140GHz大功率交错双栅行波管的设计和模拟研究

赖剑强; 魏彦玉; 许雄; 沈飞; 刘洋; 刘漾; 黄民智; 唐涛; 宫玉彬

doi:10.7498/aps.61.178501

摘要

采用交错双栅结构,结合带状电子注,研究了一种工作在140 GHz频段的大功率行波管. 本振模数值计算表明该结构具有良好的色散特性和耦合阻抗.针对所采用的慢波结构, 提出了慢波过渡结构、输入输出耦合器和集中衰减器,保证了行波管的良好工作. 利用三维大信号模拟计算的方法得到的结果显示,当电子注直流功率为5.115 kW,输入信号功率为0.1 W时, 所研究的行波管能在132152 GHz范围内提供大于300 W的峰值功率,其中在138 GHz时得到最大功率546 W, 对应增益为37.37 dB.当在0.0270.46 W内调节输入信号功率,可以保持该行波管在128152 GHz 频带内得到大于440 W的峰值功率,对应的电子效率大于8.6%. 结果显示该行波管将在大功率短毫米波领域具有重要意义和潜在应用价值.

关键词:

Abstract

Staggered double vane slow wave structure (SWS) and sheet electron beam are employed to investigate a 140 GHz high power traveling wave tube. Numerical calculation of eigenmode shows that the SWS has a good characteristic of dispersion and interaction impedance. The transition structure, input/output coupler and concentrated attenuator are especially proposed for the circuit to ensure that the tube will work well. Particle-in-cell simulation results demonstrate that the traveling wave tube can provide over 300 W of peak power in a frequency range of 132-152 GHz with a maximum of 546 W and a corresponding gain of 37.37 dB at 138 GHz assuming a beam power to be 5.115 kW and input power to be 0.1 W. The output power of the tube can exceed 440 W in a frequency range of 128-152 GHz with a corresponding interaction efficiency of over 8.6% when the input powers range from 0.027 W to 0.46 W. Such a traveling wave tube has a great significance and a potential application in high power short millimeter wave field.

Keywords:

作者及机构信息

1.
电子科技大学物理电子学院, 微波电真空器件国家级重点实验室, 成都 610054

基金项目: 国家杰出青年科学基金(批准号: 61125103);国家自然科学基金(批准号: 60971038) 和中央高校基本科研业务费(批准号: ZYGX2009Z003)资助的课题.

Authors and contacts

1.
National Key Laboratory of Science and Technology on Vacuum Electronics, School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China

Funds: Project supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars of China (Grant No. 61125103), the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60971038), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grant No. ZYGX2009Z003).

参考文献

[1]	Joye C D, Shapiro M A, Sirigiri J R, Temkin R J 2009 IEEE Trans. Electron Devices 56 818
[2]	Wang G Q, Wang J G, Li X Z, Fan R Y, Wang X Z, Wang X F, Tong C J 2010 Acta Phys. Sin. 59 8459 (in Chinese) [王光强, 王建国, 李小泽, 范如玉, 王行舟, 王雪峰, 童长江 2010 59 8459]
[3]	Feng J J, Hu Y F, Cai J, Wu X P, Tang Y 2010 Vacuum Electronics 2 27 (in Chinese) [冯进军, 胡银富, 蔡军, 邬显平, 唐烨 2010 真空电子技术 2 27]
[4]	Peng W F, Hu Y L, Yang Z H, Li J Q, Lu Q R, Li B 2010 Acta Phys. Sin. 59 8478 (in Chinese) [彭维峰, 胡玉禄, 杨中海, 李建清, 陆麒如, 李斌 2010 59 8478]
[5]	Qu B, Feng J J 2010 Vacuum Electronics 2 16 (in Chinese) [瞿波, 冯进军 2010 真空电子技术 2 16]
[6]	Ding Y G, Liu P K, Zheng Z C, Wang Y, Shen B 2011 High Power Laser and Particle beams 23 1989 (in Chinese) [丁耀根, 刘濮鲲, 张兆传, 王勇, 沈斌 2011 强激光与粒子束 23 1989]
[7]	Liu S G, Li H F, Wang W X, Mo Y L 1985 Introduction to Microwave Electronics (Beijing: National Defense Industry Press) p252-269 (in Chinese) [刘盛纲, 李宏福, 王文祥, 莫元龙 1985 微波电子学导论 (北京:国防工业出版社) 第252-269页]
[8]	He J, Wei Y Y, Gong Y B, Duan Z Y, Wang W X 2010 Acta Phys. Sin. 59 2843 (in Chinese) [何俊, 魏彦玉, 宫玉彬, 段兆云, 王文祥 2010 59 2843]
[9]	Alaria M K, Bera A, Sharma R K, Srivastava V 2011 IEEE trans. Plasmas science 39 550
[10]	Peng W F, Yang Z H, Hu Y L, Li J Q, Lu Q R, Li B 2011 Chin. Phys. B 20 078401
[11]	Gong Y B, Deng M J, Duan Z Y, Lu M Y, Wei Y Y, Wang W X 2007 Acta Phys. Sin. 56 4497 (in Chinese) [宫玉彬, 邓明金, 段兆云, 吕明毅, 魏彦玉, 王文祥 2007 56 4497]
[12]	Shin Y M, Barnett L R, Baig A, Tsai W C, Luhmann N C Jr. 2011 Proc. IEEE Int. Vac. Electron. Conf. Bangalore, India, February 21-24, 2011 p61
[13]	Gong Y B, Yin H R, Yue L N, Lu Z G, Wei Y Y, Feng J J, Duan Z Y, Xu X 2011 IEEE Trans. Plasma Science 39 847
[14]	Carlsten B E, Russell S J, Earley L M, Krawczyk F L, Potter J M, Ferguson P, Humphries S Jr. 2005 IEEE Trans. Plasma Sci. 33 85
[15]	Lai J Q, Gong Y B, Xu X, Wei Y Y, DuanZ Y, Yue L N, Wang W X China Patent CN201010594432.1 [2010-6-29] (in Chinese) [赖剑强, 宫玉彬, 许雄, 魏彦玉, 段兆云, 岳玲娜, 王文祥中国专利 CN201010594432.1 [2010-6-29]]
[16]	Nguyen K T, Pasour J A, Antonsen T M Jr, Larsen P B, Petillo J J, Levush B 2009 IEEE Trans. Electron devices 55 744
[17]	Zhao D 2010 Acta Phys. Sin. 59 1712 (in Chinese) [赵鼎 2010 59 1712]
[18]	Lai J Q, Gong Y B, Wei Y Y, Duan Z Y, Huang M Z, Wang W X China Patent CN201120106737.3 [2011.10.5] (in Chinese) [赖剑强, 宫玉彬, 魏彦玉, 段兆云, 黄民智, 王文祥中国专利CN201120106737.3 [2011.10.5]]
[19]	Li H Y, Feng J J, Bai G D 2011 Proc. IEEE Int. Vac. Electron. Conf. Bangalore, India, February 21-24, 2011 p379

施引文献

[1]	Joye C D, Shapiro M A, Sirigiri J R, Temkin R J 2009 IEEE Trans. Electron Devices 56 818
[2]	Wang G Q, Wang J G, Li X Z, Fan R Y, Wang X Z, Wang X F, Tong C J 2010 Acta Phys. Sin. 59 8459 (in Chinese) [王光强, 王建国, 李小泽, 范如玉, 王行舟, 王雪峰, 童长江 2010 59 8459]
[3]	Feng J J, Hu Y F, Cai J, Wu X P, Tang Y 2010 Vacuum Electronics 2 27 (in Chinese) [冯进军, 胡银富, 蔡军, 邬显平, 唐烨 2010 真空电子技术 2 27]
[4]	Peng W F, Hu Y L, Yang Z H, Li J Q, Lu Q R, Li B 2010 Acta Phys. Sin. 59 8478 (in Chinese) [彭维峰, 胡玉禄, 杨中海, 李建清, 陆麒如, 李斌 2010 59 8478]
[5]	Qu B, Feng J J 2010 Vacuum Electronics 2 16 (in Chinese) [瞿波, 冯进军 2010 真空电子技术 2 16]
[6]	Ding Y G, Liu P K, Zheng Z C, Wang Y, Shen B 2011 High Power Laser and Particle beams 23 1989 (in Chinese) [丁耀根, 刘濮鲲, 张兆传, 王勇, 沈斌 2011 强激光与粒子束 23 1989]
[7]	Liu S G, Li H F, Wang W X, Mo Y L 1985 Introduction to Microwave Electronics (Beijing: National Defense Industry Press) p252-269 (in Chinese) [刘盛纲, 李宏福, 王文祥, 莫元龙 1985 微波电子学导论 (北京:国防工业出版社) 第252-269页]
[8]	He J, Wei Y Y, Gong Y B, Duan Z Y, Wang W X 2010 Acta Phys. Sin. 59 2843 (in Chinese) [何俊, 魏彦玉, 宫玉彬, 段兆云, 王文祥 2010 59 2843]
[9]	Alaria M K, Bera A, Sharma R K, Srivastava V 2011 IEEE trans. Plasmas science 39 550
[10]	Peng W F, Yang Z H, Hu Y L, Li J Q, Lu Q R, Li B 2011 Chin. Phys. B 20 078401
[11]	Gong Y B, Deng M J, Duan Z Y, Lu M Y, Wei Y Y, Wang W X 2007 Acta Phys. Sin. 56 4497 (in Chinese) [宫玉彬, 邓明金, 段兆云, 吕明毅, 魏彦玉, 王文祥 2007 56 4497]
[12]	Shin Y M, Barnett L R, Baig A, Tsai W C, Luhmann N C Jr. 2011 Proc. IEEE Int. Vac. Electron. Conf. Bangalore, India, February 21-24, 2011 p61
[13]	Gong Y B, Yin H R, Yue L N, Lu Z G, Wei Y Y, Feng J J, Duan Z Y, Xu X 2011 IEEE Trans. Plasma Science 39 847
[14]	Carlsten B E, Russell S J, Earley L M, Krawczyk F L, Potter J M, Ferguson P, Humphries S Jr. 2005 IEEE Trans. Plasma Sci. 33 85
[15]	Lai J Q, Gong Y B, Xu X, Wei Y Y, DuanZ Y, Yue L N, Wang W X China Patent CN201010594432.1 [2010-6-29] (in Chinese) [赖剑强, 宫玉彬, 许雄, 魏彦玉, 段兆云, 岳玲娜, 王文祥中国专利 CN201010594432.1 [2010-6-29]]
[16]	Nguyen K T, Pasour J A, Antonsen T M Jr, Larsen P B, Petillo J J, Levush B 2009 IEEE Trans. Electron devices 55 744
[17]	Zhao D 2010 Acta Phys. Sin. 59 1712 (in Chinese) [赵鼎 2010 59 1712]
[18]	Lai J Q, Gong Y B, Wei Y Y, Duan Z Y, Huang M Z, Wang W X China Patent CN201120106737.3 [2011.10.5] (in Chinese) [赖剑强, 宫玉彬, 魏彦玉, 段兆云, 黄民智, 王文祥中国专利CN201120106737.3 [2011.10.5]]
[19]	Li H Y, Feng J J, Bai G D 2011 Proc. IEEE Int. Vac. Electron. Conf. Bangalore, India, February 21-24, 2011 p379

[1]	邱海舰, 胡玉禄, 胡权, 朱小芳, 李斌. 考虑谐波互作用的行波管欧拉非线性理论模型. , 2018, 67(8): 088401. doi: 10.7498/aps.67.20180024
[2]	易红霞, 肖刘, 苏小保. 传输矩阵法在行波管内部反射引起的增益波动计算中的应用. , 2016, 65(12): 128401. doi: 10.7498/aps.65.128401
[3]	王兵, 文光俊, 王文祥. 同轴交错圆盘加载波导慢波结构高频特性的研究. , 2014, 63(22): 224101. doi: 10.7498/aps.63.224101
[4]	颜卫忠, 胡玉禄, 李建清, 杨中海, 田云先, 李斌. 基于三端口网络模型的折叠波导行波管注波互作用理论研究. , 2014, 63(23): 238403. doi: 10.7498/aps.63.238403
[5]	殷海荣, 徐进, 岳玲娜, 宫玉彬, 魏彦玉. 一种折叠波导行波管大信号互作用理论. , 2012, 61(24): 244106. doi: 10.7498/aps.61.244106
[6]	胡权. 变周期大结构低压工作折叠波导行波管的理论与模拟研究. , 2012, 61(1): 014101. doi: 10.7498/aps.61.014101
[7]	刘漾, 魏彦玉, 沈飞, 许雄, 刘洋, 赖剑强, 黄明智, 唐涛, 宫玉彬. 开敞型角向周期加载金属柱圆波导的注波互作用线性理论研究. , 2012, 61(16): 168401. doi: 10.7498/aps.61.168401
[8]	刘青伦, 王自成, 刘濮鲲. 基于双排矩形梳状慢波结构的W波段宽频带行波管模拟研究. , 2012, 61(12): 124101. doi: 10.7498/aps.61.124101
[9]	刘洋, 徐进, 许雄, 沈飞, 魏彦玉, 黄民智, 唐涛, 王文祥, 宫玉彬. V形曲折矩形槽慢波结构的研究. , 2012, 61(15): 154208. doi: 10.7498/aps.61.154208
[10]	阮存军, 王树忠, 韩莹, 李庆生. 高传输通过率带状电子注聚焦与传输特性的研究. , 2011, 60(8): 084105. doi: 10.7498/aps.60.084105
[11]	高鹏, Booske John H., 杨中海, 李斌, 徐立, 何俊, 宫玉彬, 田忠. 太赫兹折叠波导行波管再生反馈振荡器非线性理论与模拟. , 2010, 59(12): 8484-8489. doi: 10.7498/aps.59.8484
[12]	赵鼎. 关于闭合及偏置PCM结构约束带状电子注可行性的研究. , 2010, 59(3): 1712-1720. doi: 10.7498/aps.59.1712
[13]	郝保良, 肖刘, 刘濮鲲, 李国超, 姜勇, 易红霞, 周伟. 螺旋线行波管三维频域非线性注波互作用的计算. , 2009, 58(5): 3118-3124. doi: 10.7498/aps.58.3118
[14]	殷海荣, 宫玉彬, 魏彦玉, 岳玲娜, 路志刚, 巩华荣, 黄民智, 王文祥. 有限开敞介质光子晶体的模式及其带结构分析. , 2008, 57(6): 3562-3570. doi: 10.7498/aps.57.3562
[15]	宫玉彬, 邓明金, 段兆云, 吕明毅, 魏彦玉, 王文祥. 衰减器对螺旋线慢波结构高频特性影响的理论研究. , 2007, 56(8): 4497-4503. doi: 10.7498/aps.56.4497
[16]	肖刘, 苏小保, 刘濮鲲. 基于行波管螺旋导电面模型的空间电荷场研究. , 2006, 55(10): 5150-5156. doi: 10.7498/aps.55.5150
[17]	李建清, 莫元龙. 行波管中慢电磁行波与电子注非线性互作用普遍理论. , 2006, 55(8): 4117-4122. doi: 10.7498/aps.55.4117
[18]	岳玲娜, 王文祥, 魏彦玉, 宫玉彬. 同轴任意槽形周期圆波导慢波结构色散特性的研究. , 2005, 54(9): 4223-4228. doi: 10.7498/aps.54.4223
[19]	郝建红, 丁武, 张治畴. 行波管放大器中场极限环和混沌行为的阈值分析. , 2003, 52(8): 1979-1983. doi: 10.7498/aps.52.1979
[20]	郝建红, 丁武. 行波管放大器中辐射场的极限环振荡和混沌. , 2003, 52(4): 906-910. doi: 10.7498/aps.52.906

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