新型毫米波大功率器件——折叠波导行波管

折叠波导行波管是近年来涌现的一类新型毫米波大功率器件。它具有宽频带和大功率的优点,制造成本低,且可以与微波功率模块（MPM）组合实现小型化;由于紧凑的整体极靴,能对低电压电子注聚焦,因而很适合要求轻重量的场合。折叠波导行波管在短厘米波段和毫米波段具有极好的发展前景。     

Q波段通信折叠波导行波管研究

针对通信行波管卫星上行链路高频率、宽频带、大功率和高线性度的应用特点,开展了Q波段折叠波导通信行波管电子光学和慢波线互作用设计研究。在设计基础上,通过加工零部件进行制管验证,攻克了慢波线加工、装配、焊接工艺和副特性补偿等关键技术,研制出饱和输出功率大于200 W、效率优于38%、线性指标优异的Q波段折叠波导行波管,为类似Q波段通信折叠波导行波管研发提供重要设计参考。     

折叠波导行波管PIC 模拟中的相位分析方法研究

由于非线性计算特别是场相位方面缺乏专门的分析工具及方法,一直难以对折叠波导行波管的电子效率及副特性进行准确分析。通过CST PARTICLE STUDIO的PIC仿真模块,利用行波管注波互作用中的轴向基波电流与轴向基波电场的相位差表征注波相位关系,提出了一种相位分析方法。通过比较V波段折叠波导行波管单跳变周期结构与均匀周期结构的注波互作用模拟结果,揭示了注波互作用中相位聚焦的物理机理,优化后电子效率提高了5.13%,验证了PIC模拟中相位分析方法的合理性。     

一种开敞式脊加载折叠波导慢波电路的高频特性

提出了一种开敞式脊加载折叠波导慢波结构.通过除去直波导段周围的金属边界,形成一种开敞式结构以减弱色散,同时在直波导段加脊以提高耦合阻抗.研究表明,和传统结构相比,新型结构在不影响带宽的前提下,有效提高了耦合阻抗,尤其在大功率设计情况下,耦合阻抗的提高接近1倍.     

0.22 THz折叠波导行波管设计

在一支0.22 THz折叠波导行波管样管的模拟设计和实验研究基础上,对该样管进行了优化设计。对慢波损耗特性、慢波结构的尺寸冗余度进行了研究,对结构加工进行了进一步的考虑,对样管的实验研究进行了详细讨论并论述了新慢波结构的设计。采用HFSS软件结合大信号理论计算进行模拟,结果表明,折叠波导行波管的输出功率不低于100 mW,带宽不低于5 GHz。     

微电真空折叠波导行波管放大器的电子枪设计

研制工作于太赫兹波段的微电真空折叠波导行波管(FWG-TWT)放大器,需要设计束流集中且发射度小、结构紧凑的热阴极电子枪.本文首先依据典型皮尔斯电子枪的设计理论,通过编程计算初步选定了热阴极电子枪的基本结构参数,然后利用模拟工具对电子枪的结构参数模型进行了初步的仿真优化.针对工作频率为0.22 THz的微型折叠波导行波...     

F波段折叠波导行波管研制

毫米波行波管具有效率高、功率大、频带宽的特点,在国防和国民经济领域发挥着越来越重要的作用,因此对新型毫米波行波管的研究具有重要的现实意义。为填补F波段行波管研制空白,本文开展该频段行波管的研制工作,利用CST和MTSS软件完成对F波段折叠波导行波管慢波系统和输能系统的优化设计,并根据设计结果研制样管一支。样管测试结果显示工作电压20.3 kV、电流50 mA,103～110 GHz频带范围内输出功率大于20 W,增益大于25 dB,该测试结果与模拟仿真结果吻合较好。     

0.14 THz折叠波导行波管中衰减器的设计

0.14 THz折叠波导行波管是一种宽频带高增益器件,容易产生自激振荡,破坏管子的正常工作。在管内加入衰减器是抑制其振荡的核心技术。本文考虑了衰减材料的配比选择,以及结构形状的匹配,运用三维模拟软件对衰减器的吸收和反射特性进行计算,优化并研制出适合0.14 THz行波管使用的衰减器。进行冷测后,其匹配和吸收特性都满足衰减器需求,为制作0.14 THz行波管放大器奠定了基础。     

耳型折叠波导慢波结构W波段行波管

毫米波行波管具有大功率、宽频带、高增益等特点，广泛用于雷达、高速通信、电子对抗等现代军事装备中。为提高折叠波导耦合阻抗并考虑工程应用性，提出一种耳型折叠波导新型慢波结构。与常规矩形波导相比，工作频带内耦合阻抗提高30%以上，损耗降低10%。研制的耳型折叠波导W波段行波管，在工作电压21.9 kV，电流210 mA，占空比为5%时，10.8 GHz带宽内输出功率大于192 W，峰值功率达278 W，电子效率和增益分别达到6.3%和44.6 dB，行波管工作稳定。     

0.22 THz微电真空折叠波导行波管的聚焦磁场研究

在0.22 THz微电真空折叠波导行波管放大器(FWG-TWT)的设计中,为了保证在电子枪中产生的、具有所需电流密度的电子注能够稳定、成型地注入互作用区,并维持较高的电子通过率,需仔细设计磁场聚焦系统。本文在 FWG-TWT 中使用螺线管线圈和周期永磁聚焦系统(PPM)2种磁场结构来实现电子束流的稳定注入和传输。通过三维仿真软件对此电子光学系统进行模拟计算,重点考察了磁场的初始位置、磁感应强度峰值以及磁体厚度等对电子束传输特性的影响。仿真结果表明,在合理的参数范围内,电子注静态通过率可以接近100%,波动很小,能够实现束流的稳定注入和传输。     

太赫兹翼片加载折叠波导行波管放大器的研究

翼片加载折叠波导电路是一种改进型的行波管互作用电路。与原始结构相比,它具有提高的耦合阻抗、扩展的横向尺寸以及更加灵活的设计能力,因此适合工作在太赫兹频段。首先采用理论模型设计了工作频率0.22THz的慢波结构;然后采用三维粒子模拟技术对翼片加载折叠波导行波管放大器的非线性性能进行了研究。结果显示,新型结构具有高的互作用效率和宽频带放大的能力。在中心工作频率220GHz处,2mW的驱动功率下可以得到4W的饱和输出功率,对应的电子效率和增益分别为2.47%和33dB（考虑了电路的导体损耗）;恒定功率下扫频模拟显示,放大器的瞬时3dB带宽可达13.6,频率范围覆盖205～235GHz。     

新型慢波系统毫米波行波管研究

研究了三种新型的曲折波导慢波系统,分别是曲折双脊波导、脊加载曲折波导和矩形槽加载曲折波导。给出了其高频特性的理论和仿真结果。然后介绍了基于常规曲折波导和脊加载曲折波导慢波系统的Ka 波段行波管的实验结果。     

Investigation of the Dielectric-Loaded Folded Waveguide Traveling-Wave Tube Amplifier

The cold-test characteristics of the dielectric-loaded folded waveguide traveling-wave tube (FWTWT) amplifier are investigated theoretically and the Pierce small-signal theory is employed to confirm the results. For the purpose of analysis, the discussions are separated into symmetric case and unsymmetrical case according to the loading form of the dielectrics. The calculation results indicate that both of them, especially the unsymmetrical form, can significantly reduce the phase velocity and flatten the dispersion curve. However, loading dielectric in an unsymmetrical form will lead to a large decrease in the on-axis interaction impedance, thus it is recommended to use the symmetrical form. It is further found that when the thickness of the dielectric is small, i.e. h ₁/a ≤ 0.1, the interaction impedance is slightly affected by the variations on dielectric constant. The Pierce linear theory for a Q-band dielectric-loaded FWTWT amplifier shows that the bandwidth is increased from 15.08% to 27.03% and the operating voltage is decreased from 20.5 kv to 18.6 kv.     

亚毫米波折叠波导慢波结构的损耗特性研究

损耗是慢波结构的重要参量之一.采用理论与仿真的方法分析了在亚毫米波段(220 GHz)折叠波导慢波结构的导体损耗.在理论模型计算了弯曲波导段的衰减系数,并考虑了波导内表面粗糙度对电导率的影响,从而使模型更接近实际情况.计算结果表明,弯曲波导段的衰减常数大于直渡导段,而且理论模型计算出的每周期折叠波导电路的损耗与高频仿真软件HFSS的结果吻合较好,说明理论模型有较高的精确度.在此基础上,分析了慢渡结构参数变化对损耗的影响.     

多注毫米波行波管高频特性及波注互作用模拟

建立了多注毫米波行波管慢波结构,并对其色散特性和耦合阻抗特性进行了模拟与分析,建立43个慢波周期的互作用结构。通过PIC粒子模拟分析电子互作用情况,得到了以下结论:该行波管的工作频率在32.4～34 GHz,输入功率为10 mW时,最高输出功率可达到121 W,增益达40.8 dB。     

W波段V型曲折矩形槽波导行波管的模拟研究

分析了一种新型慢波线-V型曲折矩形槽波导慢波结构,利用电磁仿真软件CST及HFSS对其高频特性进行了模拟计算,并在此基础上设计了工作在W波段的V型曲折矩形槽波导行波管的互作用结构.利用CST粒子工作室对其注-波互作用特性进行了模拟分析.结果表明:W波段V型曲折矩形槽波导行波管能够有效放大微波信号,且频谱纯净.     

折叠波导慢波结构太赫兹真空器件研究

简要介绍了利用折叠波导慢波结构的太赫兹真空辐射源的发展现状,重点对折叠波导慢波结构的特点进行了研究,并利用这种慢波结构开展了W、D波段行波管,W波段和650GHz返波振荡器,560GHz反馈振荡放大器的设计、计算和模拟优化,分别得到了较好的结果,并实际研制出W波段连续波行波管,输出功率达到8W。对太赫兹真空辐射源的部件技术、微细加工技术进行了研究和分析。