0.14THz基模多注折叠波导行波管的理论与模拟研究

为解决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.首先,获得了基模多注折叠波导色散特性的等效传输线计算模型,并与数值模拟结果进行了比较;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,通过模拟和理论计算完成了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—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.对比同条件下基模单注折叠波导行波管,3 d B带宽提升了1倍,0.14 THz处输出功率增大了9.66倍,互作用效率增大了3.22倍;当增益相同时,多注方式的互作用长度较单注缩短了33%.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.     

两注THz折叠波导行波结构的增益与传输特性（英文）

为了提高太赫兹行波管的输出功率,提出了多个传输信号进行功率合成的方法。首先,对D波段多注慢波结构进行设计及功分器的优化;然后,通过微铣削工艺完成了两注THz折叠波导结构的加工,加工精度满足实际设计要求;最后,利用CST软件对该结构的冷测与互作用特性进行了分析。仿真结果表明:该结构的S11值小于-20dB,实际测试值在-20dB左右,两者较吻合。冷测分析表明该结构具有22GHz(16%)的冷带宽,3dB增益带宽为12.5GHz。在各电子注的电压、电流、峰值输入功率大小分别为15.79kV,12mA,10mW时,单注结构获得了1.58 W的输出功率及22dB的增益;而两路信号在互作用完成后,获得了2.91 W的合成功率输出,合成效率不低于90%。通过合成的方法可以有效提高THz行波管的输出功率。     

两注THz折叠波导行波结构的增益与传输特性

为了提高太赫兹行波管的输出功率,提出了多个传输信号进行功率合成的方法。首先,对D波段多注慢波结构进行设计及功分器的优化;然后,通过微铣削工艺完成了两注THz折叠波导结构的加工,加工精度满足实际设计要求;最后,利用CST软件对该结构的冷测与互作用特性进行了分析。仿真结果表明:该结构的S11值小于-20 dB,实际测试值在-20 dB左右,两者较吻合。冷测分析表明该结构具有22 GHz（16%）的冷带宽,3 dB增益带宽为12.5 GHz。在各电子注的电压、电流、峰值输入功率大小分别为15.79 kV, 12 mA, 10 mW时,单注结构获得了1.58 W的输出功率及22 dB的增益;而两路信号在互作用完成后,获得了2.91 W的合成功率输出,合成效率不低于90%。通过合成的方法可以有效提高THz行波管的输出功率。.     

共焦波导结构回旋行波管的设计与仿真

针对0.14 THz大气窗口,利用CST微波工作室和3维粒子模拟软件,对共焦波导结构的太赫兹回旋行波管进行了冷腔色散和注波互作用的模拟研究。以TE06模式作为互作用工作模式,在电压为35 kV、电流为2 A、横纵速度比为0.85的电子束参数下,当输入信号为1 W时,得到最高2 kW的微波功率输出,3 dB带宽为3.5 GHz,增益为30 dB。     

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。     

X波段大功率耦合腔行波管3维粒子模拟

 为提高行波管的增益和输出波形的稳定性,开展了带高频切断X波段大功率耦合腔行波管的研究工作。以点频7.2 GHz为例,对X波段耦合腔行波管的大信号注波互作用过程进行了3维粒子模拟,该行波管包含一处高频切断及两处微波集中衰减器。数值模拟结果表明：行波管腔数为40、电子束电压为17 kV、电流为0.8 A时,可获得2.0 kW的微波输出功率,增益达23 dB,电子效率达14.7%。     

0.34 THz双注高次模折叠波导行波管高频系统设计

高频系统是行波管的核心部件,它会直接影响行波管的工作频率、带宽、增益等性能指标。为了获得更大的输出功率和更高的增益,对0.34 THz双注高次模折叠波导行波管的基本特性进行了研究,计算了双注折叠波导的色散特性和耦合阻抗,并与仿真结果进行对比,结果显示色散特性随频率升高差距增大,耦合阻抗在高频段匹配较好,并研究了损耗特性。利用CST仿真工作室对双注折叠波导的注波互作用特性进行了仿真,实现41.68 W输出。为了获得更高的输出,通过增大直波导高度,最终使输出功率提高了52.7%,达到63.12 W。最后设计了符合要求的盒型输出窗和模式转换器,验证了高频系统的传输特性。     

W波段螺旋波纹波导回旋行波管注波互作用的非线性分析

本文从有源麦克斯韦方程组出发, 系统地推导了螺旋波纹波导的色散方程及非线性注波互作用理论, 数值计算结果与已有的实验报道基本相符.在此基础上,设计了W波段螺旋波纹回旋行波管, 工作电压80 kV, 工作电流5 A, 中心频率95 GHz, 3 dB带宽约4.5%, 饱和增益52 dB, 最大输出功率142 kW, 电子效率达20%-35%.最后,本文计算了电流, 电压及输入功率的改变对W波段螺旋波纹波导回旋行波管输出性能的影响.     

W波段螺旋波纹波导回旋行波管注波互作用的非线性分析

回旋行波管是下一代高分辨率成像雷达、高速率远程通信等电子系统首选的高功率电磁波辐射源,在国防安全方面具有重要的战略意义,研究发现,螺旋波纹波导回旋行波管具有较大的带宽,较高的电子效率及稳定性,本文从有源麦克斯韦方程组出发,系统地推导了螺旋波纹波导的色散方程及非线性注波互作用理论,数值计算结果与已有的实验报道基本相符,在此基础上,设计了W波段螺旋波纹回旋行波管,工作电压为80kV,工作电流为5A,中心频率为95GHz,3dB带宽约4.5%,饱和增益为52dB,最大输出功率为142kW,电子效率达20%—35%.最后,本文计算了电流、电压及输入功率的改变对W波段螺旋波纹波导回旋行波管输出性能的影响。     

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%。     

螺距和磁场强度与周期的跳变在Ka波段行波管中的应用

以弱色散特性的扇形金属-介质夹持杆螺旋线慢波结构的Ka波段行波管作为研究对象,进行了互作用特性仿真研究。采用螺距跳变和磁场跳变技术进一步提高了该行波管在工作频带的输出功率和电子效率,并解决了电子注散焦问题。设计结果表明:当工作电压为9 kV、工作电流为210 mA时,行波管在24~40 GHz整个频带内,各频点的增益在37.7~48.7 dB之间,电子效率在15.18%~19.42%之间,输出功率大于286 W。此结果较之均匀周期的设计结果,电子效率增幅在4.19%以上,输出功率增长率在4.3%以上,尤其在26~37 GHz范围内,电子效率增幅达到了11.8%以上,输出功率增长率达11.9%。     

0.22 THz二维电磁带隙波导和阵列天线设计

基于二维电磁带隙（EBG）结构,设计了工作在0.22 THz的直波导传输线和90弯波导传输线。数值模拟结果显示:直波导和弯波导的S21参数在0.22 THz处均大于10-5 dB,20 GHz模拟频带内的S21参数分别大于-0.001 dB和-0.003 5 dB。EBG结构很好地阻止了电磁波在电磁带隙内部的传播。基于EBG结构波导,设计了3 dB功分器和H面扇形喇叭阵列天线。数值模拟结果显示:功分器的S21参数在0.22 THz处为-3 dB,阵列天线方向性为17.1 dBi,具有较小的旁瓣和后瓣,E面和H面方向图均具有良好对称性。     

多波束分集深海远程正交频分复用水声通信

针对深海远程信道传播衰减大、多途扩展严重的问题,提出一种单输入多输出（SIMO）模型下的水声正交频分复用（OFDM）多波束空间分集均衡方法。建立了深海远程信道下SIMO-OFDM接收信号模型,对宽带波束形成处理后的多个到达角度的波束输出进行独立的多普勒补偿和稀疏信道估计,最后基于最大比合并实现多波束均衡。相对于远程通信中常用的单波束处理方法,所提方法可获得额外的不同到达角度的多径分集增益;且基于阵列波束形成处理可明显提升各个波束输出信噪比,避免了单阵元信噪比过低导致的信道估计误差增大的问题。所提方法的计算复杂度大于单波束均衡,但低于多阵元最大比合并均衡。基于BELLHOP的数值仿真和中国南海实验结果表明,所提方法的误码率性能明显优于单波束均衡和最大比合并均衡,且在100 km的距离上实现了通信速率199 bps的无误码通信。      

L波段大功率全带宽波导盒型窗

 由于鬼模振荡的存在,普通波导盒型窗很难获得宽频带输出,其相对带宽一般只有20%～30%。提出一种新的适用于大功率螺旋线行波管非对称全带宽波导盒型窗设计思路,通过３维电磁仿真设计与优化,获得了L波段相对带宽达41.4%盒型窗结构设计参数,且频带内无鬼模振荡,考虑匹配过渡段后整个盒型窗驻波系数模拟计算小于1.1。采用此功率输出结构研制的S波段大功率行波管连续波输出功率达3 kW以上,整管实测驻波系数小于1.6。     

分布损耗加载回旋行波管多模稳态注波互作用理论与比较证实

基于目前国际上实验研究的均匀介质加载和周期介质加载结构,建立了一种分布式损耗加载回旋行波管(gyro-TWT)多模稳态注波互作用理论.利用这一理论,以TE01模式基波gyro-TWT注波互作用为例,将Ka和W波段的理论结果与实验和软件仿真进行比较,以证实理论的合理性.     

用场分析法求解速调管输出回路特性参数

 为解决速调管输出回路特性参数计算时遇到的困难,结合场分析的手段和3维电磁场模拟计算软件ISFEL3D后处理部分,提出了场分析法。理论分析表明,场分析法可用于计算单注单间隙、多注单间隙、单注多间隙和多注多间隙等各种速调管输出回路的谐振频率、间隙阻抗实部和外观品质因数等特性参数。通过对单注单间隙速调管输出回路的举例计算表明,场分析法的计算结果与反射相位法和等效间隙阻抗法的计算结果吻合较好,初步证实了该方法的可操作性和理论推导的正确性。     

S波段宽带大功率连续波耦合腔行波管3维模拟设计

 使用3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行为。使用完整的仿真模型完成了S波段连续波管型的设计，达到如下设计指标：工作频率2.0~2.3 GHz，输出功率4.3 kW，频带内增益波动±0.7 dB。提出了使用大介电常数微扰介质棒减小耦合阻抗计算误差的方法，研究了行波管的冷腔特性，给出了色散、耦合阻抗等参数。