亚毫米波大功率脉冲探测器的初步研制

初步研制了一种用于300~400GHz频段的亚毫米波大功率脉冲探测器。基于强电场下的热电子效应,将n型硅探测芯片置入波导WR10的宽边,构成了探测器的过模探测模块。采用光刻和电镀工艺完成了探测芯片的加工,实现了很好的欧姆接触和尺寸精度。对集成的探测器样机进行了亚毫米波大功率脉冲测试和电压驻波比测量。结果表明:探测器样机的响应时间快达ps量级,相对灵敏度约为0.46kW-1,电压驻波比小于2.4,最大承受功率不小于数十W,与模拟结果符合得较好,满足亚毫米波大功率脉冲的直接探测需求。     

过模结构0.14 THz高功率脉冲探测器研制

基于n型硅在强电场下的热电子效应,初步研制了一种采用过模结构的0.14 THz高功率太赫兹脉冲探测器。该探测器由基模波导WR6、过渡波导、过模波导WR10, n型硅探测芯片和偏置恒流源组成。模拟分析了探测器的工作过程,给出了相对灵敏度表达式,结果表明过模探测器能很好地工作在TE10模式。合理设计了探测芯片的结构参数和加工工艺,完成了探测芯片的加工和探测器样机的制作。将探测器样机在0.14 THz相对论表面波振荡器的辐射场进行了初步的验证性实验,并与二极管检波器的测量结果进行了对比分析。结果表明:过模探测器样机的响应时间在ps量级,相对灵敏度约为0.12 kW-1,最大承受功率至少为数十W,可用于0.14 THz高功率脉冲的直接探测。     

圆波导硅探测结构对X波段电磁波模式的响应

采用数值模拟和理论分析方法,研究了圆波导内置n-Si探测结构对X波段几种常用电磁波模式的电场响应。首先基于强电场下的热载流子效应,设计了一种利用n-Si进行高功率脉冲实时测量的圆波导探测结构。接着采用三维并行电磁场时域有限差分方法,模拟研究并分析了TE11(两种极化方向)、TM01和TE01模式作用下圆波导探测结构内的横向电场分布特点。结果表明:不同模式下探测芯片内的横向电场均以径向电场为主,径向和角向电场幅度比约为10,而芯片在圆波导内引入的横向电场驻波比均不大于1.3。最后推导了圆波导探测结构在不同模式电场作用下的灵敏度表达式,理论分析指出了探测结构的最大承受功率与圆波导模式有关,最高可达422MW,响应时间则均为ps量级,初步证实了该探测结构可用于X波段百MW级脉冲波源在线探测的可行性。     

高功率过模圆波导到两路矩形波导功分器

基于模式匹配法分析了高功率过模圆波导到两路矩形波导功分器在传输过程中高阶模式的传输和反射问题,分析得到了高传输效率对过模圆波导的要求,并以此仿真设计了中心频率为2.88GHz的功分器,设计结果表明:在中心频率下反射系数为0.05,对应的圆波导TM01模到矩形波导TE10模传输效率大于99%,真空中功率容量为2.83GW;在2.82~2.94GHz的频带范围内反射系数小于0.1,对应的传输效率大于98%。     

超高速电光采样技术中的电光晶体设计

提出了在高速电光采样技术中利用AlGaAs光波导作为电光晶体来传输飞秒激光,从而可以大大降低半波电压,提高探测的灵敏度.首先研究了在加电和不加电情况下激光在AlGaAs光波导中的传输特性,进而讨论了TE模、TM模的相位差与外加电压之间的关系.结果表明:加载电压与TE0模和TM0模在波导输出截面的相位差呈线性关系.尤其是,采用AlGaAs光波导来传输飞秒激光,可使半波电压比传统方法降低一个数量级,从而可使其对弱信号的探测能力大大提高.     

圆波导TE01模激励器设计及实验研究

对比分析了几种可输出圆波导TE₀₁模激励器的仿真设计结果。结果表明,利用行波功分结构实现矩形波导TE₁₀模到4路矩形波导TE₁₀模的等幅同相功分,进而合成转换成圆波导TE₀₁模的转换过程,可在较宽的频带范围内,实现圆波导TE₀₁模的高效激励。以中心频率9.40 GHz仿真设计的圆波导TE₀₁模激励器,在中心频率上的传输效率超过99.9%;在9.08~9.61 GHz的频率范围内,传输效率大于99%。实验测量结果表明,所加工激励器在较宽的频带范围内,传输损耗优于-0.2 dB,与仿真结果的差异主要来自于波导壁面的欧姆损耗和波同转换结构;器件工作频带内平坦特性良好,有利于开展测量工作。     

波导内置硅块对高功率太赫兹脉冲的响应

利用三维电磁场时域有限差分法,对0.3~0.4 THz高功率太赫兹脉冲作用下置于矩形波导内部宽边中心的n型硅块响应规律进行了研究。通过对置入硅块前后矩形波导内电磁场分布、电压驻波比及硅块内平均电场的模拟分析,得出硅块几何尺寸和电阻率对上述物理量的响应规律,硅块长、宽、高和电阻率均会对波导内电压驻波系数产生影响,其中以高度影响最为明显;硅块内平均电场在低频段和高频段单调性不一致。最后,在优化硅块长、宽、高及电阻率的基础上,给出了一种可用于该频段高功率太赫兹脉冲直接测量的电阻探测器芯片设计方案,其相对灵敏度约为0.509 kW-1,幅度波动不超过14%,电压驻波比不大于1.34。     

V波段圆波导TE_(01)模式激励器

V波段圆波导TE01模式激励器由矩形TE10模式到矩形TE20模式变换器和矩形TE20模式到圆波导TE01模式变换器组成。采用H面(磁面)转弯激励的方式实现矩形TE10模式到矩形TE20模式的变换;根据圆波导TE01模式的场分布特性,引入过模波导实现了矩形TE20到圆波导TE01的变换。计算结果表明设计的激励器转换效率在95%以上;模式纯度在98%以上的相对带宽可达4.2 GHz;其中在43.4 GHz处的最大转换效率为99.08%,纯度为99.20%。     

具有同轴结构的高功率微波弯曲波导设计

 基于模式耦合理论,在理论推导出弯曲同轴波导TEM模和同轴TE11模之间耦合系数显式表达的基础上,报道了可传输同轴TE11模的弯曲同轴波导的设计方法和计算结果,并进行了实例研究。数值仿真结果表明：设计的具有同轴结构的弯曲波导,利用不同的同轴空间,在P,L,S波段中心频率0.680,1.575和3.75 GHz处TE11模单模传输效率超过了99.5%,单模传输效率超过90%的工作带宽分别为0.60～0.83,1.10～2.42和3.10～4.16 GHz。该结构的功率容量在各频段均达到了GW量级。     

95 GHz TE03模回旋管内置渐变波导设计

在耦合波理论的基础上,结合波导渐变曲线给出了普适高阶渐变波导设计方法,研究了95 GHz回旋管内置 TE03模式改进Dolph-Chebychev渐变波导。采用编制的数值计算程序进行优化,得到了可靠的最优几何参量,设计出了紧凑的95 GHz渐变波导。经全电磁场仿真验证,该内置渐变输出结构对杂模的抑制达30 dB,满足设计要求。回旋管的热测实验中测出的模式样图表明,所设计的内置渐变波导有效地实现了回旋管内径变化。该方法可以高效地指导高阶过模圆波导渐变结构的设计。     

过模同轴转弯波导的设计

介绍了一种过模同轴转弯波导的基本原理,分析了过模同轴波导基模实现高效率转弯传输的条件及转弯过程中的模式问题,设计了中心频率为4.0GHz、转弯角度为45°的过模同轴转弯波导。数值计算结果表明:过模同轴转弯波导在中心频率的基模传输效率大于99%,反射系数为0.04;在3.8~4.2GHz的频率范围内基模传输效率大于95%,反射系数小于0.22。该过模同轴转弯波导的转弯半径约80mm,具有转弯半径小、结构简单、转弯角度灵活的特点,且内部无介质支撑,适用于高功率微波馈线系统中过模同轴波导基模的转弯传输。     

同轴转弯波导的设计与实验研究

提出了一种同轴转弯波导。介绍了该同轴转弯波导的基本原理,设计并数值模拟了中心频率为4.0 GHz的同轴转弯波导,并对此同轴转弯波导进行了实验研究。实验结果表明:同轴转弯波导在中心频率4.0 GHz下,传输损耗约为0.17 dB,驻波系数为1.2;在3.8~4.2 GHz的频率范围内传输损耗小于0.2 dB,驻波系数小于1.25。同轴转弯波导内部无介质支撑,且体积小,结构简单,易于实现,适用于高功率微波馈线系统中的同轴波导的转弯和连接。     

A novel overmoded slow-wave high-power microwave (HPM) Generator

We present the design and experimental results of a novel overmoded slow-wave high-power microwave (HPM) generator that is featured by its compactness, low-operation magnetic field, and potentially high power and high efficiency. The device includes two slow-wave structure (SWS) sections, a resonant cavity, and a tapered waveguide. The resonant cavity was well designed and was used to achieve the axial mode selection and to decrease the length of the SWS sections. The radial mode selection is achieved using the property of "surface wave" of the device to excite the TM/sub 01/ mode while making the higher TM/sub 0n/ modes unexcited. The physical mechanisms of axial and radial mode selections ensure that the microwave is produced with a single mode and a narrow band. The feasibility of low magnetic field operation is also investigated based on the characteristics of the overmoded slow-wave devices. Experiments were carried out at the Spark-2 accelerator. At diode voltage of 474 kV, beam current of 5.2 kA, and guiding magnetic field strength of 0.6 T, a microwave was generated with power of 510 MW, mode of TM/sub 01/, and frequency of 9.54 GHz. The relative half width of the frequency spectrum is /spl Delta/f/f= 0.6%, and the beam-to-microwave efficiency is about 21% in our experiment.     

A Mode Converter with Multi-waveguide Output from the TE01 Circular Waveguide Mode to the TE10 Rectangular Mode for Millimeter Wave Gyro-device Applications

A mode converter with multi-waveguide output for millimeter wave gyro-device applications is proposed in this article, which is used to convert the TE₀₁ circular waveguide mode into the TE₁₀ rectangular waveguide mode. Computer simulations with Ansoft HFSS code show that the energy transmission coefficient of larger than 95.96% may be reached in the frequency range from 34.094 GHz to 35.8 GHz (a bandwidth of 1.706 GHz) at a VSWR of lower than 1.5 for the input operating mode.     

折叠矩形槽波导行波管输入输出过渡波导

为了将槽波导端与标准矩形波导相连接,设计了一种适用于折叠槽波导结构行波管的输入输出过渡波导, 可将其视为槽宽渐变的双槽加载矩形波导。利用电磁仿真软件CST微波工作室对该结构进行仿真计算,讨论了各个结构参数对其性能的影响。对比了直线渐变、抛物线渐变和指数渐变3种槽宽渐变规律在W波段对其传输特性及损耗特性的影响。研究结果表明:指数渐变结构的驻波系数小于1.15的带宽比其他两种结构都要宽,且在90~99 GHz、驻波系数小于1.25时,该结构的整体长度也远小于另外两种结构,能够实现良好的过渡效果; 而直线渐变结构的损耗在90~97 GHz为最低。     

140-GHz gyrotron experiments based on a confocal cavity

We have designed and experimentally demonstrated the operation of a novel quasioptical gyrotron oscillator based on an overmoded confocal waveguide cavity. This cavity effectively suppresses undesired modes, and therefore has extremely low mode density. Stable single-mode, single-frequency operation was achieved in the TE₀₆ mode at 136 GHz. A peak RF output power of 66 kW, corresponding to an efficiency of 18%, was measured. By varying the cavity magnetic field, high-power generation was observed at 136 GHz in the TE₀₆ mode and at 114 GHz in the TE₀₅ mode. These frequencies correspond to the high Q modes of the confocal resonator. The low Q modes were either weak or not observed. In this paper, we will review the design procedure for this cavity and present experimental data verifying its effectiveness in reducing the number of modes that can be excited. The confocal waveguide could also be used in high-power, gyro-TWT amplifiers to provide greater operating stability and bandwidth, especially in an overmoded waveguide structure     

过模圆转弯波导的设计与实验

 研究了一种新型的过模圆转弯波导,可实现圆波导TM₀₁模的转弯传输。介绍了这种过模圆转弯波导的基本原理：即沿转弯平面插入一块金属板,将圆波导转换为两个半圆波导。圆波导TM₀₁模在半圆波导中转换为半圆波导TE₁₁模,经转弯传输后,重新将半圆波导TE₀₁模转换为圆波导TM₀₁模,从而实现圆波导TM₀₁模的转弯传输。基于这一原理设计了一个中心频率为2.856 GHz、转弯45°的过模圆转弯波导,并进行了数值模拟和实验研究。实验结果表明：其转弯半径为123.7 mm,转弯半径较小;在中心频点2.856 GHz处,传输损耗约为0.247 dB,驻波系数为1.217;在2.75～2.95 GHz的频率范围内传输损耗小于0.53 dB,驻波系数小于1.34。