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。     

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.     

0.34 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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

0.85 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。     

0.67 THz宽带谐波混频器设计

为研制太赫兹多频段高灵敏度探测仪,依靠太赫兹砷化镓平面肖特基二极管的非线性特性,结合石英薄膜工艺,设计了宽带0.67 THz谐波混频器,并分析了砷化镓平面肖特基二极管性能表征参数指标对太赫兹混频器性能的影响。0.67 THz谐波混频器采用整体综合的设计方法,结合电气仿真软件ADS和电磁仿真软件HFSS,优化电路中不连续性微带与波导之间的电磁空间耦合效率,以混频器的变频损耗为优化目标,最终实现0.67 THz谐波混频器仿真设计。0.62~ 0.72 THz射频范围内,混频器单边带最低变频损耗小于8 dB,本振功率小于4 mW,本振端口与中频端口、射频端口与中频端口之间隔离度大于-30 dB。     

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.     

跳变折叠波导的空间谐波选择性的研究

折叠波导是由传统的规则波导在平面内周期性弯曲而成的,它与其它的慢波系统相比有很多独特的优点.而变周期折叠波导是将折叠波导的周期由固定改为可变而形成的,它在保持了普通折叠波导的诸多优点的基础上,还具有谐波选择、带宽宽的优点.本文以三段周期跳变的折叠波导为研究对象,分析了其空间谐波的情况,并研究了其选择空间谐波的工作原理,最后得出了在该系统中实现谐波选择的条件.     

Parametric Simulation and Optimization of Cold-test Properties for a 220 GHz Broadband Folded Waveguide Traveling-wave Tube

Characterized with full-metal structure, high output power and broad bandwidth, microfabricated folded waveguide is considered as a robust slow-wave structure for millimeter wave traveling-wave tubes. In this paper, cold-test (without considering the real electron beam) properties were studied and optimized by 3D simulation on slow-wave structure, for designing a 220 GHz folded waveguide traveling-wave tube. The parametric analysis on cold-test properties, i.e., phase velocity, beam-wave interaction impedance and cold circuit attenuation, were conducted in half-period circuit with high frequency structure simulator, assisted by analytical model and equivalent circuit model. Through detailed parametric analyses, interference between specified structural parameters is found on determining beam-wave interaction impedance. A discretized matrix optimization for interaction impedance was effectively carried out to overcome the interference. A range of structural parameters with optimized interaction impedance distributions were obtained. Based on the optimized results, a broadband folded waveguide with cold pass-band of about 80 GHz, flat phase velocity dispersion and fairly high interaction impedance was designed for a 220 GHz central frequency traveling-wave tube. A three-dB bandwidth of 20.5 GHz and a maximum gain of 21.2 dB were predicted by small signal analysis for a 28 mm-long lossy circuit.     

一种开敞式脊加载折叠波导慢波电路的高频特性

提出了一种开敞式脊加载折叠波导慢波结构.通过除去直波导段周围的金属边界,形成一种开敞式结构以减弱色散,同时在直波导段加脊以提高耦合阻抗.研究表明,和传统结构相比,新型结构在不影响带宽的前提下,有效提高了耦合阻抗,尤其在大功率设计情况下,耦合阻抗的提高接近1倍.