Design of a re-entrant double-staggered ladder circuit for V-band coupled-cavity traveling-wave tubes

The re-entrant double-staggered ladder slow-wave structure is employed in a high-power V-band coupled-cavity traveling-wave tube. This structure has a wide bandwidth, a moderate interaction impedance, and excellent thermal dissipation properties, as well as easy fabrication. A well-matched waveguide coupler is proposed for the structure. Combining the design of attenuators, a full-scale three-dimensional circuit model for the V-band coupled-cavity traveling-wave tube is constructed. The electromagnetic characteristics and the beam-wave interaction of this structure are investigated. The beam current is set to be 100 mA, and the cathode voltage is tuned from 16.8 kV to 15.8 kV. The calculation results show that this tube can produce a saturated average output power over 100 W with an instantaneous bandwidth greater than 1.25 GHz in the frequency ranging from 58 GHz to 62 GHz. The corresponding gain and electronic efficiency can reach over 32 dB and 6.5%, respectively.     

A staggered double vane circuit for a W-band traveling-wave tube amplifier

Based on the combination of a staggered double vane slow wave structure(SWS) and round electron beam,a 200-W W-band traveling-wave tube(TWT) amplifier is studied in this paper.The main advantages of round beam operation over the sheet beam is that the round beam can be formed more easily and the focus requirement can be dramatically reduced.It operates in the fundamental mode at the first spatial harmonic.The geometric parameters are optimized and a transition structure for the slow wave circuit is designed which can well match the signal that enters into and goes out from the tube.Then a TWT model is established and the particle-in-cell(PIC) simulation results show that the tube can provide over 200-W output power in a frequency range of 88 GHz-103 GHz with a maximum power of 289 W at 95 GHz,on the assumption that the input power is 0.1 W and the beam power is 5.155 kW.The corresponding conversion efficiency and gain at 95 GHz are expected to be 5.6% and 34.6 dB,respectively.Such amplifiers can potentially be used in high power microwave-power-modules(MPM) and for other portable applications.     

V波段大功率带状注曲折波导行波管

利用曲折波导慢波结构和一个长宽比为3∶1的带状电子注作为注-波互作用电路,完成了对V波段大功率行波管互作用电路的设计。分析了带状电子注通道对高频特性的影响,并在综合考虑色散和耦合阻抗的情况下得到了优化的结构参数。建立了3维的V波段带状注曲折波导行波管的电路模型,并利用CST粒子工作室完成了注-波互作用的仿真研究。研究结果表明,当工作电压和电流分别为17 kV和150 mA时,带状注曲折波导行波管在58~62 GHz时的饱和平均输出功率大于160 W,增益大于34.7 dB。     

140GHz大功率交错双栅行波管的设计和模拟研究

采用交错双栅结构,结合带状电子注,研究了一种工作在140 GHz频段的大功率行波管. 本振模数值计算表明该结构具有良好的色散特性和耦合阻抗.针对所采用的慢波结构, 提出了慢波过渡结构、输入输出耦合器和集中衰减器,保证了行波管的良好工作. 利用三维大信号模拟计算的方法得到的结果显示,当电子注直流功率为5.115 kW,输入信号功率为0.1 W时, 所研究的行波管能在132-152 GHz范围内提供大于300 W的峰值功率,其中在138 GHz时得到最大功率546 W, 对应增益为37.37 dB.当在0.027-0.46 W内调节输入信号功率,可以保持该行波管在128-152 GHz 频带内得到大于440 W的峰值功率,对应的电子效率大于8.6%. 结果显示该行波管将在大功率短毫米波领域具有重要意义和潜在应用价值.     

基于双排矩形梳状慢波结构的W波段宽频带行波管模拟研究

提出采用圆形电子注和双排矩形梳状慢波结构作为W波段宽频带行波管注波互作用回路. 对该慢波回路的"冷"态特性、输入输出结构等方面进行了模拟仿真和分析, 研究结果表明, 该结构色散特性较好, 带宽较宽; 通过调整双排矩形梳状慢波结构之间的距离和电子注通道半径的尺寸, 圆形电子注系统取得了和带状注系统相同的耦合阻抗; 且该结构传输特性较好, 优化后整管的驻波比能在较宽的频带内保持在2以下. 此外, 对该慢波系统的大信号理论计算和PIC粒子模拟结果一致. 在50 mW驱动功率下, 输出功率在10 GHz带宽内大于40 W, 增益高于29 dB.     

800 V行波管研究

提出了一种角度对数周期微带曲折线慢波结构,该结构具有微带型慢波结构尺寸小、易加工的特点,同时特殊的结构使得它可以工作在极低的电压下,可用于低工作电压、宽频带毫米波径向束行波管。给出了这种慢波结构在Ka波段的色散特性和传输特性,并进行了注波互作用的分析。计算结果表明:该新型慢波结构的工作电压可低至809 V,输出功率26 W,3 dB带宽约为19 GHz (27~46 GHz),虽然单个角度对数周期微带曲折线慢波结构的输出功率较小,但是这种结构通过功率合成,可以达到数百W的功率输出。     

220 GHz三级串联交错双栅慢波结构

提出了一种220 GHz三级串联的交错双栅行波管结构,针对影响整体传输性能的核心部件输入输出耦合器进行了详细分析,并以此为基础设计了串联交错双栅慢波结构。通过数值模拟分析,确定了一种由齿深渐变光栅和半圆同心弯头组成的新型输出输入耦合结构。整管粒子仿真结果显示慢波结构内部没有出现振荡现象,且在220 GHz达到了30 dB增益,3 dB带宽达到23 GHz,有效改善了该类串联结构由于多个电子注加载通道造成的行波管传输特性下降问题。     

800 V行波管研究

提出了一种角度对数周期微带曲折线慢波结构,该结构具有微带型慢波结构尺寸小、易加工的特点,同时特殊的结构使得它可以工作在极低的电压下,可用于低工作电压、宽频带毫米波径向束行波管。给出了这种慢波结构在Ka波段的色散特性和传输特性,并进行了注波互作用的分析。计算结果表明：该新型慢波结构的工作电压可低至809 V,输出功率26 W,3 dB带宽约为19 GHz (27~46 GHz),虽然单个角度对数周期微带曲折线慢波结构的输出功率较小,但是这种结构通过功率合成,可以达到数百W的功率输出。     

140 GHz菱形微带曲折线慢波 结构行波管的模拟计算

提出了一种新型的菱形微带曲折线慢波结构。该结构可适用于低电压、宽带宽、中等功率水平的高效率毫米波行波管。和传统的慢波结构相比,微带曲折线是一种平面结构,因此其加工工艺可采用2维微细加工技术。该结构可以用带状电子束进行注-波互作用,并且不需要额外的电子束通道。给出了菱形微带曲折线慢波结构在140 GHz的色散曲线和注-波互作用模拟分析。研究结果显示:在输入功率为40 mW,带状电子束的电流和工作电压分别为90 mA和7 kV的条件下,该微带曲折线行波管可以获得数十W功率输出,互作用效率可达14.3%,瞬时3 dB带宽为18 GHz(132～150 GHz)。     

140 GHz菱形微带曲折线慢波 结构行波管的模拟计算

提出了一种新型的菱形微带曲折线慢波结构。该结构可适用于低电压、宽带宽、中等功率水平的高效率毫米波行波管。和传统的慢波结构相比,微带曲折线是一种平面结构,因此其加工工艺可采用2维微细加工技术。该结构可以用带状电子束进行注-波互作用,并且不需要额外的电子束通道。给出了菱形微带曲折线慢波结构在140 GHz的色散曲线和注-波互作用模拟分析。研究结果显示：在输入功率为40 mW,带状电子束的电流和工作电压分别为90 mA和7 kV的条件下,该微带曲折线行波管可以获得数十W功率输出,互作用效率可达14.3%,瞬时3 dB带宽为18 GHz(132～150 GHz)。     

双排矩形波导慢波结构W波段行波管

利用CST PIC计算了基于双排矩形波导慢波结构的W波段行波管的注波互作用,在采用10 kV,70 mA的电子注的条件下,在92~97 GHz范围内,输出功率大于35 W,增益大于30 dB,电子效率约为5%。即使在10 kV较低的电压下,双排矩形波导慢波结构的尺寸仍然较大,有利于降低制造难度。提出了一种基于电火花线切割的加工制造工艺,成功制造了双排矩形波导慢波结构部件。在92~97 GHz范围内对所需盒形窗和电子枪进行了计算机模拟,设计、加工了盒形窗和电子枪的相关零件,制造了相关部件。将慢波结构部件和输能窗部件组装起来进行了冷测,驻波比在90~100 GHz范围内小于2.067。     

An open-styled dielectric-lined azimuthally periodic circular waveguide for a millimeter wave traveling-wave tube

An open-styled dielectric-lined azimuthally periodic circular waveguide (ODLAP-CW) for a millimeter-wave traveling-wave tube (TWT) is proposed, which is a modified form of a dielectric-lined azimuthally periodic circular waveguide (DLAP-CW). The slow-wave characteristics of the open-styled DLAP-CW are studied by using the spatial harmonics method, which includes normalized phase velocity and interaction impedance. The complicated dispersion equations are numerically solved with MATLAB and the results are in good agreement with the simulation results obtained from HFSS. The influence of structural parameters on the RF properties is investigated based on our theory. The numerical results show that the optimal thickness of the metal rod can increase the interaction impedance, with the dielectric constant held fixed. Finally, the slow-wave characteristics and transmission properties of an open-styled structure are compared with those of the DLAP-CW. The results validate that the mode competition is eliminated in the improved structure with only a slight influence on the dispersion characteristics, which may significantly improve the stability of an open-styled DLAP-CW-based TWT, and the interaction efficiency is also improved.     

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。     

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。     

W波段交错双栅返波振荡器高频系统

将矩形交错双栅结构作为慢波电路并提出与之配套的过渡结构和输出耦合器,设计了利用带状电子注工作在W波段的返波振荡器。提出的过渡结构和耦合器解决了该类直波导型器件的信号传输衰减大、反射强等难题。相对于传统圆形电子注器件,该器件得到了较大的功率提升。利用三维粒子模拟计算的方法,在电流12 mA时通过调节工作电压,在92~98 GHz频带内得到了数W的稳定平均功率输出,信号中心频率非常接近设计频率,且单色性好,谐波分量小。     

W波段交错双栅返波振荡器高频系统

将矩形交错双栅结构作为慢波电路并提出与之配套的过渡结构和输出耦合器,设计了利用带状电子注工作在W波段的返波振荡器。提出的过渡结构和耦合器解决了该类直波导型器件的信号传输衰减大、反射强等难题。相对于传统圆形电子注器件,该器件得到了较大的功率提升。利用三维粒子模拟计算的方法,在电流12 mA时通过调节工作电压,在92~98 GHz频带内得到了数W的稳定平均功率输出,信号中心频率非常接近设计频率,且单色性好,谐波分量小。     

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.     

0.14 THz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0.14 THz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15.4 kV、电流17.4 mA下,脉冲工作输出最大功率为8.3 W,输出中心频率为140.8 GHz,最大增益为28 dB,-3 dB带宽为2.9 GHz。     

多注速调管双重入式谐振腔的解析计算与仿真

 发展了一种计算多注速调管双重入式谐振腔的计算方法。根据场的等效原理将（模型等效后）腔体划分为二个规则区域，每个区域上的场由公共界面上的虚设磁流所激发。利用格林函数积分法可求得各场的分布，由相邻区域公共边界场的匹配条件得到场匹配方程，从而求解出腔体谐振频率，并采用微扰法对计算数据予以修正,同时可得到腔体另一重要参数特性阻抗。另外使用HFSS软件仿真腔体，并给出计算、仿真、实测数据比较。