高性能实用化辐射源是太赫兹应用的关键器件, 利用周期结构电磁色散中的止带区域具有耦合阻抗高的特点, 电子注和电磁波能够高效互作用, 可以实现大功率太赫兹振荡器。带边振荡器(BO)相比于传统的返波振荡器(BWO), 可以实现大功率输出, 在 W波段能达到百瓦量级, 太赫兹波段能达到瓦级; 采用周期永磁聚焦系统, 可以实现小体积轻质量; 慢波结构尺寸短, 结构简单; 成本低, 具有批量生产能力。本文提出可构建 3π止带的交错子周期折叠波导慢波结构 (FWG SWS)和双频双模双向带边振荡器工作机理, 采用皮尔斯双阳极电子枪、周期永磁聚焦系统、金刚石输能窗以及高效率收集极, 设计和研发了频率在 100 GHz以上的几种带边振荡器, 实现了 100 GHz频段 140 W的功率输出, 120 GHz频段实现了 30 W的功率输出, 在 300 GHz实现了 1W以上的功率输出。

为分析折叠波导行波管互作用电路切断位置的功率和频谱特性, 提出并研制出一只四端口 W波段脉冲行波管。对该行波管频带内互作用电路的 S参数、切断处功率和对应频谱特性进行测试, 分析表明: 端口 2(输入段的切断)的功率幅值主要取决于饱和状态下行波管的输入功率, 与输入段增益不成正比关系分布; 端口 3(输出段切断)功率主要取决于端口匹配性能, 其数值计算功率和测试数据吻合良好。本文研究为毫米波及太赫兹行波管切断设计提供了一种有效方法。

行波管具有大功率、高增益等优点, 是雷达、电子对抗系统等**装备的核心电子器件。采用一种新型慢波结构 ——非半圆弯曲变形折叠波导, 设计出低电压、高效率、宽带 W波段脉冲行波管, 工作电压 16 kV, 电流125 mA, 6 GHz带宽内输出功率大于 125 W, 增益大于 34 dB, 电子效率与总效率分别大于 6.3%,25.7%。

为解决现有多晶金刚石用于太赫兹 (THz)真空电子器件输能窗存在慢性漏气风险的技术难题, 介绍了一种高断裂强度、良好真空密封性能、低微波损耗的新型超薄复合多层金刚石膜的研制方法。该复合超薄金刚石膜采用微波等离子体化学气相沉积 (MPCVD)技术, 通过合理的结构设计和优化工艺, 实现微米晶金刚石 (MCD)和超纳米晶金刚石 (UNCD)交替沉积的三明治结构。测量 100 μm厚不同结构的复合膜断裂强度, 是同样厚度的 MCD的 2~3倍。将研制的复合多层金刚石膜用于 180 GHz和 220 GHz太赫兹行波管输能窗, 通过气密性检测, 漏率 ≤1×10-10 Pa.m3/s。窗的冷测结果显示, 180 GHz窗的 S11≤-15 dB(10 GHz带宽), 220 GHz窗的 S11≤-10 dB(20 GHz带宽), 均具有良好的射频 (RF)性能, 满足使用要求。为太赫兹行波管输能窗的研制提供了一种成本低、可靠性高的超薄金刚石膜的技术途径。

介绍了太赫兹频段真空电子器件的研究和开发进展，包括慢波结构理论、设计、模拟及优化，微加工和微组装技术，整管技术等。这些器件包括行波管、返波管、斜注管、止带振荡器及行波管谐波放大器等，高频结构以折叠波导慢波结构为主，在太赫兹返波管中则利用叶片加载波导慢波结构。器件技术包括微机电系统(MEMS)技术，微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)金刚石生长、金属化和封接技术等。最后给出W 波段、G 波段以及340 GHz 部件和器件所达到的性能。

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100 W, 带宽大于5 GHz。