毫米波扩展互作用器件

扩展互作用器件是一种采用慢波谐振系统作为高频互作用电路的真空电子器件,是目前能够在毫米波亚毫米波段提供大功率输出的重要器件之一。本文给出了目前国内外毫米波亚毫米波段扩展互作用器件（EIK和EIO）技术的发展情况,并介绍了扩展互作用器件在毫米波亚毫米波段的技术特点和最新研究趋势。     

毫米波/太赫兹扩展互作用速调管放大器的应用及研究进展

作者对毫米波与太赫兹频段的扩展互作用速调管放大器的应用需求和发展现状进行了详细的调研,介绍了该器件在空间探测、主动拒止、生物医学等研究领域的应用,说明了该器件在毫米波及太赫兹技术研究中的科学价值和良好的应用前景;同时,作者对该器件的发展趋势、主要技术难点和遇到的挑战进行了分析.     

8 mm径向扩展互作用振荡器

提出并研究了一种具有结构紧凑、散热性好、输出功率大等特点的新型扩展互作用结构——径向扩展互作用振荡器(EIO),并推导了小信号理论.利用电磁仿真软件分析了径向EIO高频结构中的谐振特性与场分布,并采用三维粒子模拟软件开展了注波互作用研究.研究结果表明在工作电压为5 k V,电流为8.48 A时,所设计的径向EIO输出功率达到2.6 k W,热腔工作频率为30.011 GHz,效率为6.1%.     

基于CMOS工艺的太赫兹振荡器

在太赫兹频段,无源器件电容电感的品质因数低、电路的寄生参数以及MOS管的截止频率影响使太赫兹振荡器电路难以实现高功率输出。提出一种300 GHz可调谐振荡器,首先,采用改进的交叉耦合双推(Push-Push)振荡器结构,通过输出功率叠加的方法输出二次谐波300 GHz信号,增加了振荡器的输出功率并突破了MOS管截止频率,并通过增加栅极互连电感增加输出功率。其次,太赫兹振荡器摒弃传统片上可变电容调谐的方式,通过调节MOS管衬底电压改变MOS管的栅极寄生电容实现频率调谐,避免太赫兹频段引入低Q值电容,进一步增加了输出功率。提出的太赫兹振荡器采用台积电40 nm CMOS工艺,基波工作频率为154.5 GHz,输出二次谐波为 309.0 GHz,输出功率可达-3.0 dBm,相位噪声为-79.5 dBc/Hz@1 MHz,功耗为28.6 mW,频率调谐范围为303.5~315.4 GHz。     

表面出射太赫兹波参量振荡器的设计与增强输出

利用一台多纵模调Q Nd：YAG激光器泵浦的浅表垂直发射太赫兹波参量振荡器参量产生了高功率可调谐太赫兹波辐射。推导了非共线相位匹配条件下的有效参量增益长度以优化太赫兹波参量振荡器参数。实验测得太赫兹波的调谐范围为0.77~2.83 THz。当泵浦功率密度为222.3 MW/cm2时,在1.78 THz处太赫兹波的最大输出能量为347.8 nJ/pulse,对应的能量转化效率为3.9110-6。太赫兹波在垂直方向上的远场发散角为0.020 4 rad,在水平方向上为0.006 8 rad。     

等离子填充扩展互作用振荡器研究

对等离子体填充扩展互作用振荡器进行了研究,通过CST软件研究了填充不同密度等离子体对Ka波段矩形耦合腔扩展互作用振荡器高频特性的影响,得到了通过改变等离子体密度与工作电压实现调节扩展互作用振荡器工作频率的方案.利用CST粒子工作室对其进行了粒子模拟分析,结果表明通过电子束电压和等离子体密度的共同调节,可使Ka波段扩展互作用振荡器实现34.14～37.99 GHz的调谐.     

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。     

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...     

太赫兹返波振荡器的应用及研究进展

太赫兹返波振荡器是一种功率高、宽带可调谐、可在常温下连续波工作的辐射源。本文介绍了太赫兹返波振荡器在太赫兹技术研究中的应用需求及其发展现状,说明返波振荡器在太赫兹技术研究中的重要作用和前景,并对太赫兹返波振荡器的最新动态、技术难点进行了分析,可供该种管型研究的参考。     

一种超低电压宽带调谐太赫兹回旋管互作用结构

低电压频率可调太赫兹回旋管在生物医学和波谱学等领域具有重要应用。文章分析了超低电压(<1 kV)下采用传统开放腔互作用电路的330 GHz 回旋管输出功率和频率调谐特性,探讨了超低电压下由于电子相对论效应减弱而导致的回旋管中电子注-波互作用耦合强度降低的问题。在此基础上,针对330 GHz 超低电压回旋管提出了一种改进的互作用电路结构,其下倾式尾端结构有助于增大反向波幅度,提高弱相对论电子注与电磁波之间的耦合强度,从而提高回旋管的输出效率及频率调谐带宽。非线性模拟结果表明,在低至0.3 kV 的超低电压下,采用此种互作用电路结构仍可获得大于1 W 的连续波输出功率及22 GHz 的连续调谐带宽,峰值输出效率大于7%。     

0.1THz扩展互作用谐振腔的研究

设计和研究了一种简单结构的THz波段扩展互作用谐振腔,应用CST等计算软件对其结构进行了冷腔设计,分析了其结构中的工作模式,得到了色散关系,并对其进行了优化。然后用粒子模拟软件进行模拟仿真,结果显示,在工作电压为14kV,电流密度为100A/cm2的激励下,电子注与腔中的TM110模进行互作用,工作频率为109.848GHz,最终得到输出功率为210W,效率约为7.1%的太赫兹波。     

Study of An Extended Interaction Oscillator with A Rectangular Reentrance Coupled-cavity in Terahertz Region

An extended interaction oscillator (EIO) generating Terahertz (THz) wave is presented by theoretical study and simulation study in this paper. A rectangular reentrant coupled-cavity is proposed as its slow-wave structure (SWS). The equivalent circuit method (ECM) is adopted to calculate the dispersion relation and circuit parameters of the SWS. The beam-wave interaction of the EIO is theoretically studied in detail, including the beam loading conductance, the conversion efficiency and the optimal gap number. The dependence is investigated of the beam loading conductance and the conversion efficiency on the gap number and the beam velocity. Some properties of the cold circuit are simulated by CST software, including the dispersion relation and the filed distribution. These simulation results agree well with those of ECM. The operating mode of EIO is chosen very close to the βL = 2π point with corresponding frequency about 0.225 THz, when the beam voltage is 13 kV, the current 105 mA, the cavity was designed with the period 0.3 mm, 14-gap, the height 1.6 mm and the width 0.76 mm . Simulation results of beam-wave interaction with PIC codes show that the excited frequency is 0.225 THz and peak output power 44 W.     

太赫兹应用分析和展望

以6G需求为抓手引入了太赫兹技术,介绍了太赫兹的研究背景和国内外研究现状。之后结合太赫兹的频谱范围,对太赫兹频段和毫米波以及红外光进行了详细对比分析,发现了太赫兹特有的一些频谱特性,包括宽带性、低能性、电磁特性和特征谱等,并进一步挖掘基于这些频谱特性的应用,研究表明,太赫兹未来可应用于军事、医疗、检测和通信等诸多领域,对于仍存在的挑战和瓶颈,中国联通将联合产业界一同推动解决,最大化发挥太赫兹应用潜力。     

太赫兹成像系统的分析与控制

太赫兹波能穿透许多物质,相对于可见光和X射线,其具有非常强的互补特征;它的光子能量极低,且没有X射线的电离性质,因此太赫兹成像技术的应用前景非常广阔。在太赫兹成像系统中,系统参数的合理选择,软件部分的合适控制,对系统的成像结果有着至关重要的作用。从调试过程中得到的图像来看,不合适的处理如斩波器、锁相放大器参数选择不当等,将会导致两行之间错位、信噪比不高,以至于图像失真,甚至无法辨认。对出现这种错位现象的原因进行了研究,在硬件参数选择和软件两个层次,对导致该现象的系统偏差进行控制、补偿和消除,最后给出成像结果。扫描成像结果表明,搭建了稳定合适的光路,选择了适当的仪器参数,在软件上控制了偏差,通过实验和测试,系统达到了较好的成像效果。     

0.22 THz回旋管渐变输出结构的设计和分析

从渐变波导耦合波方程出发,设计了0.22 THz回旋管两种渐变输出结构,上升余弦和Dolph-Chebychev渐变波导过渡器;三维电磁仿真软件HFSS对这两种波导数值模拟验证的结果表明:两种渐变波导都符合设计要求,但是改进的Dol—ph-Chebychev渐变波导要比上升余弦渐变波导短,从而得到作为传输TE_(03)模回旋管输出段的最优波导过度器。     

Design of Sheet-Beam Electron Gun with Planar Cathode for Terahertz Devices

The design of a sheet-beam electron gun with planar cathode was made with the help of a three-dimensional electrostatic field solver that was capable of forming a sheet-beam of 19 mA at 12 kV. It uses one-dimensional three-fold beam cross-sectional area compression meets the specific requirement of a beam to be formed of height 30 μm and width 600 μm at the beam–waist position with over 100 A/cm² uniform current density and 0.068 π-mm-mrad emittance, typically, for 0.5 THz devices. A novel beam focusing electrode (BFE) provided with extended-corner rectangular-aperture geometry alleviating the commonly encountered sheet-beam formation problem with a gun that uses a conventional BFE, as well as it reduced beam emittance more than 50%. The practicability of the design was tested by the high-voltage, the thermal and structural analyses. Work has been initiated to test the performance of special high current scandate cathode using anode-aperture mapping.     

An Improved Global Shutter Pixel with Extended Output Range and Linearity of Compensation for CMOS Image Sensor

An improved global shutter pixel structure with extended output range and linearity of compensation is proposed for CMOS image sensor. The potential switching of the sample and hold capacitor bottom plate outside the array is used to solve the problem of the serious swing limitation, which will attenuate the dynamic range of the image sensor. The non-linear problem caused by the substrate bias effect in the output process of the pixel source follower is solved by using the mirror FD point negative feedback self-establishment technology outside the array. The approach proposed in this paper has been verified in a global shutter CMOS image sensor with a scale of 1024×1024 pixels. The test results show that the output range is expanded from 0.95V to 2V, and the error introduced by the nonlinearity is sharply reduced from 280mV to 0.3mV. Most importantly, the output range expansion circuit does not increase the additional pixel area and the power consumption. The power consumption of linearity correction circuit is only 23.1μW, accounting for less than 0.01％ of the whole chip power consumption.     

一种高频高精度窗口比较式CMOS振荡器的设计

研究并设计了一种用于彩屏手机TFT-LCD驱动控制芯片的高性能内置CMOS振荡电路。该振荡电路采用窗口比较(Window-Comparator)形式,利用以高灵敏度比较器为核心的开关控制电路,并配合恒流源充放电技术,实现了低电压供电、高频高精度的矩形波振荡电路。振荡器的设计振荡频率为500 kHz,采用0.25μm CMOS工艺实现。HSPICE仿真结果表明,振荡频率精度在±1.68%以内。     

宽带行波管高频结构和互作用区的设计和实现

计算机辅助设计对行波管的设计非常重要。本文首先利用微波管模拟器套件（MTSS）软件的高频电路模拟器模块计算得到行波管慢波结构的色散、耦合阻抗、衰减常数高频参数,然后运用其注波互作用模拟器模块仿真得到行波管输出功率,最后将仿真结果与样管实测功率进行比较,从而验证了MTSS软件的可靠性。