并行多注THz折叠波导行波管的理论分析与数值模拟

为了提高THz行波管的输出功率,通过并行多注和功率合成的方法,完成了并行多注D波段折叠波导行波管的理论分析与数值模拟。计算结果表明:单束行波管在0.135～0.157THz频率区间具有很好的色散平坦度,3dB带宽为13GHz,0.14THz处获得了20.88dB的最大增益;多束合成行波管在0.14THz处获得了20.8dB的合成增益,3dB带宽区间合成效率不低于92%。数值模拟表明该方法很好地实现了多路放大信号的合成输出。并行多注行波管具有输出功率大、单束电流小、聚焦磁场低等优点,能够在低发射电流密度条件下实现大功率THz辐射。     

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。.     

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。     

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。     

Ka波段曲折双脊波导行波管的研究

提出了一种曲折双脊波导慢波结构,理论分析了慢波结构的高频特性,并在此基础上设计了工作在Ka波段的曲折双脊波导行波管.利用三维粒子模拟软件MAGIC 3D建立了曲折双脊波导行波管模型,并对行波管中的注-波互作用进行了模拟分析.在相同工作条件下,分析比较了曲折双脊波导行波管和曲折波导行波管的各种性能参量,从中发现：在行波管增益峰值相近的情况下,曲折双脊波导行波管具有更好的带宽性能,其3 dB增益带宽为22％;同时具有更高的电子效率,其峰值接近9％. 关键词： 曲折双脊波导 高频特性 注-波互作用 带宽     

0.22THz宽带折叠波导行波管设计与实验

为了获得0.22THz宽带折叠波导行波管,对行波管的慢波结构和输入输出窗结构进行了宽带设计。通过理论分析和电磁仿真计算出合适的参数,使慢波结构在0.22THz工作点附近的色散曲线平坦,耦合阻抗变化小,模拟计算得到的慢波结构3dB带宽大于16GHz;通过对盒型窗结构及匹配段的优化计算,得到的输入输出结构在大于30GHz范围内S11参数小于-25dB。根据该设计进行了两轮制管和实验研究,得到了一支3dB瞬时带宽约8.8GHz,另一支3dB瞬时带宽大于12GHz的0.22THz折叠波导行波管,中心频率的峰值功率大于400mW。     

0.22 THz折叠波导行波管初步实验研究

探索性试验了多种微加工技术加工设计频率0.22 THz的折叠波导慢波结构,最终选择了微铣削工艺进行加工,并测试了微铣削工艺加工的WR4标准直波导的损耗特性,得到了0.22 THz电磁波在无氧铜中传播时材料的相对电导率约为3.2107 S/m。以此为基础设计和制得了国内第一支0.22 THz折叠波导行波管,经过测试和标定得到输出功率大于100 mW,带宽3.5 GHz的初步实验结果。     

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。     

共焦波导回旋行波管准光注入结构设计

为了解决共焦波导回旋行波管现有输入结构带宽较窄的问题,基于高斯变换,为0.4 THz共焦波导回旋行波管设计了准光注入结构,注入模式为HE06模。该结构由波纹波导模式变换器、高斯变换镜及接收天线构成。对整个注入结构进行了三维电磁仿真,结果表明,在回旋行波管8 GHz的工作带宽内,注入效率大于50%,最大注入效率68%。     

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）。     

V形曲折矩形槽慢波结构的研究

提出了一种新型的慢波结构—-V形曲折矩形槽慢波结构, 该结构是由矩形槽波导沿其E面法向周期性呈V形折叠而成, 其两金属板之间的间隙形成天然的带状电子注通道. 相比传统的U形曲折矩形槽波导, 它能在保持良好高频特性的情况下增加互作用面积, 从而可以采用面积更大的带状电子注以获得更大的输出功率. 分析了该结构的高频特性, 在V波段完成了对行波管互作用电路的设计, 并利用三维粒子模拟的方法估计了其工作性能. 研究结果表明, 当工作电压和电流分别为12.8 kV和600 mA 时, 在58—64 GHz的频率范围内饱和平均输出功率大于1000 W, 相应的饱和增益和电子效率分别大于33 dB和13.2%.     

脊加载曲折波导行波管注波互作用的线性理论研究

提出了一类新型毫米波大功率微波器件——脊加载曲折波导行波管,推导出了引入电子注后的"热"色散方程.通过数值求解此方程,研究了加脊尺寸和电子注参数对小信号增益影响.计算结果表明:通过适当的尺寸设计和工作参数的选择,此结构在Kα波段具有18.51%的3 dB增益带宽和1.15 dB/周期的增益;相比于常规曲折波导结构,脊加载结构在保证一定带宽的情况下,具有更高的增益和电子效率;为了进一步提高增益,可以适当增加脊宽度和高度,也可在一定范围内增加电子注电流. 关键词： 毫米波 曲折波导 脊加载 小信号增益     

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%。     

0.14 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%。     

Design of a re-entrant double-staggered ladder circuit for V-band coupled-cavity traveling-wave tubes

The re-entrant double-staggered ladder slow-wave structure is employed in a high-power V-band coupled-cavity traveling-wave tube. This structure has a wide bandwidth, a moderate interaction impedance, and excellent thermal dissipation properties, as well as easy fabrication. A well-matched waveguide coupler is proposed for the structure. Combining the design of attenuators, a full-scale three-dimensional circuit model for the V-band coupled-cavity traveling-wave tube is constructed. The electromagnetic characteristics and the beam-wave interaction of this structure are investigated. The beam current is set to be 100 mA, and the cathode voltage is tuned from 16.8 kV to 15.8 kV. The calculation results show that this tube can produce a saturated average output power over 100 W with an instantaneous bandwidth greater than 1.25 GHz in the frequency ranging from 58 GHz to 62 GHz. The corresponding gain and electronic efficiency can reach over 32 dB and 6.5%, respectively.