短毫米波及太赫兹行波管具有宽频宽、大功率、高效率等优点, 在高分辨成像、高速通信、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。分析和评述了国内外研究单位的研制水平, 以及作者近年来研发的行波管, 频率覆盖 E波段、W波段、G波段和 Y波段等多个频段。为进一步提升毫米波及太赫兹行波管输出功率, 在新型折叠波导慢波结构、相速再同步技术、周期聚焦磁场 (PCM)聚焦带状电子注、多注集成等方向开展了分析与实验研究, 为器件的性能提升和应用推进提供技术支持。

随着太赫兹通信技术的发展, 对于0.14 THz折叠波导行波管(FWTWT)的研究需求向着更高的功率和更宽的带宽发展。对双注行波管中的双路折叠波导慢波电路进行分析, 得到不同参数下的高频特性变化规律。并对双路折叠波导慢波电路的功率分配和功率合成效率进行分析计算, 得到功率合成效率96.3%。最后对双路慢波电路、功率分配/合成器和集中衰减器进行建模, 并对注波互作用进行计算。在高压15 kV和单注电子的发射电流为40 mA条件下, 得到0.14 THz频率下的合成输出功率为56 W, 增益为31.4 dB, 3 dB带宽为7 GHz。

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%。

提出了一种基于开槽介质基底的卷绕微带线慢波结构.由于金属曲折微带线印制在介质基底的半圆形槽中, 这种卷绕微带线慢波结构非常适合圆形电子注行波管, 从而使得采用这种新型慢波结构的行波管可以利用传统的周期永磁磁场进行聚焦.文章对提出的卷绕微带线慢波结构的色散特性, 耦合阻抗, 传输特性及注-波互作用进行了分析.和传统的平面微带线慢波结构相比, 提出的卷绕微带线慢波结构具有更低的相速、更弱的色散和更高的耦合阻抗, 从而使得其适合于低电压、宽频带、小型化的毫米波行波管.将同步电压及直流电流分别设置为6550 V及0.1 A的情况下, 基于该卷绕微带线慢波结构的Ka波段行波管在35 GHz处能够输出42.32 W的功率, 对应增益为26.26 dB, 且均匀聚焦磁场只需0.4 T.

在研究0.14 THz折叠波导行波管中, 提出一种三段相速跳变的设计, 使得电子能够在输出段与行波场发生速度再同步, 从而提高了电子工作效率。根据色散公式, 找到一种影响相速变化的结构因素。通过优化设计进行大信号程序计算, 在电压14.95 kV、工作电流30 mA时, 与未采用相速变化的结构相比, 140 GHz时功率提高了0.84 W, 效率提高了9.13%; 在142 GHz时功率提高了0.88 W, 效率提高了10.4%; -1 dB带宽由原来的5 GHz提高到7 GHz, 扩展了行波管的带宽, 提高了电子与波的互作用效率。

0.14 THz 折叠波导行波管是一种宽频带高增益器件，容易产生自激振荡，破坏管子的正常工作。在管内加入衰减器是抑制其振荡的核心技术。本文考虑了衰减材料的配比选择，以及结构形状的匹配，运用三维模拟软件对衰减器的吸收和反射特性进行计算，优化并研制出适合0.14 THz 行波管使用的衰减器。进行冷测后，其匹配和吸收特性都满足衰减器需求，为制作0.14 THz行波管放大器奠定了基础。

在本课题组此前采用显式方法设计0.14 THz宽带折叠波导慢波结构的基础上，设计了一种0.14 THz瓦量级输出折叠波导行波管。通过CST MWS软件分析结构尺寸对冷测特性的影响规律来确定一组慢波结构参数，然后对电子枪、永磁聚焦系统、输入输出结构、衰减结构及收集极系统进行设计，最后经过CST PS软件进行整管热测特性仿真模拟。此过程不断迭代，最终找到一组结构参数满足频率在0.14 THz、输入功率为20 mW时，折叠波导行波管输出功率大于6 W。为了验证设计的电子光学系统的正确性，加工装配了一根流通管，并进行了流通率测试，测得流通率大于80%。

翼片加载折叠波导电路是一种改进型的行波管互作用电路。与原始结构相比, 它具有提高的耦合阻抗、扩展的横向尺寸以及更加灵活的设计能力, 因此适合工作在太赫兹频段。首先采用理论模型设计了工作频率0.22THz的慢波结构; 然后采用三维粒子模拟技术对翼片加载折叠波导行波管放大器的非线性性能进行了研究。结果显示, 新型结构具有高的互作用效率和宽频带放大的能力。在中心工作频率220GHz处, 2mW的驱动功率下可以得到4W的饱和输出功率, 对应的电子效率和增益分别为2.47%和33dB(考虑了电路的导体损耗); 恒定功率下扫频模拟显示, 放大器的瞬时3dB带宽可达13.6, 频率范围覆盖205~235GHz。

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。