基于220GHz折叠波导行波管的高频系统研究

随着通信技术的迅猛发展,人们对于220GHz折叠波导行波管的功率和带宽的要求越来越高。因此研究基于220GHz折叠波导行波管,设计了一种结构紧凑、高效的折叠波导慢波电路结构,可以进行高频系统信号的放大和传输。通过优化折叠波导的尺寸,实现了低损耗和高功率的传输。优化后的导波参数为0.74mm,b为0.10mm,h为0.25mm。在220GHz频率下,设置工作电压20kV、电流30mA、输入功率20mW、均匀磁场峰值0.6T,可得系统的输出功率为12.3W,3dB带宽为5GHz。以上数据表明,研究所设计的折叠波导行波管高频系统可以有效地提高输出功率并增大带宽。研究成果可以进一步提高高频系统性能并为开发新型器件提供了有益的指导和参考。

基于波数域算法的220GHz雷达成像技术

太赫兹成像技术是当前太赫兹领域研究的热点之一,太赫兹波具有分辨率高、穿透性好、安全性的优点,用于反恐和安检方面有着巨大优势。本文介绍了基于波数域算法的220GHz雷达成像技术,采用机械扫描的模式,模拟仿真建立了目标散射点模型,经过算法处理后的结果显示波数域算法能够精确地重建目标位置,成像精度较高,为进一步应用于实测数据奠定基础,从而为安检成像的应用研究做了铺垫。

94/220 GHz星载雷达双波长比对非球形冰晶云参数敏感性分析

利用不同形状冰晶的散射特性,获得了非球形冰晶云的94/220 GHz测云雷达双波长比,探讨了非球形冰晶云的双波长比与云内微物理参数的关系,分析了衰减前后的星载雷达反射率因子及双波长比的垂直廓线。结果表明:(1)双波长比可以反映小到0.1 mm中值尺度的冰粒子,对粒子总数、谱的形状参数不敏感,对粒子大小、形状、云衰减较敏感。(2)雷达灵敏度一定时,星载雷达可测云厚与雷达波长、冰含水量(IWC)的垂直分布、云厚及衰减有关;没有进行衰减订正时,双波长比和衰减有关,冰含水量越大,波长越短,衰减越大,双波长比最大值与可探测云厚有关。两部雷达可探测冰含水量为0.001—0.1 g/m^3、厚2 km的冰云;当云厚5 km、冰含水量垂直分布在0.001—0.2 g/m^3时,云厚的94%基本可以被220 GHz云雷达探测到。(3)如果两部雷达气象方程中用水的介电因子,测量回波强度应进行介电因子的订正后再计算双波长比。

高阶模式回旋管的非线性模拟

通过时缓变圆柱型腔体中电子注与高频场中的电磁波互作用的分析,对电子运动方程进行推导。利用自主开发的高阶模式回旋管的注-波互作用数值模拟软件,对频率为220GHz的回旋管进行了自洽非线性模拟,分析了工作在TE10,4模式下速度比,电子注的偏心以及速度零散时注一波互作用效率的影响。

220 GHz周期介质加载波导回旋行波管的理论设计与PIC仿真

通过理论研究和粒子仿真(Particle in Cell,PIC),设计了一支工作在基波TE01模式下,采用周期性介质加载(PDL)波导的220 GHz回旋行波管(gyrotron traveling wave tube,Gyro-TWT)。通过研究寄生振荡的起振阈值和加载介质环,成功抑制了寄生振荡(绝对不稳定性振荡和返波振荡)。分别采用了非线性理论程序与粒子仿真对注波互作用进行研究,对比了两种结果基本一致。PIC仿真结果显示,优化后的回旋行波管,工作在220 GHz时,在输入70 kV和3 A电子注的情况下,饱和输出功率为55.61 kW,对应的效率为26.48%,饱和增益为53.56 dB,-3 dB带宽为12 GHz。

220 GHz二次谐波混频器集成模块

在220 GHz二次谐波混频器的设计基础上,提出中频传输波导的垂直转换结构,实现了四通道混频器集成模块方案,缩短了混频器单通道的横向尺寸,为太赫兹接收机系统多通道线阵列集成提供了可行性方案。为优化系统模型的准确性,基于TCAD对肖特基势垒二极管进行三维半导体器件建模计算,依据提取的关键特性参数进行混频器的高频电磁波仿真。通过对该设计方案进行测试,结果表明:当本振频率为110 GHz,功率为7 dBm,射频输入200~240 GHz,混频器的单边带变频损耗为8.6~13 dB,在204~238 GHz的单边带变频损耗为8.6~11.3 dB。当本振频率为108 GHz时,驱动功率仅需3 dBm。此外,基于该混频器模块构建的220 GHz接收机系统,积分时间为700μs时其温度灵敏度为1.3 K。

机载220 GHz云雷达衰减订正模拟试验

针对220 GHz云雷达回波信号的衰减问题,结合典型云滴谱和云参数,对水云和冰云模拟取样2 100次,应用离散偶极子近似法计算了220 GHz云雷达探测云滴粒子的衰减系数kc和雷达反射率因子Z的关系。在考虑大气和云对220 GHz云雷达信号衰减的基础上,对水云和冰云的机载220 GHz雷达回波强度进行了数值模拟,根据得到的kc-Z关系,进行衰减订正的模拟试验。结果表明:水滴云比冰晶云的衰减系数大2~3个数量级;相对于小粒子的水云和冰云,大气吸收是造成机载220 GHz云雷达衰减的主要原因。高频段的雷达信号在传播路径上的衰减非常明显,本研究中给出的kc-Z关系适用于220 GHz频率雷达的云衰减订正计算。