圆柱盒型窗的连续波功率容限问题的研究

 运用精确的解析推导方法对圆TE₁₁模微波窗的额定平均功率公式做了修正，给出了圆柱盒型窗中介质窗片温升的具体计算方法，并结合实际问题对圆柱盒型窗用于传输高功率连续波时的功率容限和鬼模振荡的特殊危害性以及排除方法进行了详细的讨论。研究结果表明：在L波段，只要排除工作频带内的鬼模，普通圆柱盒型窗用于传输120~150kW的连续波不成问题，并且可以得到14%左右的相对带宽。     

Q波段回旋行波管新型盒型输出窗的设计

利用等效电路理论,初步设计了窗片厚度为1.32mm的回旋行波管盒型输出窗,再加入感性膜片,更改窗片形状,最终设计出了能承受25kW平均功率、相对带宽达到14%、窗片厚度达到1.7mm的Q波段新型宽频带回旋行波管盒型输出窗;采用高频软件HFSS与有限元分析软件ANSYS协同仿真的新方法对回旋行波管盒型窗进行热特性研究表明,盒型窗理论上功率容量达到62kW平均功率,说明输出窗窗片承受25kW平均功率的可行性,窗片中心与边缘的温差为66℃,没有达到陶瓷窗片的临界温差158℃,验证了新型盒型窗设计的合理性。     

W波段折叠波导行波管振荡抑制

为了抑制W波段折叠波导行波管研制中的自激振荡,保证行波管正常放大工作,分析了折叠波导慢波结构中反射振荡、返波振荡和带边振荡的产生原因,开展了折叠波导行波管振荡抑制技术研究,通过优化设计和工艺研究采用周期跳变作为关键技术用于W波段折叠波导行波管的研制。通过模拟检验和实验验证,证明采用了振荡抑制技术后行波管自激振荡得到了有效的抑制,W波段脉冲行波管在20%占空比时脉冲输出功率大于100 W,带宽大于5 GHz。     

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。     

0.22THz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。     

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。     

高功率微波馈源输出窗的研究

 结合物理光学和几何光学，讨论了高功率微波馈源真空输出窗的形状和厚度的设计方法，给出了一个X波段、脉冲功率容量1.5 GW、外径548 mm、高83.4 mm、厚33.4 mm的高斯馈源聚四氟乙烯碟形真空输出窗的设计实例。在中心频率9.3 GHz时测试输出窗的驻波系数为1.07,驻波系数小于1.24的频带为9%,带介质窗的馈源方向图与不带介质窗的馈源方向图基本一致。应用一维传热学理论对介质窗内部的温度分布进行了分析。冷测结果与理论结果基本一致。     

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。     

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。     

1.55-μm大功率高速直调半导体激光器阵列

提出一种基于AlGaInAs材料的1.55-μm波段的大功率、高速直调分布反馈(DFB)激光器阵列。采用具有良好温度特性和高微分增益的AlGaInAs材料作为量子阱和波导层以实现大功率与高带宽的输出;引入稀释波导结构来减小有源区内部损耗,同时降低远场发散角;采用悬浮光栅并优化耦合系数以实现大注入电流下的单模稳定工作。最终实现了1.5-μm波段5波长的大功率直调激光器阵列,阵列波长间隔约为5 nm,室温连续波(CW)工作时各通道输出光功率均大于100 mW,单通道最大输出光功率为160 mW,500 mA工作电流范围内边模抑制比大于55 dB,小信号调制带宽可达7 GHz,激光器最小线宽为520 kHz,相对强度噪声低于-145 dB/Hz。     

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。     

高功率盒形窗内次级电子倍增效应

以S波段高功率盒型窗为对象,采用Monte Carlo模拟方法对盒型窗内的次级电子倍增效应进行研究,探索次级电子的倍增规律。模拟得到了盒型窗内TE11模和TM11模共同作用下,两种陶瓷窗片表面次级电子倍增活跃的区域随传输功率的变化特点。在低传输功率下,次级电子仅在未镀膜窗片表面被激励,并以双面倍增的方式在金属法兰与镀膜窗片相对应的区域增长;在较高的传输功率下,窗片表面的次级电子将以单面倍增的方式活跃在窗片表面与波导口相对的区域。传输功率的升高使得镀膜窗片表面的次级电子倍增活跃区域转移到矩形波导窄边对应的区域,并加剧了未镀膜窗片表面的局部倍增效应。     

Ka波段8路径向波导空间功率分配(合成)器

通过理论研究以及高频仿真相结合的方法分析设计了一款新型Ka波段8路径向波导空间功率分配(合成)器。研发的新结构输入输出段为标准矩形波导结构,代替了传统功率分配(合成)器输入输出段的同轴结构,这种新型全金属结构更加简单紧凑,更易于加工。仿真结果表明:功率分配(合成)器工作带宽达到了34%(12GHz),基本覆盖整个Ka波段;全频带内反射系数S11低于-20dB,各支路的相位差均小于5°。通过在同轴波导渐变段引入切比雪夫渐变结构,在减小了器件尺寸的同时,在整个频带内的网络S参数也不错。这款新型Ka波段8路径向波导功率分配(合成)器将应用于前级固态功率放大器,推动回旋行波管项目研发。     

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。     

圆波导TM_(01)-矩形波导TE_(10)模式转换器

设计了一种高功率圆波导TM01-矩形波导TE10模式转换器,可以实现圆波导TM01模式与矩形波导TE10模式之间的相互转换。仿真结果表明:中心频率为9.7GHz时该模式转换器转换效率大于99.99%,回波损耗小于-40dB,转换效率大于90%时的带宽大于0.4GHz。调节底面短路圆波导长度可以实现模式转换器在9.2~10.1GHz范围内调谐(模式转换效率大于99%)。在圆波导和耦合段连接处引入倒角可有效降低场强,提高功率容量,注入功率0.7GW,其表面场强小于1 MV/cm。     

圆窗片表面次级电子倍增效应的数值模拟

基于Monte Carlo模拟算法, 建立了粒子输运模型, 通过对盒形窗内圆窗片表面次级电子倍增现象进行数值仿真, 获得了TE₁₁模非均匀分布电场作用下次级电子倍增的规律. 结果表明: 在微波输入端, 指向窗片表面的磁场力起到了维持次级电子与窗片碰撞的作用, 在电场强度较高的区域倍增剧烈, 有质动力对倍增无贡献; 在微波输出端, 受背离窗片表面磁场力的影响, 在表面静电场较弱的情况下, 次级电子倍增不能发生; 当表面静电场足以维持单面倍增的发生, 随着传输功率的增大, 电子渡越时间增长, 有质动力使得倍增强烈的区域由强电场区逐渐转移到弱电场区域. 对利用外静电场抑制微波输入端次级电子倍增效应的方法进行了数值模拟验证. 关键词： 圆窗片 11模')" href="#">TE₁₁模 次级电子倍增 MonteCarlo模拟     

Optimum Design for RF Windows in Millimeter Wave High Power Tubes

The pill-box and block RF windows for millimeter wave (MMW) tubes are presented. The pill-box window is suitable for broadband MMW tubes. And the block window can be used for high power tubes in short MMW. The equivalent circuits for two windows are given. To reach better match characteristics in wider operating bandwidth, the optimum design methods for pill-box and block window in MMW tubes are described in this paper. The testing results show that the theoretic computation is fast and useful accuracy. The design methods possess references value to designer for MMW tubes.     

高功率TE_(01)过模斜接弯头设计

设计并分析了TE01斜接弯头结构,该结构由两段相同且垂直的模式变换段及与模式变换段呈45°斜接的金属镜面组成。整个结构等效于两个模式变换段对接,但中间存在间距为波导直径的缝隙。模式变换段将纯TE01模式转换为TE01和TE02的混合模式,该混合模式在缝隙中传播时电场呈现对称分布,从而降低了模式转换损耗,提高了传输效率。对设计的Ka波段TE01斜接弯头结构的理论仿真和加工实测结果表明:中心频点转换效率在98%以上,在2 GHz带宽内传输效率95%以上,插损小于0.2 dB,驻波小于1.2。