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。     

电子注通道形貌对折叠波导慢波结构的影响

折叠波导结构是一种极具潜力的太赫兹行波管慢波电路.分析了电子注通道形貌对折叠波导高频特性的影响,包括色散特性、耦合阻抗和衰减特性.仿真结果表明,相比于圆形电子注通道,矩形电子注通道的折叠波导结构色散要略微陡一些,损耗也要略微高一些.在中心频率处,矩形电子注通道结构的耦合阻抗比圆形电子注通道结构低0.5Ω左右.皮尔斯小信号理论表明,在中心频率处,矩形电子注通道结构和圆形电子注通道结构的增益速率分别为4.85 dB/cm和5.22 dB/cm,具有相似的3 dB带宽,约为6.3 GHz和7.2 GHz.粒子模拟表明,对于矩形和圆形电子注通道,54 mm(100个周期)的折叠波导慢波结构在220 GHz增益分别为24.42 dB和28.44 dB.     

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。     

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。     

多注太赫兹折叠波导行波管的设计与模拟

为解决太赫兹(THz)行波管工作电流过小、输出功率低等问题,提出了基模多注工作模式的折叠波导行波管(TWT)。首先,获得了基模多注折叠波导色散特性;然后,对基模多注折叠波导的传输特性进行了模拟计算;最后,完成了0.14 THz基模多注折叠波导行波管的注波互作用特性分析。电子注参数为12 m A,15.75 k V时,获得的3 d B带宽为25 GHz(128 GHz~153 GHz),最大增益为33.61 d B,最大峰值功率为23 W;电子注参数为30 m A,15.75 k V时,在0.14 THz处获得了38 d B增益,最大脉冲输出功率为63.1 W。该方法能够有效增大THz行波管的工作电流,提高互作用增益及效率、3 d B带宽、输出功率;在增益相同时,基模多注行波管可以做得更短、更紧凑。     

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。     

0.85 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。     

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。     

Design of Coupling Structure for MMW Folded Waveguide TWTs

A significant advantage of the folded wave traveling wave tube (TWT) is simple coupling structure. In millimeter wave band, owing to higher frequency, linear double taper can be used as impedance transformer. The design method and calculation results for the folded waveguide TWTs in Kα-band are given.     

折叠波导慢波电路的传输特性

研究了新型慢波结构折叠波导慢波电路的传输特性 ,利用等效电路法计算了折叠波导电路的色散特性、耦合阻抗和止带。分析和计算表明 ,该电路很适合用作短厘米波和毫米波大功率行波管的慢波结构。     

改善效率的0.14 THz折叠波导慢波结构设计

在研究0.14 THz折叠波导行波管中,提出一种三段相速跳变的设计,使得电子能够在输出段与行波场发生速度再同步,从而提高了电子工作效率。根据色散公式,找到一种影响相速变化的结构因素。通过优化设计进行大信号程序计算,在电压14.95 kV、工作电流30 mA时,与未采用相速变化的结构相比,140 GHz时功率提高了0.84 W,效率提高了9.13%;在142 GHz时功率提高了0.88 W,效率提高了10.4%;-1 dB带宽由原来的5 GHz提高到7 GHz,扩展了行波管的带宽,提高了电子与波的互作用效率。     

A Tapered Ridge-loaded Folded Waveguide Slow-wave Structure for Millimeter-wave Traveling-wave Tube

This paper presents a tapered ridge-loaded folded waveguide (FWG) slow-wave structure (SWS) for broadband and high power millimeter wave traveling wave tube (TWT). The radio-frequency characteristics including dispersion properties, interaction impedance, S-parameters are analyzed. And based upon these results, the nonlinear large signal performance of the tapered ridge-loaded folded waveguide TWT working in W-band is simulated by 3-D particle-in-cell code. In the same ridge length, the tapered FWG has lower reflection and radio-frequency loss than the normal ridge-loaded FWG. Besides, the tapered ridge-loaded FWG TWT also has higher electron efficiency and larger bandwidth, which is more suitable for millimeter-wave TWT.     

Slow-Wave Characteristics of a Frame–Rod Structure Based on Micro-Fabricated Technology for THz Vacuum Electron Devices

A simple equivalent circuit analysis of the frame–rod slow-wave structure (SWS) on dielectric substrates of a traveling-wave tube (TWT) is developed, using the quasi-TEM approximation approach for the dispersion and coupling impedance characteristics of the structure. Moreover, the obtained complex dispersion equation and coupling impedance are numerically calculated. The calculation results by our theory method agree well with the results obtained by the 3D EM simulation software HFSS. It is shown that the dispersion of the frame–rod circuit is decreased; the phase velocity is reduced and the bandwidth becomes greater, while the coupling impedance decreases after filling the dielectric materials in the frame–rod SWS. In addition, a comparison of slow-wave characteristics of this structure with a rectangular helix counterpart is made. As a planar slow-wave structure, this structure has potential applications in compact TWTs based on the micro-fabrication technology, which could be scaled to millimeter wave, even to THz frequency.     

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。     

Theoretical Study for Folded Waveguide Traveling Wave Tube

A wideband folded waveguide traveling-wave tube (TWT) amplifier has advantages of simpler coupling structures and robust structure over the conventional helix TWT. The phase velocity of waves in folded waveguide is slowed down to the velocity of electron beam. Slow-wave interaction with the electron beam in folded waveguide is studied in a linear fashion. For a cold beam, the linear theory predicts a gain of 2 dB/cm and a bandwidth of 37% at the center frequency of 14 GHz. A closed algebraic dispersion relation for the frequency and the axial phase shift per period is obtained using an equivalent circuit model. Numerical solution calculated from the dispersion relation and three-dimensional electromagnetic code, HFSS simulations predict a mode coalescing in the folded waveguide. And a theoretical phase velocity prediction of the electromagnetic wave in this circuit is verified by HFSS simulations.