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。     

345 GHz微折叠波导慢波结构参数分析

借助微机电加工技术(MEMS技术)研制的微折叠波导行波管(FWG-TWT)太赫兹辐射源,具有紧凑、小型、宽带以及高功率的特点。本文对345 GHz微电真空折叠波导慢波结构进行了结构参数的规律分析和初步优化设计。基于小信号理论设计的慢波结构的初步结构参数,采用三维PIC软件仿真并优化,研究了电子参数、几何结构参数、磁场参数与增益之间的关系,对折叠波导慢波结构的设计具有一定的参考意义。     

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。     

THz交错波导慢波结构高频损耗研究

利用等效电导率方法对310 GHz的双栅交错波导慢波结构中电磁信号的传输损耗进行了仿真研究,比较了不同导体表面粗糙度和不同谐波造成的高频损耗的影响。仿真结果表明表面粗糙度会使传输信号严重衰减,频率相同的-1和+1次空间谐波传输损耗也有较大差异,传输-1次空间谐波时的导体单位损耗更大,且随表面粗糙度增加,损耗增加速度更快。模拟了不同的粗糙度对慢波结构增益、带宽等工作性能参数的影响,结果显示高频损耗会使增益下降、带宽降低。     

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.     

折叠波导结构的THz振荡辐射源研究

 以折叠波导为基本结构的真空电子器件,具有大功率、宽频带和制造成本低的优点,本文通过深入研究折叠波导振荡器的冷腔结构、色散方程和耦合阻抗,给出了可以产生THz的折叠波导振荡器的基本结构.并利用三维PIC粒子模拟软件进行了三维模拟计算,结果显示,在输入电子注电压为20.6kV,电流为0.12A,磁场为3000高斯时,可得到频率为0.1THz,平均输出功率174W,互作用效率大于7%.     

0.22 THz折叠波导慢波结构微细WEDM加工技术

0.22 THz 折叠波导慢波结构具有尺寸小,刚度低,精确度与表面光洁度要求高,结构复杂的特点。若采用微数控铣削加工方式,加工产生的应力易造成零件变形。微细电火花线切割加工技术为无刚性电蚀加工,非常适合慢波结构的微细加工。本文从微能脉冲电源、微细电极丝、表面质量、表面残余应力等方面,介绍了0.22 THz 折叠波导慢波结构微电火花线切割加工技术,实践证明：采用微电火花线切割加工工艺加工出的0.22 THz 折叠波导慢波结构,经测试满足了设计要求。     

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。     

0.14 THz折叠波导行波管慢波结构设计与加工

使用一种显式方法对0.14 THz折叠波导行波管慢波结构进行了快速设计,并通过解析模型、等效电路模型以及电磁场仿真软件(CST MWS)对结构的色散关系和耦合阻抗进行了计算。计算结果表明,0.14 THz附近的色散较为平坦,耦合阻抗在1Ω左右。为了满足大功率输出需求,对初始结构尺寸进行了部分调整。CST PS互作用模拟结果表明,在0.14 THz附近,输出功率大于1 W。用微电火花(EDM)和微铣削方法分别进行了加工实验,结果表明,两种方法在尺寸精确度上均能满足指标要求,微铣削加工能获得更平整、表面粗糙度更好的槽底。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

返波激励的级联折叠波导行波放大器

利用折叠波导返波振荡器(FW-BWO)作为激励源,用于激励工作频率为216 GHz的折叠波导行波放大器.利用3D-Magic进行仿真实验,通过仿真优化,最终得到96 W的输出功率,整个电路的长度被设计为只有1 cm左右.通过该方法,显著地缩短了高频结构长度,有利于实现小型化的真空电子学太赫兹源,对集成化的太赫兹源设计具有重要的参考价值.