220GHz折叠波导返波管束流光学系统设计和实验研究（英文）

本文介绍了220GHz折叠波导行波管电子束流光学系统的设计过程。总体来讲,该系统可分为收敛性皮尔斯电子枪、磁聚束段和单极降压收集极。对于一个工作在太赫兹频段的电真空器件而言,极其细长的束流孔道让电子注以较高的流通率穿过慢波结构变得十分困难。空间电荷效应,加工装配精度和热初速等原因都是限制流通率的重要原因。研发一个具有足够流通率的实用束流光学系统对于220GHz折叠波导返波管的研制是迫切的且十分棘手的任务。通过理论方法和数值工具,系统的三个部分将先后被设计,以满足束波互作用分析提出的电子注要求。基于这样的设计和开展的误差分析,流通管样管成功封管并进行了初步测试。实验数据表明这样的束流光学系统可以产生15.4kV,22mA的电子注,并能以80%以上的流通率通过直径0.19mm,长30mm的束流管道。     

220 GHz 折叠波导慢波结构

 优化设计了一种220 GHz的折叠波导慢波结构的尺寸,对其冷测特性如色散、耦合阻抗和衰减进行了分析。理论分析和软件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,较高的耦合阻抗和较低的电路衰减。互作用模拟表明,在电子注电压为20 kV,电流为10 mA时,27 mm（50个周期）的折叠波导慢波结构在220 GHz具有14.5 dB的增益,3 dB带宽为16.3 GHz（211.9～228.2 GHz）。     

0.22THz折叠波导行波管电子光学系统设计与实验研究

设计了一套0.22THz折叠波导行波管电子光学系统,详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程,在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下,对磁场过渡区进行了优化设计,以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化,并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真,优化后的电子光学系统发射束流10mA,阴极电压15kV,束流通过率96%。通过实验验证,流通管束流通过率93%,高频样管束流通过率94%,与设计相符。高频样管实现连续波运行,功率大于0.4 W,3dB带宽大于12GHz。     

220 GHz均匀永磁聚焦行波管电子光学系统的设计与实验研究

电子光学系统是行波管的核心部件之一,在太赫兹频段,电子束通道很小,导致高电流密度电子束的传输非常困难。基于220 GHz折叠波导行波管慢波结构设计所需束流参数,根据理论分析和电磁仿真软件,设计了一款采用均匀永磁聚焦对电子束进行约束的电子光学系统。仿真结果显示,当电子束通道直径0.3 mm、长度31 mm时,在阴阳极压差20 kV的条件下阴极发射电流141 mA,电子流通率100%。根据设计结果封接了流通管,实验结果显示,当阴阳极压差20 kV时,阴极发射电流138.5 mA,收集极电流125.5 mA,电子流通率91%。     

0.14 THz瓦量级折叠波导行波管设计

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上,设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数,然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计,最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代,最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时,折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性,加工装配了一根流通管,并进行了流通率测试,测得流通率大于80%。     

束流发射度对太赫兹微电真空折叠波导行波管性能的影响

采用理论分析与数值模拟相结合的方法,分别对140,220和345 GHz折叠波导行波管中的束流发射度的影响因素及其对直流导通率的影响进行了分析,总结了发射度随频率、结构参数和电子束参数的变化规律。研究发现,在太赫兹频段束流发射度直接决定着聚焦磁场的选取设计, 是表征太赫兹频段束流品质的一个重要参量。     

毫米波速调管电子光学系统的研究

电子光学系统是毫米波速调管长寿命和整管性能实现的关键,毫米波速调管零件尺寸较小,为了在Ka波段和W波段实现千瓦量级的输出功率,要求具有高的电子注通过率及低的阴极负荷。对Ka波段和W波段电子光学系统特性进行了分析,确定了Ka波段10 kW分布作用速调管和W波段1 kW分布作用速调管电子光学系统的设计方案,利用软件对电子枪和聚焦系统的结构进行计算,并采用CST仿真软件对设计的电子枪发射的电子注在聚焦磁场中的状态进行优化。设计出的Ka波段速调管电子光学系统,电子枪工作电压26 kV,发射电流2 A,互作用区长度30 mm,磁场强度大于0.6 T,流通达到100%。设计的W波段速调管电子光学系统,电子枪工作电压17 kV,电流0.65 A,互作用区长度20 mm,磁场大于0.9 T,流通达到100%。已制成Ka波段速调管和W波段速调管,设计的电子光学系统能够满足速调管工程化需求。     

0.14THz行波管的设计与实验研究

以折叠波导作为为慢波结构进行研究分析,利用三维电磁仿真软件HFSS和CST,对0.14THz行波管模型进行了折叠波导慢波结构、电子光学系统和输入输出窗等的模拟设计,并完成了整管的PIC注波互作用的仿真计算与优化。进行了整管的焊接工艺设计和热测实验,研制出的样管在电压15.4kV、电流17.4mA下,脉冲工作输出最大功率为8.3 W,输出中心频率为140.8GHz,最大增益为28dB,-3dB带宽为2.9GHz。     

220GHz折叠波导UV-LIGA微加工工艺（英文）

真空电子器件的频率正向太赫兹频段发展,折叠波导慢波结构是行波管的核心部件,由于真空器件的尺寸与波长具有共渡性,频率越高,互作用结构的尺度越小,加工误差的要求越严格。传统的加工方法很难实现如此微小尺寸的结构,UVLIGA技术对于制造这种微型结构是一种很有前途的方法。用UV-LIGA方法制备真空器件的慢波结构,涉及到两个主要的问题:一是SU8厚胶匀胶过程中如何确保其厚度及其一致性;二是横向贯穿折叠波导中心的电子注通道如何成型。以220GHz折叠波导为研究对象,针对上述两个问题开展了相关的工艺试验,使用特制的PDMS模具,采用重力匀胶法,实现了大厚度SU8胶匀胶,表面平整,高度一致。在SU8光刻胶中通过专用夹具,嵌入透明有机丝,形成细长电子注通道。而后,采用脉冲电铸电源,在硫酸铜电铸液中电铸,获得了表面平整的无氧铜微结构。     

220 GHz折叠波导UV-LIGA微加工工艺

真空电子器件的频率正向太赫兹频段发展,折叠波导慢波结构是行波管的核心部件,由于真空器件的尺寸与波长具有共渡性,频率越高,互作用结构的尺度越小,加工误差的要求越严格。传统的加工方法很难实现如此微小尺寸的结构,UV-LIGA技术对于制造这种微型结构是一种很有前途的方法。用UV-LIGA方法制备真空器件的慢波结构,涉及到两个主要的问题:一是SU8厚胶匀胶过程中如何确保其厚度及其一致性;二是横向贯穿折叠波导中心的电子注通道如何成型。以220 GHz折叠波导为研究对象,针对上述两个问题开展了相关的工艺试验,使用特制的PDMS模具,采用重力匀胶法,实现了大厚度SU8胶匀胶,表面平整,高度一致。在SU8光刻胶中通过专用夹具,嵌入透明有机丝,形成细长电子注通道。而后,采用脉冲电铸电源,在硫酸铜电铸液中电铸,获得了表面平整的无氧铜微结构。     

Theoretical models for designing a 220-GHz folded waveguide backward wave oscillator

In this paper,the basic equations of beam-wave interaction for designing the 220 GHz folded waveguide(FW)backward wave oscillator(BWO) are described.On the whole,these equations are mainly classified into small signal model(SSM),large signal model(LSM),and simplified small signal model(SSSM).Using these linear and nonlinear one-dimensional(1D) models,the oscillation characteristics of the FW BWO of a given configuration of slow wave structure(SWS) can be calculated by numerical iteration algorithm,which is more time efficient than three-dimensional(3D)particle-in-cell(PIC) simulation.The SSSM expressed by analytical formulas is innovatively derived for determining the initial values of the FW SWS conveniently.The dispersion characteristics of the FW are obtained by equivalent circuit analysis.The space charge effect,the end reflection effect,the lossy wall effect,and the relativistic effect are all considered in our models to offer more accurate results.The design process of the FW BWO tube with output power of watt scale in a frequency range between 215 GHz and 225 GHz based on these 1D models is demonstrated.The 3D PIC method is adopted to verify the theoretical design results,which shows that they are in good agreement with each other.     

W波段交错双栅返波振荡器高频系统

将矩形交错双栅结构作为慢波电路并提出与之配套的过渡结构和输出耦合器,设计了利用带状电子注工作在W波段的返波振荡器。提出的过渡结构和耦合器解决了该类直波导型器件的信号传输衰减大、反射强等难题。相对于传统圆形电子注器件,该器件得到了较大的功率提升。利用三维粒子模拟计算的方法,在电流12 mA时通过调节工作电压,在92~98 GHz频带内得到了数W的稳定平均功率输出,信号中心频率非常接近设计频率,且单色性好,谐波分量小。     

W波段带状注矩形单栅返波振荡器模拟研究

提出并研究了一种带状电子注矩形单栅返波振荡器。首先研究了矩形单栅慢波结构的色散特性和耦合阻抗特性,然后粒子模拟并优化设计了带状注矩形单栅高频结构,预群聚腔及输出一体化结构。研究结果表明:利用电压200kV、电压2kA、截面为24mm×0.5mm的带状电子注,驱动该矩形单栅返波振荡器,能够产生42 MW的输出功率,工作频率86GHz,效率为10.5%。     

快速优化折叠波导器件中矩形过渡结构的理论方法（英）

本文推导了基于模式耦合理论的方程组,用于加快和简化折叠波导器件中矩形过渡结构的设计过程。作为功率耦合结构的一个重要组成部分,两种常用的结构将被考虑用来匹配折叠波导慢波结构的矩形波导TE10模式和标准输出矩形波导中的TE10模式。通过比较发现,在同样的反射水平下,锥形过渡结构比阶梯过渡结构长得多,但同时前者却自然具有更快的带宽和对结构误差不敏感的特性。作为算例,设计了220 GHz折叠波导返波管中可能用到的阶梯过渡结构和锥形过渡结构,并进行了误差分析。设计过程中用到的理论方法最终用数值模拟的方法进行了验证,取得了很好的一致性。基于该高精度理论方法的设计耗时不过几分钟。     

Scaling studies and time-resolved microwave measurements on arelativistic backward-wave oscillator

A relativistic backward-wave oscillator (BWO) operating at a frequency near 8 GHz has been built. The parameters of the 60-ns electron beam driving this microwave source are varied over the ranges 0.8-1.5 MV and 2-10 kA. Several different annular cathodes for launching the electron beam are tried, varying the outer radius and shape. The axial magnetic field guiding the beam through the BWO is varied between 0.6 and 3 T. The power transfer downstream to an output waveguide is investigated as a function of the shape of the transition from the BWO to the waveguide. The scaling of the output power and frequency with these variations is discussed. Time-resolved measurements of 2-ns-long segments of the microwave output are shown. In observations of the microwave signal, it is found that the frequency shifts as the output power envelope passes through a sharp dip. It is proposed that this shift corresponds to a change in the longitudinal operating mode of the BWO     

Experimental results from a tandem BWO-TWT system used to generatehigh-power microwaves

A relativistic backward wave oscillator (BWO) in tandem with a traveling wave tube (TWT) amplifier has been used to generate relatively long pulses of high-power X-band microwaves. In these experiments, a BWO is used to modulate the annular relativistic electron beam, which subsequently drives a TWT producing high-power microwave radiation. A special RF sever located between the two structures cuts off microwaves generated in the BWO from the TWT. Peak powers in excess of 100 MW are observed with overall beam-to-microwave efficiencies as high as 35%. By operating the BWO below saturation levels, pulse-shortening effects are minimized so that microwave pulses of duration comparable to that of the beam (100 ns) are possible. The operating frequency of the tandem system is tuned from 11 to 12 GHz by varying the effective energy of the beam     

Submillimeter backward wave oscillators

NASA Lewis Research Center is engaged in a program to develop a series of backward wave oscillators (BWO's) for the frequency range 500 to 2000 GHz. Generically BWO's are electron beam traveling wave tubes operating in a dispersive regime in which the group velocity and the phase velocity of the induced electromagnetic wave are in opposite directions. The oscillation frequency of a BWO is controlled by the electron beam velocity (anode voltage).Such tubes because of their frequency tunability, phase locking capability, and large bandwidth are ideal local oscillators for heterdyne receiver/spectrometers.The design of the BWO's will be discussed with emphasis on the etched slow wave structure, zero compression electron beam, long life cathode, and moderate operating voltages.     

紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器，通过粒子模拟研究了L波段同轴相对论返波振荡器相互作用的物理过程，并对器件的电磁结构进行了优化和改进。分析表明，采用同轴慢波结构可以在较低的外加磁场下实现L波段返波振荡器的微波输出，同时可以大大减小微波器件的径向尺寸。这是因为同轴慢波结构的TM01模式有类似于TEM模的性质，没有截止频率，但纵向电场不为零，电子束能够与它发生强相互作用过程。粒子模拟优化结果表明，在器件半径仅为4.0 cm，电子束能量240 keV，电子束流1.8 kA，导引磁场仅为0.75 T时，返波振荡器可以在频率1.60 GHz处获得较大功率的微波输出， 平均峰值功率达140 MW，平均峰值功率效率约为32%。     

一种高功率返波管理论

对一种热阴极高功率返波管进行了理论研究,其具有寿命长稳定性好的特点。采用的热阴极发射电流密度为20 A/cm2,发射面积为100 cm2,发射总电流为2 kA。首先对该热阴极单阳极电子枪进行仿真研究,在确保不打火的情况下获得电子枪优化设计参数,再对整管进行粒子模拟研究,仿真结果表明,在工作频率为10.5 GHz时,该热阴极返波管的输出功率可以达到290 MW,换能效率为29%。