毫米波及太赫兹行波管的功率提高方法评述

短毫米波及太赫兹行波管具有宽频宽、大功率、高效率等优点,在高分辨成像、高速通信、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。分析和评述了国内外研究单位的研制水平,以及作者近年来研发的行波管,频率覆盖E波段、W波段、G波段和Y波段等多个频段。为进一步提升毫米波及太赫兹行波管输出功率,在新型折叠波导慢波结构、相速再同步技术、周期聚焦磁场(PCM)聚焦带状电子注、多注集成等方向开展了分析与实验研究,为器件的性能提升和应用推进提供技术支持。     

340 GHz菱形曲折波导慢波结构

提出并研究了一种菱形曲折波导慢波结构.与传统的矩形曲折波导慢波结构相比,菱形曲折波导慢波结构在相同频带下拥有更大的尺寸,在相同尺寸下拥有更宽的带宽.同时提出了适用于这种慢波结构的输入-输出过渡结构和衰减器.在此基础上,设计了一种用于行波管的340 GHz菱形曲折波导慢波结构,并采用相速负跳变技术提高了其增益.模拟仿真结...     

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.     

曲折双脊槽波导高功率宽频带太赫兹行波管（英文）

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.     

340 GHz菱形曲折波导慢波结构（英文）

提出并研究了一种菱形曲折波导慢波结构。与传统的矩形曲折波导慢波结构相比,菱形曲折波导慢波结构在相同频带下拥有更大的尺寸,在相同尺寸下拥有更宽的带宽。同时提出了适用于这种慢波结构的输入-输出过渡结构和衰减器。在此基础上,设计了一种用于行波管的340 GHz菱形曲折波导慢波结构,并采用相速负跳变技术提高了其增益。模拟仿真结果表明,在加载电压为15.3 kV,电流为35 mA的圆形电子注的情况下,行波管在343 GHz的输出功率和增益分别达到8 W和33 dB,其3-dB带宽范围为330～348 GHz。     

曲折矩形槽波导慢波系统的高频特性

对曲折矩形槽波导新型慢波系统的高频特性进行了研究，通过理论分析和数值计算，得到了它的色散曲线和耦合阻抗，并分析了结构参数变化时对色散特性和耦合阻抗的影响。曲折矩形槽波导结合了曲折波导散热能力强、色散特性好、容易加工和矩形槽波导单模工作、低损耗、大尺寸等优点，因此这种新型的慢波系统有可能在毫米波及亚毫米波段的行波管中具有较好的发展前景。     

W波段行波管功率提升研究

行波管为发射机提供放大信号,其输出功率直接决定着系统的作用距离,是系统的核心部件之一。本文从提升电子效率和电子注功率两方面开展研究,以提升W波段行波管输出功率。基于折叠波导互用电路相速跳变设计,研制出8 GHz带宽内输出功率大于250 W的W波段行波管。提出非半圆弯曲折叠波导与相速跳变技术结合的设计方法,使W波段行波管输出功率和电子效率最高分别达到647 W和13.4%。提出一种四端口式高频结构和一种双弧弯曲折叠波导慢波结构,大幅提升了行波管对工作电流的聚焦能力,基于两种新型结构的创新研究,完成了千瓦级W波段行波管设计。     

W波段V型曲折矩形槽波导行波管的模拟研究

分析了一种新型慢波线-V型曲折矩形槽波导慢波结构,利用电磁仿真软件CST及HFSS对其高频特性进行了模拟计算,并在此基础上设计了工作在W波段的V型曲折矩形槽波导行波管的互作用结构.利用CST粒子工作室对其注-波互作用特性进行了模拟分析.结果表明:W波段V型曲折矩形槽波导行波管能够有效放大微波信号,且频谱纯净.     

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。     

适用于Ka波段圆形电子注行波管的半圆形卷绕微带线慢波结构

提出了一种基于开槽介质基底的卷绕微带线慢波结构.由于金属曲折微带线印制在介质基底的半圆形槽中,这种卷绕微带线慢波结构非常适合圆形电子注行波管,从而使得采用这种新型慢波结构的行波管可以利用传统的周期永磁磁场进行聚焦.文章对提出的卷绕微带线慢波结构的色散特性,耦合阻抗,传输特性及注-波互作用进行了分析.和传统的平面微带线慢波结构相比,提出的卷绕微带线慢波结构具有更低的相速、更弱的色散和更高的耦合阻抗,从而使得其适合于低电压、宽频带、小型化的毫米波行波管.将同步电压及直流电流分别设置为6 550 V及0.1 A的情况下,基于该卷绕微带线慢波结构的Ka波段行波管在35 GHz处能够输出42.32 W的功率,对应增益为26.26 dB,且均匀聚焦磁场只需0.4 T.     

E波段连续波空间行波管研制进展

针对高波段空间行波管的卫星通信应用需求,介绍了E波段连续波空间行波管的研制情况。该行波管通过进一步优化折叠波导慢波结构参数和调整周期跳变方案,实现改善带内增益波动性、提高效率的目的。研制出的样管在14.7 kV、74 mA条件下,实现电子注动态流通率高于98%,在71~76 GHz范围内,输出功率大于85 W,总效率大于37%,增益大于40 dB。     

Study on Ka-Band Sheet Beam Traveling Wave Tube Focused by Closed PCM

This paper reports a Ka-band sheet beam traveling wave tube (TWT) focused by a 0.2 T closed periodic cusped magnet (PCM) system. The TWT with one section of staggered double-vane slow-wave structure (SWS) is driven by a 0.8-A sheet beam with rectangular cross-sectional area of 3.2 mm?×?0.6 mm. This sheet beam TWT can produce 100 W output power, and the 3 dB band is 33–38.5 GHz. In order to improve the output power, an optimized sheet beam TWT with two sections of SWSs focused by a novel closed PCM system is proposed. The new closed PCM system is with annular magnetic blocks and can be fabricated and adjusted easily. The simulation shows that the optimized sheet beam TWT can produce 2000 W output power and the 3 dB band ranging from 33 to 40 GHz.     

超宽带50W电子战超小型行波管设计

本文对超宽带50 W电子战超小型行波管设计进行了介绍,其主要技术难点为超宽带设计及超小型设计。通过设计行波管高效率慢波互作用系统来进行超宽带设计,使得行波管工作频带覆盖4~18 GHz,全频带(除低端边频4~5 GHz外)输出功率典型值为50 W,其中4~5 GHz频带内输出功率达到35 W,整管效率高于33%。在保障电性能的同时,通过降低工作电压实现整管各部件微型化设计,实现整管结构尺寸的大幅度压缩,实现了功率密度的大幅度提升,突破了小型化电子战整机系统安装空间的限制,适应了更高标准的电子战应用要求。     

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.     

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。     

Design of high-efficiency wide-bandwidth coupled-cavitytraveling-wave tube phase velocity tapers with simulated annealingalgorithms

The output circuit section of a traveling-wave tube (TWT) routinely contains an RF phase velocity taper for the purpose of increasing RF output power and efficiency. By slowing the RF phase velocity in approximate synchronism with the decelerating electron beam bunches, the taper increases power transfer from the beam to the RF wave. Recently, the computational optimization technique of simulated annealing was shown to be very effective in the design of an RF phase velocity taper that significantly increased computed RF power and efficiency of a coupled-cavity TWT. In this paper, two new broadband simulated annealing algorithms are presented that optimize (1) minimum saturated efficiency over a frequency bandwidth and (2) simultaneous bandwidth and minimum efficiency over the frequency band with constant input power. The algorithms were incorporated into the NASA 2.5-dimensional (2.5-D) coupled-cavity TWT computer model and used to design optimal phase velocity tapers using a 59-64 GHz coupled-cavity TWT as a baseline model. Compared to the baseline taper design, the computational results of the first broadband algorithm showed an improvement of 73.9% in minimum saturated efficiency. The second broadband algorithm indicates an improvement of 272.7% in minimum RF efficiency with constant input power drive and an increase in simultaneous bandwidth of 0.5 GHz over that calculated for the baseline TWT     

W波段双带状电子注新型平面慢波结构行波管

提出了一种适用于W波段行波管(TWT)的双注矩形环杆(DBRRB)慢波结构(SWS),该结构具有平面特性,适合于微细加工.在一对T形介质杆的支撑下,RRB SWS适用于双带状电子注工作.利用计算机仿真分析了其高频特性.设计并采用了渐变结构和阶梯波导的宽带输入输出结构.采用粒子(PIC)模拟研究了RRB SWS的热仿真性...     

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.     

超宽带毫米波行波管

简要介绍最新的超宽带毫米波连续波行波管研制工作进展情况。连续波行波管样管在18～40GHz频带内,输出功率达到40W。     

毫米波折叠波导行波管的研究

采用等效电路方法和电磁场仿真软件Ansoft HFSS分析了折叠波导行波管的结构参数对其高频特性的影响,并在此基础上确定了Ka波段折叠波导行波管的尺寸.利用三维非线性粒子模拟软件MAGIC3D建立了两段式折叠波导行波管的模型,模拟研究了切断区长度和位置对折叠波导行波管的饱和输出功率及第2段电路单位长度增益的影响.最后设计了一个工作于33～36GHz的两段式折叠波导行波管,其输出功率的波动小于1dB,最大连续波输出功率达670W,对应电子效率高达7.55％.