太赫兹波段折叠波导行波管的线性分析和计算

给出了太赫兹波段折叠波导行波管中考虑管壁欧姆损耗的带电子束扰动的色散方程。求解该方程可以得到器件中小信号增益的值。通过编制Matlab程序,分析计算了不同工作点、不同折叠波导结构参数和不同工作频段时小信号增益的变化特性。计算结果表明：适当选取工作点和结构参数,可以获得最佳增益值;考虑损耗后,除了前向增长的辐射场外,还会出现反向传输的静态波;随着工作频段向高频方向延伸,前向波的增益显著降低,而反向波强度则增大。因此,工作频率提高时,为了达到一定大小的增益,需要的折叠波导的周期数也相应增加。     

结构参数对折叠波导行波管工作性能的影响

分析和计算了互作用区折叠波导截面长宽比(b/a)、直边高度和电子束通道大小等结构参数对太赫兹波段折叠波导行波管工作性能的影响。结果表明:互作用区衰减常数随b/a的增大而减小, 耦合阻抗和小信号增益则随b/a的增大先增加而后减小, 存在最优值。电子束通道越大, 衰减常数越大, 耦合阻抗和小信号增益降低得越多。相对于电子束通道, 增益和损耗对直边高度的敏感程度显著降低。因此为了提高器件功率容量, 可适当增加折叠波导的高度;在保证电子束能够顺利传输的前提下, 电子束通道越小越好。在折叠波导行波管的实际研制中, 可依据具体的实验条件和要求, 在适当的范围内合理选取互作用区各结构参数的值。     

结构参数对折叠波导行波管工作性能的影响

分析和计算了互作用区折叠波导截面长宽比(b/a)、直边高度和电子束通道大小等结构参数对太赫兹波段折叠波导行波管工作性能的影响。结果表明：互作用区衰减常数随b/a的增大而减小, 耦合阻抗和小信号增益则随b/a的增大先增加而后减小, 存在最优值。电子束通道越大, 衰减常数越大, 耦合阻抗和小信号增益降低得越多。相对于电子束通道, 增益和损耗对直边高度的敏感程度显著降低。因此为了提高器件功率容量, 可适当增加折叠波导的高度;在保证电子束能够顺利传输的前提下, 电子束通道越小越好。在折叠波导行波管的实际研制中, 可依据具体的实验条件和要求, 在适当的范围内合理选取互作用区各结构参数的值。     

太赫兹折叠波导行波管再生反馈振荡器非线性理论与模拟

行波管再生反馈振荡器是一种新型太赫兹源器件.基于560GHz折叠波导慢波结构,对此类器件的工作原理与物理模型进行分析阐述.采用非线性互作用模型对行波管再生反馈振荡器进行详细振荡过程模拟.模拟结果显示,在550—600GHz频率下可以获得稳态振荡频率,并在560GHz处获得最大单频输出功率.结果同时表明,振荡频率随电子注电压发生跳变现象,并简要分析了其产生原因.     

345 GHz折叠波导行波管中电磁传输损耗的分析计算

利用电导率等效方法对345GHz折叠波导行波管中的电磁信号的传输损耗进行了仿真研究,考察了流通管孔径、加工粗糙度等对冷腔传输损耗的影响。结果表明,流通管孔径较大或加工粗糙度较大都会导致电磁信号传输严重衰减。模拟分析了热腔中电磁信号衰减对慢波结构净增益、带宽、最佳周期数等器件特征参数的影响,结果显示,电磁信号衰减会使得增益下降和带宽降低。     

345 GHz折叠波导行波管中电磁传输损耗的分析计算

利用电导率等效方法对345 GHz折叠波导行波管中的电磁信号的传输损耗进行了仿真研究,考察了流通管孔径、加工粗糙度等对冷腔传输损耗的影响。结果表明,流通管孔径较大或加工粗糙度较大都会导致电磁信号传输严重衰减。模拟分析了热腔中电磁信号衰减对慢波结构净增益、带宽、最佳周期数等器件特征参数的影响,结果显示,电磁信号衰减会使得增益下降和带宽降低。     

0.22 THz折叠波导行波管初步实验研究

探索性试验了多种微加工技术加工设计频率0.22 THz的折叠波导慢波结构,最终选择了微铣削工艺进行加工,并测试了微铣削工艺加工的WR4标准直波导的损耗特性,得到了0.22 THz电磁波在无氧铜中传播时材料的相对电导率约为3.2107 S/m。以此为基础设计和制得了国内第一支0.22 THz折叠波导行波管,经过测试和标定得到输出功率大于100 mW,带宽3.5 GHz的初步实验结果。     

束流发射度对太赫兹微电真空折叠波导行波管性能的影响

采用理论分析与数值模拟相结合的方法,分别对140,220和345 GHz折叠波导行波管中的束流发射度的影响因素及其对直流导通率的影响进行了分析,总结了发射度随频率、结构参数和电子束参数的变化规律。研究发现,在太赫兹频段束流发射度直接决定着聚焦磁场的选取设计, 是表征太赫兹频段束流品质的一个重要参量。     

束流发射度对太赫兹微电真空折叠波导行波管性能的影响

采用理论分析与数值模拟相结合的方法,分别对140,220和345 GHz折叠波导行波管中的束流发射度的影响因素及其对直流导通率的影响进行了分析,总结了发射度随频率、结构参数和电子束参数的变化规律。研究发现,在太赫兹频段束流发射度直接决定着聚焦磁场的选取设计, 是表征太赫兹频段束流品质的一个重要参量。     

0.14 THz瓦量级折叠波导行波管设计

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上,设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数,然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计,最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代,最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时,折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性,加工装配了一根流通管,并进行了流通率测试,测得流通率大于80%。     

新型高增益太赫兹折叠波导慢波结构

提出采用分段变参数型折叠波导慢波结构提高器件增益的新方法。结合小信号理论分析和束-波互作用的三维PIC数值模拟,进行分段变参数型慢波结构的理论设计研究。通过0.345 THz两段式折叠波导慢波结构的设计实现和模拟验证,结果证明, 相同的电子注工作条件下,两段式慢波结构的电子转化效率和饱和功率相对于传统均匀型慢波结构提高了94%,并可以推广应用到多段式。     

介质加载折叠波导行波管的线性分析

提出了一种介质加载折叠波导慢波结构,给出了该结构中存在电子注时慢波互作用的热色散方程,在介电常数ε_r=1的特殊情况下该方程即简化为普通折叠波导的小信号工作方程.在给定慢波结构尺寸的基础上,分析比较了介质加载对放大器小信号增益特性的影响,结果表明:"弱加载"(介质厚度d/a<0.1)时,无需重新设计慢波结构的参数,只需适当调整工作电压和电流就可以满足原有设计要求,而且和未加载时相比增益特性更为平坦,降低的电子注阻抗也有利于电子效率的提高.考虑到 关键词： 折叠波导 行波管放大器 介质加载 热色散方程     

脊加载曲折波导行波管注波互作用的线性理论研究

提出了一类新型毫米波大功率微波器件——脊加载曲折波导行波管,推导出了引入电子注后的"热"色散方程.通过数值求解此方程,研究了加脊尺寸和电子注参数对小信号增益影响.计算结果表明:通过适当的尺寸设计和工作参数的选择,此结构在Kα波段具有18.51%的3 dB增益带宽和1.15 dB/周期的增益;相比于常规曲折波导结构,脊加载结构在保证一定带宽的情况下,具有更高的增益和电子效率;为了进一步提高增益,可以适当增加脊宽度和高度,也可在一定范围内增加电子注电流. 关键词： 毫米波 曲折波导 脊加载 小信号增益     

345 GHz微折叠波导慢波结构的粗糙度和加工垂直度

通过理论和数值模拟方法,考虑金属粗糙度的情况下,研究了加工垂直度公差角在0~6°范围内变化时折叠波导慢波结构的工作性能,结果表明:金属波导表面的粗糙度增大时,慢波结构中电磁信号的传输损耗增大;垂直度公差角的增大也使得电磁信号的传输损耗增加,而且垂直度公差角所引起的结构变化会引起器件的电压工作点漂移、带宽降低等。     

345 GHz微折叠波导慢波结构的粗糙度和加工垂直度

通过理论和数值模拟方法,考虑金属粗糙度的情况下,研究了加工垂直度公差角在0～6范围内变化时折叠波导慢波结构的工作性能,结果表明：金属波导表面的粗糙度增大时,慢波结构中电磁信号的传输损耗增大;垂直度公差角的增大也使得电磁信号的传输损耗增加,而且垂直度公差角所引起的结构变化会引起器件的电压工作点漂移、带宽降低等。     

0.14 THz瓦量级折叠波导行波管设计

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上,设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数,然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计,最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代,最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时,折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性,加工装配了一根流通管,并进行了流通率测试,测得流通率大于80%。     

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。