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.

基于大回旋电子注的高次谐波回旋行波管

回旋行波管兼具高功率、宽频带特性,在毫米波高分辨成像雷达、电子对抗等重要军事领域具有广泛的应用前景。基于大回旋电子注的回旋行波放大器可工作于高次谐波状态,大大降低了工作磁场,甚至可实现无超导工作,提高了回旋行波管使用的灵活性和机动性。本文优化设计了一支Ka波段二次谐波大回旋行波管,采用具有介质加载的纵向开槽互作用高频结构有效抑制返波振荡,提高了器件工作的稳定性。利用三维粒子仿真,对大回旋行波管注-波互作用过程进行了模拟。结果表明,在电子注电压为70 kV,电流为6.5 A时,磁场可降低至0.642 T,输出功率达到106.5 kW,带宽为2.10 GHz,最大增益为35 dB。

高可靠性真空微波功率模块保护电路

文中设计一种高可靠性高压电源保护电路,适配于真空微波功率模块。首先利用PSpice仿真软件进行电路仿真,简化电路设计,优化电路参数;然后与行波管构成一个测试系统,并设计一个电路板进行实际测试,利用示波器等仪器来验证保护电路的有效性。针对长时间高强度的工作状态,电路设计包含母线电流过流保护电路、螺旋线电流过流保护电路、断电保护电路。在模块工作出现异常时,可以及时有效地关闭模块,防止元器件受到损害。仿真结果表明,所设计保护电路提高了微波功率模块的可靠性,降低了研制成本,延长了使用寿命。

一种多模式控制的行波管电源设计

由于传统星载行波管放大器设计完成后仅有连续波或者脉冲1种工作模式,且饱和工作点输出功率固定,因此提出1种新的兼容连续波和脉冲多种工作模式的空间行波管电源设计方法。通过此方法设计完成的行波管电源与多模式行波管集成多工作模式行波管放大器,具备连续波工作模式、低重频脉冲工作模式和高重频脉冲工作模式及在轨功率可调节功能;能够应用于通信、导航、数传及遥感观测卫星,使在轨可重构载荷成为可能。通过仿真测试,多模式空间行波管电源效率达到94%,重频范围覆盖连续波到10 kHz,输出功率在47~53 dBm范围内可调节。

多注耦合腔慢波结构冷测特性研究

对多注耦合腔慢波结构的色散和耦合阻抗特性参数的计算分析方法进行了讨论,特别是边注耦合阻抗的模拟算法。利用准周期边界条件计算了Ku波段五注耦合腔慢波结构色散特性,直接通过定义式得到了-1次谐波纵向电场分布和5个电子注的耦合阻抗曲线。比较了垂直于电子注传播方向截面上x、y坐标轴上电场Ez的分布,以及各电子注耦合阻抗的差别与变化趋势,分析讨论了多注电子耦合阻抗的特点,对实际多注耦合腔行波管设计有一定指导意义。

等效电路法计算耦合腔慢波结构特性

耦合腔慢波结构的等效电路模型是实际情况的一种近似,冷测计算结果存在一定误差,特别是在整个冷测带宽内精度不能保持一致。为提高计算精度,通过对等效电路参数的分析,引入参数对间隙电容和耦合槽谐振频率计算公式进行了修正。利用修正的模型模拟了10 GHz^16 GHz的单槽和双槽耦合腔慢波结构,分析了修正参数对计算精度的影响,提出了不同修正方案来提高整个冷测带宽内计算精度,与电磁场数值计算结果最大相对误差为1.6%。计算结果表明修正参数可以将工程经验引入设计开发中,有效地提高等效电路模拟精度,对实际工程设计具有指导意义。

MAFIA软件模拟三维耦合腔慢波结构

本文详细描述了耦合腔慢波结构色散，耦合阻抗数值模拟的原理及方法．模拟过程是由ＭＡＦＩＡ软件包的频域解程序完成的．其结果与实测值、Ａｒｇｕｓ软件模拟值相比较，色散误差小于１％．最后，讨论了两种拟合色散曲线的方法，证实Ｃｕｒｎｏｗ方程拟合最佳．

耦合腔慢波结构冷测特性的计算方法

对几种用3维MAFIA仿真软件以及利用其准周期边界条件和后处理模块计算耦合腔行波管慢波结构的色散和耦合阻抗等冷测特性的方法进行了讨论,另外还对两种阻抗总阻抗和Pierce耦合阻抗的定义进行了充分讨论。考虑到休斯结构耦合腔行波管的电子是与耦合腔慢波结构的负一次谐波发生作用和耦合阻抗应该是电子注截面上的平均值等,指出总阻抗和Pierce耦合阻抗之间相差一个因子,考虑了这个修正因子之后,其结果将更接近实际情况。用这些方法计算耦合腔行波管的冷测特性,得到了与实验冷测值十分接近的结果。

X波段耦合腔行波管周期永磁聚焦系统

通过对不同耦合腔结构中电子注传输特性的研究,设计了长周期永磁聚焦系统,解决了影响电子注传输的横向磁场,开口磁环和磁场过渡区等问题,运用3维程序对X波段耦合腔行波管电子光学系统进行模拟计算,电子注通过率达到100%,波动9%,与耦合腔行波管实验要求一致。

随机耦合模型在高功率微波效应中的应用

分析了微波混沌腔体系统中关键部位感应电压的统计问题,介绍了随机耦合模型在高功率微波效应研究中的计算方法和应用,并以计算机机箱为实验系统,开展了电磁波耦合入计算机机箱腔体的电磁干扰问题研究,对其电路板上关键部位感应电压的统计计算和实验结果进行了比较,其结果基本一致。随机耦合模型在波混沌系统中感应电压的统计探讨为高功率微波效应、电磁兼容等研究提供了一种新的思路。

带开口磁环的周期永磁聚焦系统的2维模拟

由于目前常用的磁聚焦系统设计方法不能直接计算带有非轴对称开口磁环的磁系统,因此在行波管磁系统实验测试基础上,提出了双面带极靴的开口磁环体积等效概念:将开口磁环等效为相等体积磁性材料的2维轴对称磁环,两者都双面带极靴时轴上的磁场值相等。使用2维电磁计算软件FEMM计算了采用该等效模型后的周期磁聚焦系统的轴上磁场值,计算结果与带有开口磁环的实际系统测试值符合良好,两者相差仅3×10-3T。该2维等效模型能代替开口磁环进行计算。

用于太赫兹源粒子模拟的有限电导率模块研制

针对THz频段微电真空器件波导壁面材料电导率及加工粗糙度引发损耗的模拟需求,研制了有限电导率模块,并将其添加进三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D。介绍了有限电导率的时域有限差分显格式及时谐场近似解方法,针对上述方法的优缺点,提出了基于扩散方程隐格式的有限电导率模块算法,该算法具备无条件稳定、普适性好的优点。利用矩波导常见电磁波模传输损耗算例,测试了自编的有限电导率模块,测试结果与理论值及同类商业电磁软件计算结果进行了比对,验证了模块的可靠性。利用添加有限电导率的三维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE3D,模拟了材料电导率以及表面粗糙度对0.22THz折叠波导行波管性能的影响,模拟结果表明,材料电导率及表面粗糙度会显著降低器件输出功率和增益水平。综合色散关系、耦合阻抗、衰减常数等因素,给出了器件结构参数设计建议,并指出:通过增加电子束流、注入信号功率以及慢波结构周期数目等方式可一定程度上提高器件输出功率水平。

W波段阶梯型交错双栅慢波结构行波管的研究

为了提高传统交错双栅慢波结构行波管的性能,提出了一种阶梯型交错双栅慢波结构,并基于此新型慢波结构,提出了新型输入输出耦合结构.在此基础上,设计了一只工作在W波段的带状电子注阶梯型交错双栅慢波结构行波管.计算结果显示,阶梯型交错双栅慢波结构行波管的耦合阻抗更高,从而使行波管在更短的互作用电路长度里,实现更高的饱和增益和互作用效率.在90～100GHz频率范围内,阶梯型交错双栅慢波结构的耦合阻抗大于4Ω,高于传统交错双栅慢波结构;W波段带状电子注行波管高频结构的反射系数(S11)小于-15dB;并且行波管的饱和输入功率仅约为0.7W,可以实现最高输出功率约800W,相应的效率大于7.8%,增益大于30.6dB.

W波段大功率梯形线行波管的设计与仿真

针对w波段2GHz带宽范围内500w以上输出功率的系统应用需求，对一种新型贯通耦合式梯形线行波管进行了分析和模拟设计。通过CST微波工作室分析了这种贯通耦合式梯形线电路的冷特性参数，结果表明该种电路具有较高的互作用阻抗和一定的工作带宽。对结构参数的加工误差分析表明传统机械加工手段能够满足工程制管的需求。同时利用粒子工作室对该梯形线行波管的三维互作用工作特性进行了模拟计算研究。计算结果表明当工作电压21kV，电流400mA时，可以在94．3～97GHz范围内得到500w以上输出功率，最大输出功率740W，-1dB带宽超过2GHz。

双渐变螺旋线慢波结构参数分析及优化

双渐变螺旋线慢波结构是空间行波管中使用最广的慢波结构之一。利用Christine大信号程序对该慢波结构各部分长度和螺距对行波管效率以及增益的影响进行了分析。结果显示:增益和电子效率与慢波结构长度成正比,且输入端的长度对增益影响最大;电子效率对相速增加段的螺距的变化最为敏感。根据分析结果,通过增加输入端长度,加大相速增加段的螺距,同时减小相速减小段的螺距进行优化。优化后,电子效率由35.4%提高至36.8%,增益由54.6 dB增加至56.2 dB。

用于雷达的新型真空电子器件

真空电子器件在雷达的发展历程中发挥了重要作用,是雷达系统的核心器件,两者相辅相成、相互促进。随着设计仿真能力的不断提升,以及新材料新工艺的出现,真空电子器件出现了一些新的发展动向。器件性能不断提升,也出现了一些新型真空电子器件,这都为新型雷达探测技术的发展提供了很好的器件支撑。该文从微波毫米波器件及功率模块、集成真空电子器件、太赫兹、大功率和高功率5个方面介绍了真空电子器件新的发展趋势以及所取得的最新研究成果。

螺旋线慢波结构高频特性的简化模拟方法

利用3D电磁仿真软件HFSS中的Master/Slaver边界条件,基于螺旋线慢波结构的角向周期性,提出了一种改进的高频特性仿真方法。将具有3根夹持杆的螺旋线慢波结构的仿真模型从1个螺距的长度缩小到了1/3个螺距。仿真结果表明:采用改进后的模型,计算所得的相关高频特性参数与改进前传统模型所得结果基本一致,但是运算时间减少了至少3/4,且频率越高,计算时间上面的优势越大。

机载雷达2kW大功率发射机的研究

由于机载雷达要求越来越高,要求发射机的体积小、重量轻,但输出功率高,时域特性和频域特性好,发射机不仅要在技术上突破,增加功率密度,还必须促进基础、核心器件研制。文中从研制平均功率2 kW大功率机载雷达发射机的实际出发,介绍了发射机的设计思想,以及重点和难点的解决。

休斯型耦合腔慢波结构正向设计初步研究

针对高效率耦合腔行波管提出一种正向设计的初步方法,可根据设计指标对其慢波结构进行快速的定量设计。其设计思想是在满足带宽内的注波互作用同步条件的基础上,尽可能提高总阻抗。为此提出"带宽相速差之比"参量来描述带宽与同步的关系,并以此参量和Curnow等效电路模型分析了休斯型耦合腔慢波结构的各个参量变化对带宽和总阻抗的影响情况,从而建立慢波结构的正向设计过程;使用这种设计方法,针对给定的Ka波段的耦合腔行波管参数指标进行快速设计,设计结果基本满足指标要求。

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%。