大功率宽带G波段行波谐波放大器研究

针对大功率太赫兹功率源的应用需求,设计了一种G波段行波谐波放大器。该放大器件利用行波管非线性过程产生的谐波电流,通过级联谐波段高频系统实现基波信号的谐波放大,获得大功率宽带太赫兹波功率输出。本文利用CST和MTSS软件完成了G波段行波谐波放大器优化设计,并通过三维PIC进行互作用精确仿真分析,研究结果表明,该放大器能够在G波段10 GHz带宽内获得大于2 W的输出功率,为后续实际器件研制奠定了技术基础。     

基于功率合成技术的166GHz大功率源研制

冰云探测对于提高天气预报准确性、监测极端天气现象等具有重要的意义.考虑到冰云粒子尺寸、形状分布等因素,利用太赫兹频段被动遥感仪器能更好地解决冰云探测的难题. 664 GHz作为一个重要的探测频点,其接收机射频前端主要包括664 GHz二次谐波混频器、332 GHz二倍频器以及166 GHz大功率源.作者在太赫兹二倍频设计的基础上,利用两路功率合成技术实现166 GHz大功率源,目的是提供给后级的332 GHz二倍频器足够的输入功率,从而能够驱动谐波混频器工作.实验结果表明,上述大功率源在164~172 GHz频率范围内输出功率大于46m W;在168 GHz处有最大输出功率59 m W.以上研究有效解决了本振链路中G波段输出功率不足的问题,为研制更高频段的太赫兹系统提供了技术支撑.     

基于肖特基二极管的太赫兹二倍频器设计

固态倍频器是太赫兹源应用中的关键器件,如何利用非线性器件提高太赫兹倍频器件的效率是设计太赫兹固态电路的关键。本文介绍了利用肖特基二极管非线性特性设计固态太赫兹二倍频器的2种方法,即采用直接阻抗匹配和传输模式匹配设计了2种不同拓扑结构的170 GHz二倍频器,针对设计的结构模型,分别进行三维有限元电磁仿真和非线性谐波平衡仿真。仿真结果表明,在17 dBm输入功率的驱动下,倍频器在160 GHz~180 GHz输出频率范围内,倍频效率在15%左右,输出功率大于7 mW。最后对2种方法设计的倍频器结构进行了简单对比和分析,为今后太赫兹倍频研究和设计提供仿真方法。     

太赫兹行波管倍频器用金刚石输能窗研究

本文主要研究一种太赫兹行波管倍频器的输能系统,采用双频分路输能窗方案,分别对W波段基波和太赫兹谐波盒型窗进行了设计.利用MPCVD设备研制了RF级金刚石窗片材料,并对窗片的制备、金属化及窗的封接工艺进行了研究.研制出了基波系统金刚石窗,测试结果显示,在28 GHz频带内电压驻波比小于1.3,传输损耗小于0.5dB,已在W波段行波管中得到了实际应用;谐波输能窗已完成了设计.     

W波段回旋行波管仿真设计与热测实验

通过软件仿真方法分析和设计了W波段回旋行波管的输入输出耦合器、磁控注入式电子枪以及高频互作用电路,根据优化结果加工了实物并进行了热测实验.实验结果表明,电子注电压60 k V,电流6 A,在94 GHz频率获得了最大峰值功率78 k W,增益53.9 d B以及21.7%的效率,峰值功率大于50 k W带宽达到3.8 GHz.PIC粒子模拟和热测实验均表明,设计的W波段回旋行波管能够稳定的工作,从而证明周期加载高频互作用电路在抑制寄生模式以及自激振荡方面具有很大的优势.     

太赫兹翼片加载折叠波导行波管放大器的研究

翼片加载折叠波导电路是一种改进型的行波管互作用电路。与原始结构相比,它具有提高的耦合阻抗、扩展的横向尺寸以及更加灵活的设计能力,因此适合工作在太赫兹频段。首先采用理论模型设计了工作频率0.22THz的慢波结构;然后采用三维粒子模拟技术对翼片加载折叠波导行波管放大器的非线性性能进行了研究。结果显示,新型结构具有高的互作用效率和宽频带放大的能力。在中心工作频率220GHz处,2mW的驱动功率下可以得到4W的饱和输出功率,对应的电子效率和增益分别为2.47%和33dB（考虑了电路的导体损耗）;恒定功率下扫频模拟显示,放大器的瞬时3dB带宽可达13.6,频率范围覆盖205～235GHz。     

耦合腔行波管大信号注波互作用研究与设计

行波管中注波互作用的特点是电子的速度调制、群聚及其与高频场的能量转换等过程沿整个慢波结构连续且同时进行,这是行波管可以在很宽频带内得到大输出功率的原因。在研究冷腔特性的基础上,使用三维PIC粒子模拟软件定量分析了耦合腔行波管的大信号注波互作用过程,完成了X波段连续波行波管的设计。设计参数：工作频率7.18.5GHz,带宽18%,最大输出功率3kW。     

高次谐波大回旋太赫兹振荡器多模工作特性

设计了一支可工作于4～9次谐波的大回旋太赫兹振荡管,借助于三维粒子模拟,研究了设计的大回旋振荡管注-波互作用机理、高次谐波工作特性、谐波模式间竞争等关键特性。结果表明,通过调节磁场强度,可以在多个相邻谐波处连续激发振荡,实现频率为240 GHz到460 GHz之间的太赫兹波辐射,最大辐射功率为19kW。同时研究了第7、8和9次谐波模式之间的竞争,讨论了实现稳定注-波互作用和高次谐波状态下单模工作的方法。此外,论文还对不同谐波状态下的欧姆损耗功率进行了研究。     

基于InP HBT工艺的高功率高谐波抑制W波段宽带八倍频器MMIC

基于0.7μm InP HBT工艺,设计实现了一种高功率高谐波抑制比的W波段倍频器MMIC。电路二倍频单元采用有源推推结构,通过3个二倍频器单元级联形成八倍频链,并在链路的输出端加入输出缓冲放大器,进一步提高倍频输出功率。常温25℃状态下,当输入信号功率为0 dBm时,倍频器MMIC在78.4~96.0 GHz输出频率范围内,输出功率大于10 dBm,谐波抑制度大于50 dBc。芯片面积仅为2.22 mm²,采用单电源+5 V供电。     

140GHz二倍频器的研制

太赫兹通信中本振链输出功率无法满足实际需求,因此提出一种基于肖特基变容二极管的宽带、高效率140 GHz二倍频器设计方案。该倍频器结构基于波导腔体石英基片微带电路的混合集成方式实现。采用三维有限元与非线性谐波平衡联合仿真方法,实现了倍频器的最优化设计。根据仿真结果,完成了140 GHz二倍频器的加工、制作与测试工作。实测结果表明,在20 dBm的驱动功率下,倍频器的输出功率最高达6.6 mW,倍频效率7.15%;输入功率23 dBm对应的最大输出功率可达11.2 mW。该器件的成功研制使得实现太赫兹通信中的本振链成为可能。     

双注THz折叠波导行波管的设计与传输特性实验

行波管具有高增益、宽带宽、高输出功率等优点,但频率提升到THz后,输出功率急剧降低,为此采用多注与功率合成的方式提高输出功率。对D波段折叠波导行波管进行的理论与数值分析表明:单束的3 d B带宽为13 GHz(0.134 THz~0.147 THz),0.14 THz处最大增益为20.88 d B;多束合成增益为20.6 d B,3 d B带宽内合成效率不低于92%。通过微铣削的办法加工完成了2路折叠波导,并对其传输特性进行测量,对比分析了测试与设计结果。并行多注行波管能够以单束小电流、低聚焦磁场方式工作,可有效提高THz行波管的输出功率。     

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。     

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。     

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。     

多注太赫兹折叠波导行波管的设计与模拟

为解决太赫兹(THz)行波管工作电流过小、输出功率低等问题,提出了基模多注工作模式的折叠波导行波管(TWT)。首先,获得了基模多注折叠波导色散特性;然后,对基模多注折叠波导的传输特性进行了模拟计算;最后,完成了0.14 THz基模多注折叠波导行波管的注波互作用特性分析。电子注参数为12 m A,15.75 k V时,获得的3 d B带宽为25 GHz(128 GHz~153 GHz),最大增益为33.61 d B,最大峰值功率为23 W;电子注参数为30 m A,15.75 k V时,在0.14 THz处获得了38 d B增益,最大脉冲输出功率为63.1 W。该方法能够有效增大THz行波管的工作电流,提高互作用增益及效率、3 d B带宽、输出功率;在增益相同时,基模多注行波管可以做得更短、更紧凑。     

Technique of Broadband Measurements of Frequency Conversion Efficiency for Each Harmonique in Frequency Multipliers up to Terahertz Range

The paper describes technique of quantitative analysis of a millimeter- and submillimeter-wave range multipliers performance in particular the measurement of the frequency conversion efficiency. The output power on each harmonic produced by the multiplier can be measured separately without any changes in the setup even in the case of simultaneous emission of all harmonics including the fundamental in a frequency range up to 1 THz and well above. The measuring technique primarily developed for high resolution microwave spectroscopy is based on absorption of radiation in spectral lines of rarefied sample gas and photo-acoustic method of the absorption detection. Sensitivity independence of the detection method on frequency and well known spectral parameters of the lines provide the technique with broadbandness, high spectral resolution and power measurement reliability. Principal limits of measurable radiation power may vary from nanowatts up to hundreds of watts. The technique permits real time operation convenient, e.g., for multiplier tuning. Practical examples include measurements of harmonic generation efficiency of multipliers of 78-118 GHz fundamental frequency range, and power measurement up to 6-th harmonic of 230 GHz fundamental radiation of phase locked Backward Wave Oscillator (BWO).     

340 GHz GaN大功率固态倍频链

随着太赫兹技术的应用和发展,对大功率太赫兹固态源的需求愈加迫切。文中基于GaN肖特基二极管(SBD)工艺设计并制造了具有高功率输出的170 GHz和340 GHz太赫兹倍频器,实现了340 GHz大功率太赫兹固态倍频链。采用多管芯GaN SBD提高器件功率承载能力,综合开展电路优化设计提升倍频性能,通过仿真研究和实验测试,验证了倍频器设计的有效性和先进性。170 GHz倍频器的实测峰值输出功率达到580 mW,倍频效率为14.5%。340 GHz倍频器的实测峰值输出功率为66 mW,倍频效率为12.5%。该太赫兹固态倍频链性能优良,在太赫兹系统中具有重要的应用价值。     

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。     

Design of a CW 1 THz Gyrotron (Gyrotron Fu Cw III) Using a 20 T Superconducting Magnet

Design of a CW 1 THz gyrotron at second harmonic operation using a 20 T superconducting magnet has been described. The mode competition analysis is employed to investigate operation conditions of second harmonic mode, which is being excited at the frequency ranging from 920 GHz to 1014 GHz. The output power up to 250 watt corresponding to the efficiency of 4.16 percent could be achieved by using an electron beam with accelerating voltage 30 kV and current 200 mA. The important advantage of this gyrotron is that the single mode excitation at second harmonic, and extremely high frequency of the radiation, could be maintained even at high currents. It opens possibility to realize a high power radiation source at 1 THz. Such gyrotron is under construction at FIR Center, University of Fukui.     

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。