Design of a Novel Folded Waveguide for 60-GHz Traveling-Wave Tubes

The 60-GHz traveling-wave tube （TWT） prevails nowadays as the amplifier for the satellite communication and electronic countermeasures. The folded waveguide （FW） is a promising all-metal slow-wave structure （SWS） for the 60-GHz TWT with advantages of robust performance, fine heat dissipation, considerable power and bandwidth. A novel FW periodically loaded with rectangular grooves is analyzed for the purpose of gaining higher power and gain. The rf characteristics are investigated by numerical simulation, and the nonlinear large- signal performance of such a TWT is analyzed by a 3I） particle-in-cell code MAGIC. Compared with normal circuits, relatively higher continuous-wave power （40-56 W） and similar bandwidth （5 GHz） are predicted by simulation. Meanwhile, the designed operation voltage is 10.5 kV, which keeps the low-voltage advantage of the popular helix TWT competitor. The novel FW will favor the design of a broadband and high-power 60-GHz TWT

An Open Rectangular Waveguide Grating for Millimeter-Wave Traveling-Wave Tubes

Millimeter-wave traveling-wave tube （TWT） prevails nowadays as the amplifier for radar, communication and electronic countermeasures. The rectangular waveguide grating is a promising all-metal interaction circuit for the millimeter-wave TWT with advantages of high power capacity, fine heat dissipation, scalability to smaller dimen- sions for shorter wavelengths, compact structure and robust performance. Compared with the traditional closed structure, the open rectangular waveguide grating （ORWG） has wider bandwidth, lower cut-off frequency, and higher machining precision for higher working frequencies due to the open transverse. It is a potential structure that can work in the millimeter wave and even Terahertz band. The rf characteristics including dispersion and interaction impedance are investigated by both theoretic calculation and software simulation. The influences of the structure parameters are also discussed and compared, and the theoretical results agree well with the simula- tion results. Based on the study, the ORWG will favor the design of a broadband and high-power millimeter-wave TWT.

Investigation of a wideband folded double-ridged waveguide slow-wave system

The folded double-ridged waveguide structure is presented and its properties used for wide-band traveling-wave tube are investigated. Expressions of dispersion characteristics, normalized phase velocity and interaction impedance of this structure are derived and numerically calculated. The calculated results using our theory agree well with those obtained by using the 3D electromagnetic simulation software HFSS. Influences of the ridge-loaded area and broad-wall dimensions on the high frequency characteristics of the novel slow-wave structure are discussed. It is shown that the folded double-ridged waveguide structure has a much wider relative passband than the folded waveguide slow-wave structure and a relative passband of 67% could be obtained, indicating that this structure can operate in broad-band frequency ranges of beam-wave interaction. The small signal gain property is investigated for ensuring the improvement of bandwidth. Meanwhile, with comparable dispersion characteristics, the transverse section dimension of this novel structure is much smaller than that of conventional one, which indicates an available way to reduce the weight of traveling-wave tube.

Nonlinear investigation of beam-wave interaction in double-groove loaded folded-waveguide traveling-wave tube

A W-band traveling-wave tube (TWT) with double-groove loaded folded waveguide structure (FWSWS) has been designed and numerically modelled. The nonlinear performance of such a TWT is investigated by a particle-in-cell code MAGIC3D. Simulation results indicate this TWT produces a saturated electromagnetic power of 170.2 W at 90 GHz, corresponding to 36.9 dB gain and 69.6 mm interaction distance. A comparison between the novel folded waveguide traveling-wave tube (FWTWT) and the conventional one is also carried out to verify the effect of groove loading on the large-signal performance of TWT. Within the same working conditions, the double groove-loaded FWTWT could obtain higher saturated output power and gain in a shorter interaction length. The maximum of output power and gain of this novel TWT is 58.6% and 10% higher than those of the conventional FWTWT, while the 3-dB bandwidth of TWT is reduced to 4 GHz. With the additional advantage of ease of fabrication based on micro-electro-mechanical systems (MEMS) technologies, the double-groove loaded FWSWS is suitable for a millimeter-wave TWT with high power capacity and gain.

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。

太赫兹折叠波导慢波电路及功率合成技术

针对太赫兹频段行波管输出功率较小的瓶颈以及对紧凑型设计的明确需求,提出一种管内功率合成的0.34 THz折叠波导行波管结构。首先,对太赫兹折叠波导慢波结构的高频特性进行了研究,通过仿真计算得到了其色散特性和耦合阻抗,0.34 THz处归一化相速度为0.248,耦合阻抗为0.46Ω;其次,提出了用于管内功率合成的3 dB定向耦合器结构设计,分析表明,其在0.31~0.368 THz范围内,幅度平衡度在±0.19 dB以内,隔离度优于24 dB;最后,完成了基于3 dB定向耦合器管内功率合成的折叠波导行波管基本结构设计并构建了仿真模型,仿真结果表明,最大输出功率为9.16 W,增益为26.6 dB,3 dB带宽达到21 GHz。作为对比,单个折叠波导行波管输出功率为6.18 W,故管内合成的折叠波导行波管的输出功率是单个行波管输出功率的1.48倍;此外,与采用常规外置功率合成结构的双行波管组件设计相比,管内功率合成折叠波导行波管的横向尺寸至少缩减了56.5%。

140 GHz折叠波导行波管电子光学系统设计与验证

设计了一种140 GHz折叠波导行波管电子光学系统,利用三维粒子仿真软件Opera-3D对考虑热初速效应的圆形电子注在周期永磁聚焦系统内传输状态进行了仿真分析,并对磁场过渡区进行了优化设计,改善电子注与磁场的匹配效果。经计算,该电子光学系统阴极发射电流60 mA,阴极电压20 kV,流通率99.9%。样管测试结果显示,电子枪参数与设计结果相符合,实测流通率达到97.2%,行波管实现连续波稳定工作。

非周期同心圆弧折叠波导行波管的永磁聚焦系统设计

开展了对非周期折叠波导行波管永磁聚焦系统的研究。基于W波段非周期折叠波导行波管的技术指标,根据理论分析和电磁仿真,设计了一套均匀永磁聚焦的电子光学系统,并进行了实物加工与测试。仿真结果表明,在电子主通道直径0.3 mm,长度为40.5 mm的条件下,阴阳极电压差为6 kV,可以产生120 mA的电流,电子通过率100%。测试结果表明,在阴阳极施加6 kV的电压时,阴极发射电流为120 mA,电子通过率为90%,满足高频结构设计要求。

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。

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345GHz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。

0.22THz折叠波导行波管部件设计与加工

以理论推导和三维模拟仿真设计为基础,设计优化了0.22THz折叠波导行波管电子枪、慢波结构、永磁聚焦系统、输入/输出结构、收集极等部分,并结合大量的工艺实验,探索和研究了各种精密加工方法和组装焊接工艺,最后完成了符合这些部分设计要求的高精度零件加工和组装焊接样品。

0.22 THz折叠波导行波管设计

在一支0.22 THz折叠波导行波管样管的模拟设计和实验研究基础上,对该样管进行了优化设计。对慢波损耗特性、慢波结构的尺寸冗余度进行了研究,对结构加工进行了进一步的考虑,对样管的实验研究进行了详细讨论并论述了新慢波结构的设计。采用HFSS软件结合大信号理论计算进行模拟,结果表明,折叠波导行波管的输出功率不低于100 mW,带宽不低于5 GHz。

亚毫米波折叠波导慢波结构的损耗特性研究

损耗是慢波结构的重要参量之一。采用理论与仿真的方法分析了在亚毫米波段(220GHz)折叠波导慢波结构的导体损耗。在理论模型计算了弯曲波导段的衰减系数,并考虑了波导内表面粗糙度对电导率的影响,从而使模型更接近实际情况。计算结果表明,弯曲波导段的衰减常数大于直波导段,而且理论模型计算出的每周期折叠波导电路的损耗与高频仿真软件HFSS的结果吻合较好,说明理论模型有较高的精确度。在此基础上,分析了慢波结构参数变化对损耗的影响。

0.14THz行波管的设计与实验研究

以折叠波导作为为慢波结构进行研究分析,利用三维电磁仿真软件HFSS和CST,对0.14THz行波管模型进行了折叠波导慢波结构、电子光学系统和输入输出窗等的模拟设计,并完成了整管的PIC注波互作用的仿真计算与优化。进行了整管的焊接工艺设计和热测实验,研制出的样管在电压15.4kV、电流17.4mA下,脉冲工作输出最大功率为8.3 W,输出中心频率为140.8GHz,最大增益为28dB,-3dB带宽为2.9GHz。

并行多注THz折叠波导行波管的理论分析与数值模拟

为了提高THz行波管的输出功率,通过并行多注和功率合成的方法,完成了并行多注D波段折叠波导行波管的理论分析与数值模拟。计算结果表明:单束行波管在0.135～0.157THz频率区间具有很好的色散平坦度,3dB带宽为13GHz,0.14THz处获得了20.88dB的最大增益;多束合成行波管在0.14THz处获得了20.8dB的合成增益,3dB带宽区间合成效率不低于92%。数值模拟表明该方法很好地实现了多路放大信号的合成输出。并行多注行波管具有输出功率大、单束电流小、聚焦磁场低等优点,能够在低发射电流密度条件下实现大功率THz辐射。

V波段大功率带状注曲折波导行波管

利用曲折波导慢波结构和一个长宽比为3∶1的带状电子注作为注-波互作用电路,完成了对V波段大功率行波管互作用电路的设计。分析了带状电子注通道对高频特性的影响,并在综合考虑色散和耦合阻抗的情况下得到了优化的结构参数。建立了3维的V波段带状注曲折波导行波管的电路模型,并利用CST粒子工作室完成了注-波互作用的仿真研究。研究结果表明,当工作电压和电流分别为17kV和150mA时,带状注曲折波导行波管在58～62GHz时的饱和平均输出功率大于160W,增益大于34.7dB。

折叠波导行波管切断匹配的设计

利用电磁模拟软件,计算得到了H面渐变与E面渐变的楔形衰减器匹配效果,指出在相同渐变长度下,E面渐变匹配效果优于H面渐变。H面渐变衰减器反射主要来源于电场集中处,而E面渐变衰减器主要来源于渐变前部尖端处。在此基础上设计出了一种变形的匹配衰减器,即在E面渐变衰减器渐变开始处向前延伸一块薄片。计算结果与测试结果表明:与H面渐变和E面渐变的楔形衰减器相比,所设计衰减器在近截止频率处的匹配效果得到了明显的改善。

毫米波折叠波导行波管输入输出过渡波导设计

折叠波导以其宽频带、加工方便而成为一类重要的毫米波与太赫兹波段行波管慢波线。针对折叠波导慢波系统与标准波导的匹配过渡连接,通过等效电路分析与电磁计算软件模拟,设计出了直渐变波导、双曲圆弧渐变波导、切比雪夫阶梯渐变波导3种输入输出过渡波导结构,分析了各种过渡波导的优缺点及结构尺寸对性能的影响。计算表明,经过合理优化的设计,3种过渡结构均可以使反射系数在28-40 GHz波段小于0.05。

140 GHz多束折叠波导行波管仿真分析

借鉴Khanh Nguyen提出的多束折叠波导行波管结构,设计出了可以有效抑制自激振荡的140GHz多束折叠波导行波管。利用PIC软件对双束微折叠波导行波管进行了仿真计算,并与单束模型进行了对比研究,结果表明行波管采用多束机制可以有效提高器件的增益,克服管子加工长度的困难,且有效抑制了管子的自激振荡。

Ka波段双注折叠波导行波管的研究

分析了单注折叠波导行波管增益和带宽的限制因素，提出了采用双注结构提高单位长度增益和拓宽带宽的方法。模拟结果表明，在工作电压和单注电流相同的情况下，采用同速双注（两电子注速度相同）可将高频互作用系统饱和输出功率提升至单注时的2．8倍，互作用效率提高了1．4倍，增益饱和长度缩短了5个几何周期；采用非同速双注可在更宽的频率范围内满足同步条件，展宽了带宽。设计了一工作频率为25～29．5GHz的宽带折叠波导行波管，3dB增益带宽可达到16．5％，约占冷带宽（12GHz，22—34GHz）的38％，输出功率在27GHz时达到最大为256W。另外，文中对由电路内部反射引起的增益不稳定性进行了分析，并给出了解决方法。