耳型折叠波导慢波结构W波段行波管

毫米波行波管具有大功率、宽频带、高增益等特点,广泛用于雷达、高速通信、电子对抗等现代军事装备中。为提高折叠波导耦合阻抗并考虑工程应用性,提出一种耳型折叠波导新型慢波结构。与常规矩形波导相比,工作频带内耦合阻抗提高30%以上,损耗降低10%。研制的耳型折叠波导W波段行波管,在工作电压21.9 kV,电流210 mA,占空比为5%时,10.8 GHz带宽内输出功率大于192 W,峰值功率达278 W,电子效率和增益分别达到6.3%和44.6 dB,行波管工作稳定。

微波光子W波段宽带雷达成像技术研究

W波段逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar,ISAR)具有成像分辨率高、成像距离远、体积小、重量轻等特点,适用于机载、弹载、星载等应用领域,是雷达系统中的一个重要的研究方向。微波光子技术由于具有高频、大带宽、低传输损耗等优势,是克服传统雷达面临“电子瓶颈”效应的主要手段。本文提出一种基于微波光子技术实现的W波段调频信号体制ISAR成像系统。在发射端,使用微波光子倍频技术实现了瞬时带宽为8 GHz的W波段线性调频(linearly frequency-modulated,LFM)信号生成。在接收端,基于微波光子去斜技术实现回波信号去斜处理。ISAR成像仿真结果表明,不同姿态下的目标轮廓清晰可辨。

基于变压器磁调谐的双模W波段VCO

提出了一种基于变压器的用于无变容管W波段压控振荡器(VCO)的磁调谐技术。通过控制变压器磁调谐线圈所连接MOS管的开关状态,引入了四个重叠的频率子带。所提出的可切换的六线圈变压器采用40 nm CMOS工艺的顶层厚金属设计,实现了较高的输出频率稳定性和谐振腔品质因数。所采用的技术在对相位噪声的不利影响最小的情况下扩展了调谐范围,实现了无变容管W波段VCO的宽调谐范围和低功耗。所设计的双模W波段VCO输出频率为84.2~107.5 GHz,频率调谐范围大于24%,在1 V电源电压下功耗仅6.1 mW,在10 MHz偏移处的相位噪声为-107.203~-97.875 dBc/Hz。

W波段平面集成行波管高频系统设计及验证

针对W波段平面一维阵列集成行波管设计,采用非半圆弯曲变形折叠波导慢波结构和聚焦极调制皮尔斯电子枪,基于CST、MTSS和Opera软件优化设计了集成行波管高频系统和电子光学系统,实现了W波段低电压小电流工作的低功率行波管设计,通过周期永磁(PPM)聚焦系统制管验证了高频系统和电子枪设计的合理性。测试结果表明,行波管在工作电压12.62 kV,工作电流31.6 mA条件下,输出功率大于10 W的带宽达到5 GHz,增益优于28 dB,总效率优于10%,测试结果与设计结果具有较好一致性,为W波段行波管实现阵列集成提供技术支撑。

W波段全带宽TE_(10)-TE_(20)模式转换器的研制

新一代W波段慢波结构行波管对波导TE_(10)-TE_(n0)模式转换器的低损耗、宽带、转换效率等高性能方面提出了要求。文中重点研究一款全W波段波导模式转换器的设计,实现E面TE_(10)输入到H面TE_(20)输出的模式转换,并结合高效率转换结构,给出实际性能验证。首先,分析了波导TE_(n0)模分布特点,提出E面功分结构、集成扭波导结构及H面反相合成等单元结构;其次,给出TE_(10)-TE_(20)模式转换整体方案设计与电路优化;最后,结合H面异相功分结构集成,基于计算机数控技术,实现该W波段模式转换模块的制备,并完成三端口性能测试。实测结果表明,W波段全带宽内(75 GHz~110 GHz),该TE_(10)-TE_(20)模式转换模块输出端口功率分配比为-3.2 dB±0.2 dB,相位差为180°±2°,输入端口回波损耗优于-20 dB,且实测性能均与仿真结果高度一致,验证了W波段宽带TE_(10)-TE_(20)模式转换器的高效率、低损耗、可行性及鲁棒性。

晶圆级树脂基低成本W波段封装天线微系统

面向W波段探测与通信系统的小型化、低成本应用需求,本文采用晶圆级树脂基扇出型封装工艺,通过对有源封装天线集成架构、互连传输结构和天线阵列进行设计与仿真,设计了一款工作频率为94 GHz的封装天线微系统。该封装天线微系统集成了4×4磁电偶极子阵列天线和16通道幅相多功能射频芯片。通过Ansys HFSS全波仿真,系统波束扫描范围在E面≥±30°,H面≥±40°,在7.1 mm×8.3 mm×1.2 mm封装尺寸内实现了封装天线等效全向辐射功率≥39.1 dBm。该封装天线微系统具备规模扩展能力,可广泛应用于探测、通信以及安检等领域。

W波段机载视频合成孔径雷达系统

合成孔径雷达(SAR)能够全天时全天候工作,在对地遥感领域具有广泛和深入的应用。视频SAR将SAR成像获得的空间维度信息拓展到时-空维度,可以获取更加丰富的遥感信息。传统SAR频段较低,导致合成孔径时间长,数据计算量大,高帧频输出难度很大;而低频段太赫兹波对目标细节感知能力强,合成孔径短,特别适合于微弱目标的视频感知。本文设计了一种工作在W波段的视频SAR系统,采用收发分置连续波固态前端体制,输出峰值功率1 W,最大发射带宽可达1 GHz;采用极坐标格式算法(PFA)结合GPU架构实现高帧率低延时成像。仿真试验表明,系统成像分辨力可达0.15 m,成像帧率约5 Hz。

机载W波段测云雷达回波强度衰减订正仿真研究

考虑到大气和云对W波段雷达波的衰减,数值仿真4种非降水云的机载W波段雷达(94GHz,3.2 mm)回波强度;基于雷达回波强度Z与云衰减系数k之间的经验关系,进行雷达回波衰减订正。结果表明,在云厚、云滴粒子浓度和含水量参数的一般取值情况下,可以获得比较好(相对误差<15%)的订正效果。随着云体加厚、云中大滴增多和含水量增加,云体对雷达回波的衰减增强,透过率降低,雷达测量值偏离真实值的程度增大,云下部衰减订正难度加大。雷达测量误差会对衰减订正效果造成一定影响。与常规测雨天气雷达回波的雨区衰减订正相比,定性来说是一致的。

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100W,带宽大于5GHz。

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12mA时通过调节工作电压,在92～98GHz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波段三次谐波回旋管实验研究

国内首次成功进行W波段三次谐波回旋管实验。回旋管工作模式为TE61,磁场1.2T,采用拍频法测定工作频率为94.86GHz。电子束电压为45kV时,电流1.6～4.4A范围内都观测到了三次谐波振荡信号。采用焦热计测定最大输出功率4.9kW,效率约3%。

W波段带状注聚焦结构的优化设计

为了改善电子注与聚焦磁场的匹配状态以实现带状电子注的长距离稳定传输,提出了一种优化的周期凸起磁场(PCM)聚焦结构。与传统的PCM聚焦结构相比,优化的PCM结构改善了电子注的成形和传输状态,能够约束带状注长距离稳定传输。电子枪设计电压75 kV,电流3.8 A,10 mm×0.5 mm的带状电子注由10 mm×4 mm的椭圆阴极面发射并在单一方向压缩形成。漂移通道长89 mm,横向截面尺寸为12 mm×0.8 mm。结果显示,磁场周期为12 mm,峰值为0.24 T;电子注传输时在高度方向的最大波动尺寸为0.6 mm。该聚焦结构同时还能兼容线包聚焦方式,磁场强度和电子注输时在高度方向的波动尺寸分别为0.31 T和0.5 mm,束流通过率为100%。

W波段连续波30kW回旋振荡管高频系统和收集极的设计

根据回旋管的电子回旋脉塞理论,借助于编写的回旋振荡管自洽非线性注-波互作用计算程序,设计出了工作频率94GHz、工作电压30kV、工作电流3A的基次谐波连续波单腔回旋振荡管,工作模式为TE02模。设计的回旋振荡管在电压30.0kV、电流3.0A、速度横纵比1.5的条件下,获得了31.8kW的输出功率,电子效率约35%。利用粒子模拟仿真软件对设计的回旋管收集极辅助线包散焦系统进行了粒子模拟仿真分析,模拟结果表明:借助于辅助线包散焦系统可以有效缩短回旋振荡管的轴向尺寸,并使回旋管收集极上的电子束功率密度低于500W/cm2;W波段回旋振荡管收集极的热测试验结果表明:利用粒子模拟仿真获得的收集极上的电子束功率密度分布与其试验测量结果比较吻合。

W波段高频输出窗仿真与实验研究

研究了W波段高频输出窗的工作特性及三个关键结构尺寸对工作特性的影响规律。结果表明,驻波比小于1.2的频带为94.21~94.76 GHz;驻波比小于1.1的频带为94.34~94.64 GHz;工作频带内无谐振模式;窗片厚度对工作特性影响最大。热力学分析显示,温度最高点和应力最大点分别位于陶瓷窗片中心和边缘;最高温度和最大应力分别为117℃和144MPa。研制并测试了W波段高频输出窗。测试结果表明,驻波比小于1.2的频带为94.13~94.60 GHz,驻波比最小值为1.06,对应的频率为94.40GHz。

W波段GaN单片功率放大器研制

报道了W波段GaN三级放大电路的研制结果。采用电子束直写工艺在AlGaN/GaN HEMT外延结构上制备了栅长100nm的'T'型栅结构。器件直流测试最大电流密度为1.3A/mm,最大跨导为430mS/mm;小信号测试外推其fT和fmax分别为90GHz及210GHz。采用该器件设计了三级放大电路,在75~110GHz频段内最大小信号增益为21dB。该单片在90GHz处的最大输出功率可达1.117W,PAE为13%,功率增益为11dB,输出功率密度为2.33 W/mm。

W波段宽扩展互作用速调管谐振系统研究

针对在高频率、高效率、低磁场以及低电压工作方面具有自身独特优势的扩展互作用速调管(EIK)谐振系统进行了研究,主要目的是在保持其已有优势的情况下增加带宽。在EIK谐振系统研究的基础上,通过优化慢波结构和谐振腔来达到增加其带宽的目的。在此基础上完成了带宽为2.8 GHz,工作在2π模式的宽带EIK谐振系统设计。

W波段带状注扩展互作用振荡器的粒子模拟

设计了一种工作在W波段的振荡器。采用宽高比值为2的薄矩形电子注降低空间电荷效应,周期耦合腔慢波线作为高频结构以增加功率容量,阶梯渐变矩形波导作为输出结构,使输出结构与高频结构匹配连接减少反射。利用三维PIC粒子模拟程序进行数值模拟,分析慢波结构的周期数及周期长度对输出功率、频率及效率的影响。结果表明:当阴极电压为13.0～16.1kV时,谐振腔能正常工作;谐振腔周期数为9,阴极电压为15.7kV时输出功率和转换效率最大,输出峰值功率大于1.9kW,平均功率为980 W,频率为91.6GHz,转换效率达25%,输出频率随谐振腔周期长度的减小而增大。

W波段小型化锁相源

根据基波锁相、谐波提取的思想，采用双环数字锁相方式，实现了Ｗ 波段二次谐波耿氏锁相振荡器；分析了混频锁相环中输出端口与中频端口相位抖动的关系，指出了从自身中频端口测试相噪的局限性。该锁相源频率为９３ ＧＨｚ，射频偏离载波５０ ＫＨｚ 时，相噪为－ ７０ ｄＢｃ／Ｈｚ ，输出功率大于１０ ｍ Ｗ。

基于微带线的W波段二次分谐波混频器设计

采用微带混合集成电路技术设计了一款W波段二次分谐波混频器.通过分析二级管封装结构引入的寄生参量,提出了一种减小二级管并联寄生电容的方法.为了避免在W波段使用传统分谐波混频器中普遍使用的过孔接地及侧边平行耦合微带线带通滤波器,提出了一种改进型分谐波混频器结构.测试结果表明混频器在本振频率为45 GHz,中频频率为2.4 GHz时单边带变频损耗最小,最小值为8 dB.射频频率在90～100 GHz测试频率范围内,变频损耗的测量值小于10.5 dB.

W波段InP HEMT MMIC功率放大器

基于InGaAs/InAlAs/InPHEMT设计制作了一款W波段功率放大器芯片。采用分子束外延技术生长了材料结构经过优化设计的InPHEMT外延材料,采用电子束光刻和三层胶工艺制作有源器件的超深亚微米T型栅,并采用神经网络模型对器件进行精确建模。电路采用4级级联提高电路的增益,末级采用4胞并联器件有效地分散热源。采用全波电磁场仿真技术设计电路版图有效降低芯片内部的电磁耦合。芯片采用在片脉冲测试,测试结果显示,在脉宽为10μs、占空比为10%、栅压为-0.15V和漏极电压为2V条件下,92~97GHz频率内功率放大器的小信号增益大于15dB,频率为94GHz时的输出功率达到300mW。