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%.     

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     

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％.     

毫米波静电聚焦行波管电子光学系统的设计

介绍了静电聚焦方式在毫米波行波管中的独特优势,分析了周期静电聚焦场的建立方法。基于某Ka波段行波管,首先根据指标要求设计了强流电子枪并选择类梳齿状结构作为其慢波电路,然后对电子枪和类梳齿状慢波电路组成的电子光学系统进行了模拟计算,最后对慢波电路的关键尺寸进行了容差分析。结果显示,在周期静电场的作用下,电子注全部平稳地通过了慢波系统。良好的静态通过率为后续高效率的注-波互作用奠定了基础,证明了利用静电场聚焦毫米波行波管中大电流密度电子注的可行性。     

螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

毫米波静电聚焦行波管电子光学系统的设计

介绍了静电聚焦方式在毫米波行波管中的独特优势,分析了周期静电聚焦场的建立方法。基于某Ka波段行波管,首先根据指标要求设计了强流电子枪并选择类梳齿状结构作为其慢波电路,然后对电子枪和类梳齿状慢波电路组成的电子光学系统进行了模拟计算,最后对慢波电路的关键尺寸进行了容差分析。结果显示,在周期静电场的作用下,电子注全部平稳地通过了慢波系统。良好的静态通过率为后续高效率的注-波互作用奠定了基础,证明了利用静电场聚焦毫米波行波管中大电流密度电子注的可行性。     

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.     

行波管中慢电磁行波与电子注非线性互作用普遍理论

在同时考虑多信号输入和相对论效应的情况下，利用波导激励理论获得了行波管中慢电磁行波与电子注非线性互作用的全三维自洽工作方程组，包括激发方程、运动方程、能量转化方程、相位演化方程等，适合大部分行波管中慢电磁行波与电子注的非线性互作用过程.利用该理论具体分析了一个宽带螺旋线行波管在多信号输入时的交叉调制，并与实验结果进行了比较，验证了理论和计算的正确性.另外，还模拟了一个相对论盘荷波导行波管中的非线性注波互作用过程. 关键词： 行波管 慢电磁行波 非线性注波互作用 交叉调制     

W波段回旋行波管放大器的模拟与设计

回旋行波管放大器是高功率毫米波雷达发射系统最重要的候选者.通过对回旋行波管放大器中的绝对不稳定性、回旋返波振荡以及电子注-波互作用的研究，讨论了回旋行波管的稳定性、寄生模式的抑制和工作参数的优化等问题，给出了W波段TE₀₁模回旋行波管放大器的模拟设计结果.PIC粒子模拟结果表明，在电子注电压100kV、电流10A、工作磁场3.52T时，94GHz的基波回旋行波管放大器可获得大于250kW的输出功率、40dB的增益、大于25％的效率和约5％的带宽. 关键词： W波段 回旋行波管放大器 模拟 设计     

基于三端口网络模型的折叠波导行波管注波互作用理论研究

将周期性慢波结构中的单元结构等效为一个三端口网络,利用高频结构模拟软件确定等效模型的参数,由此建立了一种通用的慢波结构等效模型.该方法不需要进行复杂的电路等效,直接由高频软件得到通道内场分布,因此较解析方法简单,又不像等效线路模型那么烦琐.基于该三端口网络模型,建立了适用于折叠波导行波管的一维注波互作用非线性理论模型,编写了数值计算程序,对一支折叠波导行波管进行了模拟.该理论模型模拟的结果与实验结果误差小于10%.该理论模型可以用于指导新型折叠波导行波管的设计及非线性模拟研究.     

矩形螺旋线行波管注-波互作用3维模拟

运用3D粒子模拟软件MAGIC分析了矩形螺旋线行波管(TWT)的注 波互作用过程。模型设计了电导率线性渐变的电阻耦合器代替同轴输入输出结构来减少反射,消除自激震荡。仿真结果表明： 矩形螺旋线TWT模型能够进行有效的注 波互作用,完全可以反映管内互作用的非线性本质,证明了模型设计的合理性,并对影响注 波互作用的一些重要参量进行了讨论。设计的X波段TWT可达到的指标为：工作频率8~12 GHz,输出功率峰值达480 W,3 dB带宽为4 GHz,电子效率为11.8%。     

A novel slotted helix slow-wave structure for high power Ka-band traveling-wave tubes

A novel slotted helix slow-wave structure （SWS） is proposed to develop a high power, wide-bandwidth, and high reliability millimeter-wave traveling-wave tube （TWT）. This novel structure, which has higher heat capacity than a conven- tional helix SWS, evolves from conventional helix SWS with three parallel rows of rectangular slots made in the outside of the helix tape. In this paper, the electromagnetic characteristics and the beam-wave interaction of this novel structure operating in the Ka-band are investigated. From our calculations, when the designed beam voltage and beam current are set to be 18.45 kV and 0.2 A, respectively, this novel circuit can produce over 700-W average output power in a frequency range from 27.5 GHz to 32.5 GHz, and the corresponding conversion efficiency values vary from 19% to 21.3%, and the maximum output power is 787 W at 30 GHz.     

0.34THz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。     

宽带大功率螺旋线行波管返波振荡研究

在一维场论注-波互作用理论的基础上,引入磁场对角向速度的影响,建立了二维非线性返波注-波互作用理论,模拟返波振荡.对不同空间电荷参量下起振长度的变化进行了小信号分析比较,结果与等效线路模型比较接近;对某8—18GHz行波管进行了实测比较,结果也比较一致.同时还研究了影响返波振荡起振长度的因素,提出了该管的抑制返波振荡方案.     

S波段宽带大功率连续波耦合腔行波管3维模拟设计

 使用3维PIC粒子模拟软件定量分析了耦合腔行波管的大信号注波互作用行为。使用完整的仿真模型完成了S波段连续波管型的设计,达到如下设计指标：工作频率2.0~2.3 GHz,输出功率4.3 kW,频带内增益波动±0.7 dB。提出了使用大介电常数微扰介质棒减小耦合阻抗计算误差的方法,研究了行波管的冷腔特性,给出了色散、耦合阻抗等参数。     

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。     

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。     

Analysis of a Novel Ka-band Folded Waveguide Amplifier for Traveling-Wave Tubes

A novel Ka-band folded waveguide （FW） amplifier for traveling wave tubes （TWT） is investigated. The dispersion curve and interaction impedance are obtained and compared to the normal FW circuit by numerical simulation. The interaction impedance is higher than a normal circuit through the whole band. We also study the beamwave interaction in this novel circuit, and the nonlinear large-signal performance is analyzed by a 3-D particlein-cell code MAGIC3D. A much higher continuous-wave （CW） output power with a considerably shorter circuit compared to a normal circuit is predicted by our simulation. Moreover, the novel FW even has a broader 3-dB bandwidth. It therefore will be useful in designing a miniature but high-power and broadband millimeter-wave TWT.