真空纳米二极管和三极管综述

真空纳米二极管和真空纳米三极管具有与传统真空管相似的基本功能,但却可以通过现有先进的微加工工艺线制造,以实现尺寸小、重量轻和高度集成,这使得它们在最近十年发展迅速。综述了真空纳米二极管和三极管的起源、发展历史和最新技术状态。介绍了典型的横向结构、垂直结构和环栅结构器件,并分析了各自优缺点。硅基器件对于成熟微加工工艺兼容性最好,但基于金属和一些宽带隙半导体材料,如碳化硅和氮化镓的真空纳米器件显示更好的电性能、耐温性和耐辐射性。尽管当今最发达的真空纳米二极管和三极管在大多数常规应用中仍然无法和固态集成电路抗衡,但它们正得到更多关注,并有望首先在高温或强辐射等恶劣环境实现应用。

电磁损耗介质对谐振腔TM_(0)模谐振频率和品质因数的影响研究

微波谐振腔作为现代工业微波器件的基本组成部分,在决定器件性能方面起着重要作用。在实际应用中,通常在谐振腔壁涂敷电磁损耗介质以满足设计需求,因此分析这类谐振腔的电磁特性具有一定的理论意义和应用价值。本文基于一个加载电磁损耗介质谐振腔的基本模型,依据模式匹配方法在介质不连续处建立起的匹配关系,得到了计算TM_(0)模谐振频率和品质因数的一般表达式,通过计算第一个谐振模式TM_(01)模分析了损耗介质厚度、种类对其电磁特性的影响规律。计算结果与电磁场仿真软件微波工作室(Computer Simulation Technology Microwave Studio,CST-MWS)仿真结果吻合良好,证明了该算法对于电磁损耗介质加载的谐振腔特性计算与分析是有效的。

频率可调谐太赫兹回旋管研究

频率可调太赫兹回旋管在太赫兹增强核磁共振等方面有广泛的应用。论文对自研的频率可调基波太赫兹回旋管、频率可调谐波太赫兹回旋管,以及多模频率可调太赫兹回旋管做了详细介绍。发展的频率可调太赫兹回旋管最高工作频率为660 GHz,连续波功率百瓦量级。基于自研的频率可调太赫兹回旋管和大功率太赫兹传输线,实现了太赫兹增强核磁共振系统,对1 H实现了350倍灵敏度增强,对13 C实现了88倍灵敏度增强。

应用于太赫兹波驱动的DNP-NMR传输线

太赫兹波驱动的动态核极化增强核磁共振波谱系统可大幅提高信号灵敏度和缩短检测时间。该系统需采用传输线在驱动源回旋管与谱仪之间进行太赫兹波传输。本文针对400 MHz增强核磁共振系统设计了由准光模式变换器和波纹波导组成的太赫兹传输线,并进行了相关实验测试,测试结果表明准光模式变换器可将263 GHz回旋管TE 03模式转换成准高斯波束,其高斯成份为97%,整个传输线最终输出波束的高斯成份为96.3%。

G波段二次谐波准光回旋行波管研究

为开展适用于太赫兹频段的大功率回旋放大器研究。对基于准光共焦波导的二次谐波准光回旋行波管进行了研究,理论与仿真结果表明,准光波导具有良好的模型选择性,利用器件的二次谐波工作,其基波与二次谐波的返波振荡可以得到很好的抑制。在理论与仿真研究基础上,设计了一只G波段的二次谐波准光回旋行波管,理论计算结果表明:在65 kV电子束电压、10 A电流、速度横纵比为1、磁场强度为4.19 T时,最大输出功率为90 kW,效率为13.8%,增益为34.8 dB。当输入功率10 W时,-3 dB带宽为2 GHz。

基于C#的微波器件自动校准系统的设计与实现

针对校准时,微波器件存在人工操作量大、存在读数误差等问题,本文采用C#面向对象语言,设计了一款模块化自动校准软件。该软件采用SCPI命令控制仪器;基于ACCESS数据库,实现基本信息和数据的处理存储;将图形数据转化成二进制流实现测量图形导出。同时,运用Word文档自动生成原始记录和校准证书。试验表明:该软件运行稳定、数据处理准确,满足使用要求,可实现微波器件的自动校准,提高工作效率。

S波段大功率宽带脉冲行波管研制

介绍了一种S波段大功率宽带脉冲行波管研制过程及其应用。该管工作带宽为2~4 GHz(一个倍频程),脉冲输出功率大于6 kW,效率大于35%,最大工作比为6%,二次谐波比小于-3 dBc。文章进行了性能设计分析,采用了多项关键技术,解决了返波振荡抑制、高导流系数电子枪设计以及聚焦系统设计等技术难点,给出了实际测试结果。

自研28 GHz/50 kW回旋管实现长时间连续运行

介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所针对磁约束聚变装置电子回旋共振加热(ECRH)系统、重离子加速器电子回旋共振(ECR)离子源以及前沿科技探索应用研制的28 GHz/50 kW连续波回旋管最新实验结果。研究团队在2019年该回旋管实现50 kW/30 s运行的基础上,通过结构优化和稳定性设计验证,最终实现了在10~50 kW功率范围多个功率水平的稳定长时间连续运行,典型运行结果为16 kW/3000 s、26 kW/900 s、46 kW/1800 s、50 kW/300 s,特别在输出功率32 kW连续稳定工作了400 min。这是国内首次研制出小时级连续工作的中等功率回旋管。

加载环形等离子体束的圆柱波导中慢等离子体波高频特性的数值研究

等离子体相对论微波发生器(PRMG)可以产生宽带高功率微波输出,同时又具有良好的频率可调谐性,因此在雷达、通信、电子对抗和物体探测等诸多领域均具有良好的应用前景。PRMG通常采用加载环形等离子体束的圆柱波导作为其波束互作用区,工作模式为慢等离子体波TM_(01)模(下称P-TM_(01)模)。P-TM_(01)模的色散特性及其变化规律对PRMG输出性能有着重要影响。利用全电磁粒子模拟程序对加载环形等离子体束的圆柱波导中P-TM_(01)模的色散特性和场分布进行了粒子模拟和分析,获得等离子体束密度n_(p)、径向厚度Δr_(p)和径向位置r_(p)以及外加引导磁场强度B_(z)和波导半径r_(w)等参数对P-TM_(01)模的色散特性和场分布的影响规律。主要研究结果包括:(1)一定范围内,n_(p)和Δr_(p)的变化对色散特性影响较大,r_(p),B_(z)和r_(w)的变化对色散特性影响较小。值得关注的是,由于波导中环形等离子体束的存在,随着波导半径r_(w)的增加,相同纵向波数k_(z)对应的P-TM_(01)模的频率没有降低而是略有提高。因此,在实际应用时,可以适当加大波导径向尺寸以提高器件功率容量;适当降低磁场,则有利于提高器件的紧凑性。(2)P-TM_(01)模的纵向电场的方向不随径向位置变化,径向电场的方向在等离子体束内外两侧相反,外侧的场分布与同轴波导中TEM模相似。(3)主要物理参数变化时,场分布基本特点不会改变。但随着纵向模式数N和k_(z)相应增加,电场能量向等离子体束收拢,不利于波束相互作用和电磁场的耦合输出。因此为了PRMG的高效运行,束波互作用的共振点最好落在k_(z)相对较小的区域。上述研究结果对PRMG的设计和优化具有一定的理论参考价值。

Ku波段全腔提取相对论磁控管仿真设计

为了拓展相对论磁控管工作频段,设计了一个Ku波段高效率全腔提取相对论磁控管。该器件采用20腔阳极结构,冷腔模拟结果表明其π模工作频率约为13.5 GHz。结合全腔轴向提取技术,在电压150 kV、电流0.41 kA、工作磁场0.4 T的条件下,PIC仿真得到38 MW的仿真功率,工作频率13.47 GHz;仿真得到的功率转换效率约61.6%。仿真结果表明该器件转换效率高,结构紧凑,具有实现轻小型永磁包装的潜质。

应用型电子直线加速器用C波段大功率速调管研究与开发

为满足C波段应用型直线加速器功率源要求,研制了一支C波段大功率速调管。通过对电子枪结构模拟计算并利用正反向组合式聚焦线圈调整过渡区磁场,完成了电子光学系统设计,电子注通过率达到100%,电子注波动率为4.8%。综合应用一维至三维计算程序对注-波互作用段开展参数优化及PIC仿真,最终确定了6个谐振腔的速调管方案。腔体加工冷测调配后焊接形成整管,并开展了高功率测试,在电子注电压为115 kV、电流为79.6 A条件下,馈入频率为5712 MHz、功率为100 W的信号时,该速调管可输出的峰值功率为3.52 MW,增益为45.5 dB,效率为38.5%,达到了预期研制目标。

复杂结构共形全电磁粒子模拟技术研究进展

全电磁粒子模拟方法可准确模拟强电磁场与电子束之间的非线性相互作用,被广泛应用于真空电子器件的数值模拟研究及参数的优化设计。传统全电磁粒子模拟方法采用电磁场时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法计算器件内电磁场随时间的变化,但FDTD方法采用正六面体单元的结构网格,会带来阶梯误差;电磁场时域有限元(finite-element time-domain,FETD)方法采用非结构网格能准确描述复杂模型,可用于复杂结构的电磁场数值模拟,但需求解大型逆矩阵,无法适用于电大尺寸结构的数值模拟。为准确模拟复杂真空电子器件内电磁场与电子束之间的非线性相互作用,国内外学者在复杂结构共形全电磁粒子模拟技术方面取得了突破性研究进展,实现了基于共形FDTD方法的全电磁粒子模拟技术,开展了基于FETD方法的全电磁粒子模拟技术研究,并研制了数值模拟软件。为促进国内复杂结构共形全电磁粒子模拟技术研究及应用,本文首先对基于共形FDTD方法的全电磁粒子模拟技术研究中的关键技术进行了详细介绍,包括共形结构网格生成技术、电磁场共形FDTD技术、共形电子束发射技术;然后对基于FETD方法的全电磁粒子模拟技术中的关键技术进行了详细介绍,包括所采用的基函数、电磁场方程的求解、计算过程中满足的电荷守恒和高斯守恒定律;同时给出了两种模拟技术对典型真空电子器件的模拟结果。

时域间断伽辽金-粒子模拟方法研究进展

时域间断伽辽金-粒子模拟(discontinuous Galerkin time-domain particle-in-cell,DGTD-PIC)方法采用非结构网格能准确描述复杂结构,采用高阶基函数进一步提高了计算的精度,同时避免了求解大型逆矩阵,在等离子体和高功率电磁学相关数值模拟方面具有广泛的用途。近年来国内外报道了大量DGTD-PIC方面的研究工作,该方法在核心关键技术方面已取得了许多突破性进展。为促进DGTD-PIC方法的发展及应用,本文对该方法在修正势的DGTD电磁场计算方法、复频移完全匹配层边界、非结构网格中带电粒子定位与电荷和电流分配等关键技术方面所取得的研究成果进行了详细介绍。

双级PIN限幅器的微波脉冲响应机理及规律

基于双级限幅器中两个PIN二极管的多物理场仿真模型与限幅器中其他电路元器件的SPICE模型,搭建了Si基双级PIN限幅器的场路协同仿真模型,利用这一模型对微波脉冲作用下限幅器中两级PIN二极管的温度响应特性进行了仿真.在此基础上对限幅器在不同频率、幅值微波脉冲信号作用下内部发生熔化现象所需的时间与能量进行了仿真,并对这一过程进行了机理分析与响应特性规律总结.仿真结果表明,当限幅器中第一级PIN二极管内部最高温度已达到材料熔点时,第二级PIN二极管的温度变化幅度较小.限幅器内部发生熔化现象所消耗的时间与能量随信号幅值、频率的变化呈现出规律性关系,发生熔化现象所需的时间随信号幅值或频率的提升而减小;发生熔化现象所需的能量随频率的提升而降低,随幅值的变化存在极大值点;限幅器的响应特性对信号参数表现出了不同的敏感性.

一维阵列电子注平面聚焦系统磁场分布特性

针对平面集成行波管对一维阵列电子注聚焦的应用需求,设计了4通道电子注平面磁聚焦系统。将各通道磁场轴向和横向分量沿轴分布特征计算结果与测试结果进行对比,确认了Opera软件计算磁场分布特征的准确性。为与轴对称周期永磁(PPM)聚焦系统电子注通道内磁场分布特性进行对比,建立了轴对称PPM聚焦系统模型,测试结果与计算结果一致性较好。通过平面聚焦系统与轴对称PPM聚焦系统电子注通道内的磁场纵向和横向分布特性对比表明,两种聚焦系统电子注通道内纵向和横向磁场具有相同的分布特征,在离轴相同位置的圆周上横向磁场分量与轴向分量的比值均为Bx/Bz≈0.11,该平面聚焦系统可实现一维阵列圆形电子注的良好聚焦。

Q波段宽带螺旋线行波管输能系统研究

针对Q波段宽带螺旋线行波管所需要的低损耗、低反射输能系统,采用后馈式单脊过渡波导和盒型窗方案,优化设计了过渡波导阻抗变换结构、内导体尺寸和螺旋线大螺距过渡结构,得到33~50 GHz频带内驻波系数小于2的输能系统,并成功应用在Q波段宽带多用途螺旋线行波管中。

小型化Ka波段行波管快启电子枪研究

针对弹载环境中毫米波行波管快速启动要求,利用ANSYS软件模拟电子枪阴极施加热丝功率对阴极温度产生的影响,并通过电子枪温度试验,定量测定热丝功率和阴极温度的对应关系,验证温度对阴极发射的影响。在模拟和试验基础上,开展电子枪小型化结构设计,成功研制出小型化毫米波弹载行波管用电子枪,使其满足弹载环境15 s快启功能。

准光波导回旋行波管发展及现状

基于电子回旋脉塞机理的回旋行波管,兼具高输出功率和宽工作频带的优点,在电子信息领域具有极为广阔的应用空间。随着回旋行波管向高频段发展,受尺寸共度效应的影响,采用低阶模式工作的高频结构截面尺寸逐渐减小,导致器件的功率容量随之降低。采用具有模式选择特性的准光波导作为回旋行波管的高频互作用结构,可实现回旋行波管在高阶模式状态下稳定工作,进而实现放大器向高频段扩展和高功率输出。本文对准光回旋行波管的发展现状和存在的问题及最新研究动态进行了概述。

高斯模式输出窗功率阈值分析

为研究窗片的可承受工作脉宽,分析了不同材料窗片传输170 GHz高斯模式时所能承受的吸收功率阈值。首先确定了不同材料窗片的厚度,然后结合高斯模式分布、介质损耗功率,在相同散热边界条件与几何结构下,对不同材料的输出窗进行稳态热分析。失效判据为陶瓷材料的失效临界温度差与抗热震系数,通过仿真结果确定了窗片所能承受的吸收功率阈值,进而反推出可传输的平均微波功率,其中蓝宝石窗片可传输的平均功率与热测结果基本一致。针对热测老炼样管时提升工作比的需求,当脉冲间隔为10 s时,理论判定不同窗片所能承受的最大脉宽,为老炼样管提供理论支持。若要实现170 GHz、1 MW连续波输出功率,只有金刚石材料满足使用需求。

应用于动态核极化核磁共振谱仪的263 GHz二次谐波回旋管理论设计

太赫兹回旋管因其输出功率高和有一定频率调谐范围的特性,符合太赫兹波驱动的动态核极化(Dynamic Nuclear Polarization,DNP)核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)波谱技术对辐射源的要求。常规用于NMR的基波太赫兹回旋管需要相对较强的磁场,而二次谐波工作的回旋管可极大地降低对强磁场的依赖。本文提出了一种应用于动态核极化核磁共振谱仪的263 GHz二次谐波回旋管,并基于自洽非线性理论分析了回旋管的模式选择、模式竞争和注-波互作用,确定工作模式为TE 3,3模。数值仿真结果表明注-波互作用效率为0.2%~28.7%,工作频带在263.71~263.75 GHz,符合增强核磁的太赫兹辐射源的要求。