毫米波脊加载开放式矩形栅慢波系统的研究

提出了一种新型慢波结构—脊加载开放式矩形栅慢波系统。作为一种全金属慢波结构,脊加载开放式矩形栅适用于高功率宽频带的行波管的互作用慢波结构。利用脊相邻面的阶跃条件以及互作用区和加载区的场匹配条件和单模近似法,推导了该结构的色散方程和耦合阻抗表达式。同时,采用软件模拟验证理论分析的正确性,并分析了结构参数对慢波结构慢波特性的影响。数值计算结果表明:在槽深一定的情况下,加载脊可以非常显著地改善该结构的慢波特性,通过优化开放式矩形栅的脊的宽度和厚度等参数来兼顾色散和输出功率等不同设计要求。本文的脊加载开放式矩形栅慢波结构理论研究可以作为高功率行波管设计的理论基础。     

三级级联光子晶体曲折波导慢波系统的研究

基于三级级联模式,通过在漂移段采用切断方式、在预群聚段和辐射段采用光子晶体加载所需模式,利用CST对太赫兹波段光子晶体曲折波导慢波结构的高频特性作了模拟计算。计算结果表明:在f=225 GHz处,光子晶体加载曲折波导慢波结构有较平缓的色散关系,耦合阻抗为3.7Ω;当工作电压为13 kV、电流为56 mA、电子注半径为0.09 mm时,慢波结构在输入功率为5 mW情况下在f=225 GHz处具有30.4 d B的增益;与相同条件下的普通曲折波导慢波结构相比,频带显著变宽,输出功率增大1.4倍。     

慢波结构加工精度对太赫兹表面波振荡器的性能影响

随着频率的升高,慢波真空电子器件中慢波结构的尺寸迅速缩小。为给太赫兹波段器件的设计和加工提供指导,研究了慢波结构加工精度对0.34 THz过模表面波振荡器的性能影响。采用小信号理论和自行研制的全电磁粒子模拟软件UNIPIC,模拟分析了矩形波纹慢波结构的周期、深度和宽度等参数在设计值附近变化时,热腔色散曲线和输出脉冲的频率、功率、起振时间及脉宽等关键参数的变化。结果表明:器件工作点对慢波结构的尺寸精度比较敏感,使得输出太赫兹脉冲的特征产生较大波动;10%的深度和周期公差将导致器件没有输出,宽度则容许近20%的加工公差。最后采用微细电火花工艺给出了不锈钢慢波结构的加工实例,并讨论了提高慢波结构加工精度的方法。     

采用光子晶体的行波管慢波结构高频特性研究

提出了一种采用光子晶体作为行波管慢波结构屏蔽筒的新方案,论证了方案的可行性,并进行了模式分析。在充分研究光子晶体禁带特性的基础上,计算了光子晶体慢波结构的色散特性和耦合阻抗,对计算结果的分析表明,光子晶体在行波管慢波结构中起到了定向选模的作用,为行波管实现高次模式工作奠定了基础。     

Ka波段金属光子带隙慢波结构的特性分析

本文研究了由金属光子带隙结构以及金属膜片构建的Ka波段慢波结构的色散特性、工作模式的电场及耦合阻抗.结果表明,采用PBG缺陷结构的平均半径作为封闭边界代替PBG慢波结构的开放边界,从而由色散方程快速得到色散特性,数值计算的结果与模拟及实验结果基本一致;进一步研究表明,工作模式的电场以及耦合阻抗主要分布在慢波结构表面附近.     

基于电子注嵌入光栅的0.55 THz返波振荡器的结构设计与注波互作用的分析

根据矩形栅慢波结构的色散公式初步确定各结构参数, 并分析了各结构参数的变化对色散曲线的影响, 用CST微波工作室仿真, 计算并对比分析嵌入与未嵌入圆形电子注的高频特性的变化趋势, 得出前者对应的色散曲线和耦合阻抗曲线要大于后者的结论。利用CST粒子工作室进行注波互作用模拟, 权衡起振时间和输出功率关系, 确定整管的仿真长度。研究了电子注嵌入深度、填充比、电流大小对输出功率的影响, 优化结构参数, 最终得到14. 6 W的稳定输出功率, 与Magic计算出的结果相吻合。     

面向太赫兹真空电子器件应用的基于微加工技术的矩形环-杆结构慢波特性研究

提出了一种基于微加工技术的行波管矩形环-杆慢波结构的简便等效电路分析方法,采用准-TEM近似方法得出了其色散方程和耦合阻抗表达式,并数值计算了复色散方程和耦合阻抗。理论计算结果和3D电磁仿真软件HFSS的结果吻合得很好。数值计算结果表明:结合介质基底后,慢波结构的色散变弱,相速降低,带宽变宽,耦合阻抗却在降低。最后,通过和对应的矩形螺旋线慢波结构进行了比较,得出了该慢波结构高增益和高功率的特性。作为一种平面结构,矩形环-杆慢波结构可以结合微加工技术并应用到毫米波甚至THz波段的紧凑行波管领域。     

太赫兹波段塑料光子晶体光纤的特性分析

本文利用有限元法对太赫兹波在塑料光子晶体光纤中的传输特性进行了模拟,分析了光纤结构与基模有效折射率、波导色散、基模有效面积的关系,给出了本文设计结构下,塑料光子晶体光纤的传输特性随空气孔径、孔间距等参数变化的规律。     

多注耦合腔慢波结构冷测特性研究

对多注耦合腔慢波结构的色散和耦合阻抗特性参数的计算分析方法进行了讨论,特别是边注耦合阻抗的模拟算法.利用准周期边界条件计算了Ku波段五注耦合腔慢波结构色散特性,直接通过定义式得到了-1次谐波纵向电场分布和5个电子注的耦合阻抗曲线.比较了垂直于电子注传播方向截面上x、y坐标轴上电场Ez的分布,以及各电子注耦合阻抗的差别与变化趋势,分析讨论了多注电子耦合阻抗的特点,对实际多注耦合腔行波管设计有一定指导意义.     

休斯型耦合腔慢波结构正向设计初步研究

针对高效率耦合腔行波管提出一种正向设计的初步方法,可根据设计指标对其慢波结构进行快速的定量设计.其设计思想是在满足带宽内的注波互作用同步条件的基础上,尽可能提高总阻抗.为此提出“带宽相速差之比”参量来描述带宽与同步的关系,并以此参量和Curnow等效电路模型分析了休斯型耦合腔慢波结构的各个参量变化对带宽和总阻抗的影响情况,从而建立慢波结构的正向设计过程;使用这种设计方法,针对给定的Ka波段的耦合腔行波管参数指标进行快速设计,设计结果基本满足指标要求.     

矩形螺旋线慢波电路高频特性的数值分析

介绍了用ANSOFT公司提供的HFSS 10.0软件模拟计算色散特性和耦合阻抗的理论方法,并对矩形螺旋线慢波结构的高频特性进行了数值模拟.结果表明:和传统的圆螺旋线结构相比,矩形结构具有更高的耦合阻抗,能有效减小器件体积;在横截面厚度和螺旋角一定的情况下,当矩形螺旋线的宽高比大于4时,相速几乎不变,但是耦合阻抗随着宽度的增加而下降;同时螺旋角的减小可以降低系统的相速,减小工作电压.由于可利用微电子机械系统(MEMS)印制技术制作,具有可与带状电子束作用,提高效率等优点,矩形螺旋线在紧凑型行波管(TWT)领域有广阔的应用前景.     

盘荷波导结构高频特性分析及其在高功率速调管中的应用

以周期边界法、谐振法以及微扰法分别对盘荷波导结构色散特性、耦合阻抗进行分析,研究了不同结构参数下盘荷波导结构高频特性的变化规律.设计了C波段π/2模速调管盘荷波导输出结构,对其注-波互作用开展了PIC粒子模拟.计算结果表明,相对于传统单间隙圆柱输出腔,盘荷波导输出结构可以在获得高效率的同时显著降低输出间隙场强.     

应用MAFIA软件改进行波管性能姚

本文介绍了一种通过CAD分析方法提高行波管性能的实例,用计算机模拟仿真行波管慢波结构的冷特性参数,利用MAFIA软件的准周期边界条件模拟计算行波管慢波系统的色散和耦合阻抗.通过改变不同结构参数的模型分析,最终得到一种最优化的尺寸模型,并结合实际制管验证比较,提高了行波管的性能,缩短了改进周期.     

应用MAFIA软件改进行波管性能

本文介绍了一种通过CAD分析方法提高行波管性能的实例,用计算机模拟仿真行波管慢波结构的冷特性参数,利用MAFIA软件的准周期边界条件模拟计算行波管慢波系统的色散和耦合阻抗。通过改变不同结构参数的模型分析,最终得到一种最优化的尺寸模型,并结合实际制管验证比较,提高了行波管的性能,缩短了改进周期。     

用参量法通过LiNbO3晶体产生太赫兹的理论设计

按照参量振荡器的基本原理,从理论上设计了一个太赫兹参量振荡器。根据动量守恒、能量守恒条件以及相位匹配条件,应用铌酸锂(LiNbO3)晶体,给出了理论设计过程。画出了频率在太赫兹波段,波长与折射率的关系曲线,分析了太赫兹参量振荡器的非共线相位匹配条件,确定了晶体形状及其切割角、输出太赫兹波的可调谐范围,并画出了晶体为铌酸锂时相应的曲线,根据有效的输出功率,最后设计出最佳的太参量振荡器的结构。     

折叠波导高频结构UV-LIGA技术研究

真空电子器件的频率越来越高,作为核心部件的折叠波导慢波结构由于具有独特的优点,在真空器件中必将得到广泛的应用。由于真空器件的尺寸与波长具有共渡性,频率越高,互作用结构的尺度越小,加工误差的要求越来越严格。传统的加工方法很难实现如此微小尺寸的结构,而UV-LIGA技术对于制造这种微型结构是一种很有前途的方法。本文以220GHz折叠波导为研究对象,在中科院电子所行波管设计、计算和仿真模拟软件IESTWT1.0平台上,进行了设计和仿真,对高频慢波结构的相关参数进行了优化,并开展了基于SU8厚胶采用嵌丝式UV-LIGA工艺制备折叠波导互作用结构的工艺实验,主要包括无氧铜WAFER制备、大厚度SU8胶匀胶工艺、光刻工艺、嵌丝工艺、电铸以及去胶工艺等参数的摸索。结果表明采用基于SU8系列光刻胶的UV-LIGA方法可以实现折叠波导慢波结构的制备。     

220 GHz三注折叠波导慢波电路的设计与仿真

本文设计了220 GHz三注折叠波导慢波电路,并对其放大特性进行了分析。利用等效电路法对慢波电路结构色散特性与轴向耦合阻抗进行了计算,并通过三维高频仿真软件HFSS进行了模拟验证。利用三维电磁仿真软件CST-PS的PIC求解器对该慢波结构的三维大信号的注波互作用进行了粒子仿真,结果表明:在工作中心频率为220 GHz时,三注折叠波导慢波电路输出功率达到49.7 W,增益达到了37.05 dB,3 dB带宽为13 GHz(212~225 GHz)。最后分析了边缘电子注的注电压和注电流的减小对该结构放大性的影响。     

太赫兹在塑料光子晶体光纤中的传输特性的数值模拟

本文利用有限元法对太赫兹在塑料光子晶体光纤的传输特性进行了模拟,分析了光纤结构参数变化（孔径d大小改变,孔间距A不变,）对人赫兹传输特性如：有效折射率、损耗、有效膜面积、数值孔径的影响。     

基于结构性改变的光子晶体光纤光栅研究

利用多极法结合耦合模理论对一种基于结构性改变的光子晶体光纤光栅进行了研究,建立了其结构模型,理论分析了此种成栅工艺原理.计算了七层三角形对称排布空气孔包层有效折射率随波长变化情况,比较了不同光子晶体光纤结构成栅效果的差异.研究结果表明,光子晶体光纤包层中空气孔周期性塌缩可以形成光栅,空气孔排布层数,空气孔占空比、空气孔塌缩层数和塌缩程度等参数对光子晶体光纤光栅的传输特性有重要影响,得出了谐振波长和谐振带宽与上述参数之间的变化关系,并给出这种变化关系的解释.     

硅材料的太赫兹波频域特性分析

对不同电阻率的N型硅材料(电阻率从5~100Ω.cm)在太赫兹波波段的折射率、消光系数和吸收系数等特性参数,利用返波振荡器(BWO)太赫兹波系统进行了测试、计算和分析,得到N型硅在0.23 THz到0.375 THz频段范围内的光学特性.表明在这一波段N型硅的太赫兹波吸收系数随着电阻率的增加而减小,吸收系数最小值可达到3.39×10-4cm-1.分析表明,它将是潜在的太赫兹波波导的最佳候选材料.