慢波结构——折叠矩形槽波导.折叠矩形槽波导来源于传统的矩形槽波导,将E面沿其纵向来回弯曲而形成.利用电磁场仿真软件Ansoft HFSS设计优化并最终确定了E波段折叠矩形槽波导的关键几何尺寸.同时,模拟仿真出了折叠矩形槽波导在中心频率f=83.5 GHz处的耦合阻抗沿x和y方向上的变化趋势,得出其可通过加载带状电子注获得更高的平均耦合阻抗.利用CST粒子工作室模拟得出:折叠矩形槽波导行波管在中心频点83.5 GHz处输出功率为210 W,电子效率达到8.05%.     

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。     

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％.     

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。