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。     

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。     

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。     

0.14 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。     

太赫兹折叠波导慢波结构的设计与微加工

从行波管工作的物理特性提出了一种获得折叠波导慢波结构参数的简单方法,给定工作频率和电压,能够获得折叠波导慢波结构的初始参数.设计了D波段的折叠波导结构来验证该方法,对其冷测特性如色散、耦合阻抗进行了分析.仿真结果表明,设计的折叠波导慢波结构在中心频率处具有较平缓的色散关系,在中心频率处耦合阻抗为3.5欧姆.在电子注电压为20.6 kV,电流为15 mA时,27 mm(50个周期)的折叠波导慢波结构在220 GHz具有13.5 dB的增益,3 dB带宽为11 GHz(213~224 GHz).同时讨论了折叠波导慢波结构的微加工工艺,并通过UV-LIGA工艺获得了实验样品.     

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。     

0.14 THz折叠波导行波管的设计与实验

对折叠波导慢波结构进行了研究,对其色散特性和耦合阻抗进行分析,并设计了输能窗和电子光学系统,在此基础上进行了粒子模拟的束波互作用计算。通过设计,对0.14 THz 行波管进行了制管工艺的研究,包括慢波结构的加工和焊接等,完成了热测实验。在电压为16.3 kV,电子流通率为74%条件下,测试得到最大饱和输出功率3.1 W,输出频率140.08 GHz,增益27 dB,最大功率半带宽2.82 GHz。     

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。     

E波段折叠波导行波管集成极靴结构设计及仿真

为进一步提升毫米波折叠波导行波管的输出功率,通过整体加工的工艺方法,将折叠波导慢波结构和周期永磁聚焦系统在母材上同时加工,形成一种集成极靴结构。基于圆形注电子光学系统,设计了E波段折叠波导行波管的集成极靴结构。利用三维电磁场模拟软件(CST)的微波工作室,设计并模拟了慢波结构的冷特性参数,并根据慢波结构尺寸设计周期永磁聚焦系统。通过电磁工作环境仿真软件(OPERA)对磁场进行仿真验证,最终整管粒子数值模拟(PIC)计算结果表明,在61~71 GHz频带内可获得大于1 kW的饱和输出功率。该集成极靴结构在提供强轴向磁场的同时,具有结构紧凑、散热性好等优点。     

曲折双脊槽波导高功率宽频带太赫兹行波管

提出一种改进的曲折槽波导—曲折双脊槽波导提高太赫兹行波管的功率和带宽.针对这种新型慢波结构设计了一种新的传输波导作为输入输出能量耦合器.从高频特性仿真结果可以发现曲折双脊槽波导可以提高耦合阻抗并扩展带宽.此外, 粒子仿真结果表明当电子注加载27.4kV电压和0.25A电流时, 新型曲折双脊槽波导行波管在中心频率340GHz处输出功率能达到65.8W同时对应增益27.21dB.因此, 曲折双脊槽波导行波管可以用作宽带和高功率太赫兹辐射源.     

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。     

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。     

D波段行波管三级降压收集极的设计

效率是行波管(TWT)的重要技术指标,为提高某一0.22 THz折叠波导行波管的效率,需设计多级降压收集极。对注波互作用后的电子注信息进行分析,估算收集极效率最高时的电压设置。利用电磁仿真软件对三级降压收集极电极结构和电压设置进行仿真优化,得到效率大于87.5%,回流电流小于0.328 9 mA的轴对称三级降压收集极;在第二电极入口采用斜口结构进行仿真优化,得到回流电流小于0.075 mA的非轴对称三级降压收集极。结果表明,采用斜口结构可以有效降低0.22 THz行波管多级降压收集极的回流电流。     

Design of a 300 GHz Band TWT with a Folded Waveguide Fabricated by Microelectromechanical Systems

For future broadband wireless links, we have designed a 300 GHz band traveling wave tube (TWT) with a folded waveguide fabricated by microelectromechanical systems (MEMS). The TWT operates at a beam voltage of 12 kV and a beam current of 8.3 mA. The classical large signal simulation code predicts the output power greater than 1 W and gain larger than 20 dB over the bandwidth from 280 to 300 GHz.     

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.     

Experimental Investigation of a Novel Circuit for Millimeter-Wave TWTs

A novel folded waveguide circuit that features thick iron pole pieces with hollow centers was built as part of a periodic-permanent-magnet-focused W-band single-stage test-vehicle traveling-wave tube (TWT). These hollow centers, which comprise part of the slow wave circuit, increase the rms axial field and significantly reduce the unwanted transverse field imbalance. For this TWT, a tetrode gun that creates an ultralaminar 20-kV 0.25-A nominal electron beam was used. It was demonstrated that this gun and magnetic structure can provide greater than 97% beam transmission for peak beam power levels as high as 9.25 kW (25 kV, 0.37 A). The unplated circuit, operating around 91 GHz on the edge of a passband, exhibits between 10 dB and 12 dB gain that compares favorably with results of device modeling utilizing the 3D particle-in-cell code Magic3D. Using a feedback approach to characterize large-signal operation, the tube generated 40 W of regenerative oscillator power. Design-optimized versions of this circuit show promise of enabling W-band TWT amplifiers that provide up to 300 W of peak RF output power