太赫兹折叠波导慢波结构S参数特性

理论上分析了计算周期数对0.22 THz折叠波导慢波结构S参数的影响,讨论了折叠波导慢波结构各个尺寸参数对损耗特性的影响,研究了粗糙度与损耗特性之间的关系。通过实验验证了0.22 THz标准矩形直波导的损耗特性。对实际加工的0.22 THz折叠波导慢波结构进行了测试,得到了实际的太赫兹波折叠波导慢波结构传输与损耗特性。     

0.22 THz折叠波导行波管部件设计与加工

以理论推导和三维模拟仿真设计为基础,设计优化了0.22 THz折叠波导行波管电子枪、慢波结构、永磁聚焦系统、输入/输出结构、收集极等部分,并结合大量的工艺实验,探索和研究了各种精密加工方法和组装焊接工艺,最后完成了符合这些部分设计要求的高精度零件加工和组装焊接样品。     

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。     

0.14 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%。     

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。.     

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。     

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。     

用于太赫兹源粒子模拟的有限电导率模块研制

针对THz频段微电真空器件波导壁面材料电导率及加工粗糙度引发损耗的模拟需求,研制了有限电导率模块,并将其添加进三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D。介绍了有限电导率的时域有限差分显格式及时谐场近似解方法,针对上述方法的优缺点,提出了基于扩散方程隐格式的有限电导率模块算法,该算法具备无条件稳定、普适性好的优点。利用矩波导常见电磁波模传输损耗算例,测试了自编的有限电导率模块,测试结果与理论值及同类商业电磁软件计算结果进行了比对,验证了模块的可靠性。利用添加有限电导率的三维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE3D,模拟了材料电导率以及表面粗糙度对0.22 THz折叠波导行波管性能的影响,模拟结果表明,材料电导率及表面粗糙度会显著降低器件输出功率和增益水平。综合色散关系、耦合阻抗、衰减常数等因素,给出了器件结构参数设计建议,并指出:通过增加电子束流、注入信号功率以及慢波结构周期数目等方式可一定程度上提高器件输出功率水平。     

140 GHz带状注弯折波导SU-8工艺与传输特性(英)

对140 GHz 带状注弯折波导的色散特性和耦合阻抗进行了仿真。CST微波工作室的仿真表明该波导在140 GHz时,波导内电磁波的轴向相速度为0.227c,且140 GHz频率附近色散特性平坦。波导的耦合阻抗在140 GHz时为5 左右。CST粒子工作室注波互作用的仿真结果表明该弯折波导在140 GHz处的功率增益为24.6 dB。该弯折波导带状电子注的设计保证了该波导的加工工艺与MEMS微加工工艺兼容。通过SU-8 UV-LIGA工艺实现了对该波导的微型加工。测试结果表明该波导的反射损耗S11与插入损耗S21分别为-28 dB和-1.2 dB。实测的输出功率增益达到23 dB。测试结果和仿真结果的一致性表明该弯折波导设计的合理性,同时也验证了多步SU-8 UV-LIGA工艺可以实现对该波导的高精度加工。     

140GHz带状注弯折波导SU-8工艺与传输特性（英文）

对140GHz带状注弯折波导的色散特性和耦合阻抗进行了仿真。CST微波工作室的仿真表明该波导在140GHz时,波导内电磁波的轴向相速度为0.227c,且140GHz频率附近色散特性平坦。波导的耦合阻抗在140GHz时为5Ω左右。CST粒子工作室注波互作用的仿真结果表明该弯折波导在140GHz处的功率增益为24.6dB。该弯折波导带状电子注的设计保证了该波导的加工工艺与MEMS微加工工艺兼容。通过SU-8UV-LIGA工艺实现了对该波导的微型加工。测试结果表明该波导的反射损耗S11与插入损耗S21分别为-28dB和-1.2dB。实测的输出功率增益达到23dB。测试结果和仿真结果的一致性表明该弯折波导设计的合理性,同时也验证了多步SU-8UV-LIGA工艺可以实现对该波导的高精度加工。     

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。     

0.8 THz再生反馈振荡器的仿真模拟研究

随着太赫兹技术的发展,高频率、大功率的太赫兹辐射源一直是国内外研究的热点。再生反馈振荡器作为一种新型太赫兹源器件,具有可行性高、功率大的优点。基于0.8 THz太赫兹波成像系统的需求,采用折叠波导慢波结构,对再生反馈振荡器进行设计与研究。首先对0.8 THz折叠波导慢波结构进行设计并使用CST微波工作室中的本征模求解器进行参数优化,再通过CST粒子工作室中的PIC仿真模块对整管进行热特性仿真,验证了方案的可行性,仿真结果显示,最终可产生60 mW的稳定输出信号。     

介质加载折叠波导行波管的线性分析

提出了一种介质加载折叠波导慢波结构,给出了该结构中存在电子注时慢波互作用的热色散方程,在介电常数ε_r=1的特殊情况下该方程即简化为普通折叠波导的小信号工作方程.在给定慢波结构尺寸的基础上,分析比较了介质加载对放大器小信号增益特性的影响,结果表明:"弱加载"(介质厚度d/a<0.1)时,无需重新设计慢波结构的参数,只需适当调整工作电压和电流就可以满足原有设计要求,而且和未加载时相比增益特性更为平坦,降低的电子注阻抗也有利于电子效率的提高.考虑到 关键词： 折叠波导 行波管放大器 介质加载 热色散方程     

毫米波行波管电子光学系统的设计

 利用基于虚边界元法的VBGUN程序和基于边界元法的MOM程序，对一折叠波导毫米波行波管的电子光学系统进行了设计。设计过程中使用计算相关性系数的方法调节参数，通过计算敏感性系数以考察加工误差带来的影响。设计过程显示：低导流系数、小束腰、高压缩比的毫米波电子枪的层流性与电极尺寸相关性很大，易受到加工误差的影响；聚束系统的设计难点在于轴上峰值磁感应强度要受到漂移管半径的限制，这一点可以通过提高工作电压和降低电流来平衡，因此它的设计必须与慢波结构的设计同时进行。     

THz波在金属镀层空芯波导中传输的理论和实验研究

本文基于微扰法求得不同金属镀层空心圆波导中各模式的损耗系数,对金属镀层空芯波导中THz波传输损耗随金属材料、波导结构等参数的变化关系进行了数值模拟.根据数值分析结果,优化设计并拉制了内径为1.1 mm的镀银空芯波导,实验测得当THz波的频率为2.5 THz时,传输损耗为8.6 dB/m,实现了THz波短距离的有效传输. 关键词： 太赫兹波 金属空芯波导 传输损耗     

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.