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大功率宽频带G波段三次谐波放大器设计研究

李亚南 刘世硕 蔡军

李亚南, 刘世硕, 蔡军. 大功率宽频带G波段三次谐波放大器设计研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200251
引用本文: 李亚南, 刘世硕, 蔡军. 大功率宽频带G波段三次谐波放大器设计研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200251
Li Ya’nan, Liu Shishuo, Cai Jun. Design of high-power and wide-band G-band third harmonic amplifier[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200251
Citation: Li Ya’nan, Liu Shishuo, Cai Jun. Design of high-power and wide-band G-band third harmonic amplifier[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200251

大功率宽频带G波段三次谐波放大器设计研究

doi: 10.11884/HPLPB202133.200251
基金项目: 国防科技项目
详细信息
    作者简介:

    李亚南(1995—),女,硕士研究生,从事太赫兹器件研究;yananli94@126.com

  • 中图分类号: TN125

Design of high-power and wide-band G-band third harmonic amplifier

  • 摘要: 针对G波段真空电子器件对大功率、宽频带信号源的需求,开展了G波段三次谐波放大器研究。该放大器利用E波段行波管非线性互作用中的三次谐波电流,通过级联谐波互作用段实现G波段电磁波放大。高性能、实用化G波段宽频带大功率源的设计方案采用非半圆弯曲波导边界折叠波导,利用微波管模拟器套装(MTSS)软件对G波段三次谐波放大器进行模拟优化,结果显示,器件在15 GHz范围内可实现谐波输出功率>3.6 W,转换增益>33.3 dB,电子效率>0.36%。与其他工作在该频段的小型化太赫兹辐射源相比,谐波放大器在输出功率和带宽方面性能优越,为后续开展G波段三次谐波放大器的实际研制工作提供了设计基础。
  • 图  1  三次谐波放大器慢波结构示意图

    Figure  1.  Layout of slow wave structure for third harmonic amplifier

    图  2  折叠波导慢波结构示意图

    Figure  2.  Folded waveguide slow wave structure

    图  3  基波段冷特性

    Figure  3.  Cold characteristics of fundamental section

    图  4  谐波段冷特性

    Figure  4.  Cold characteristics of harmonic section

    图  5  电压不同时,I3L1Pin的变化曲线

    Figure  5.  I3 and L1 versus Pin with different voltage

    图  6  当频率不同时,I3L1Pin的变化曲线

    Figure  6.  I3 and L2 versus Pin with different frequency

    图  7  不同电压下PoutL2Pin的变化曲线

    Figure  7.  Pout and L2 vs Pin with different voltage

    图  8  不同频率下PoutL2Pin的变化曲线

    Figure  8.  Pout and L2 vs Pin with different frequency.

    图  9  输出功率、转换增益和电子效率随频率的变化

    Figure  9.  Simulated output power、conversion gain and electronic efficiency versus frequency

    表  1  基波段慢波结构参数

    Table  1.   Parameter of SWS in fundamental section

    typestructurep/mmh/mmdin/mmdout/mmvp/cKcα/(dB·m−1instruction
    normal FWGA0.770.5200initial structure
    MCB FWGB0.770.5200.1decreaseincreasedecreaseOout move outward
    C0.770.3200.1increaseincreasedecreaseshorten h
    D0.770.320.10.1increaseincreasedecreaseOin move inward
    E0.740.320.10.1decreasedecreaseincreaseshorten p, final structure
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    表  2  谐波段慢波结构参数

    Table  2.   Parameter of SWS in harmonic section

    typestructurea/mmp/mmdin/mmdoutvp/cKcα/(dB·m−1instruction
    normal FWGA0.840.3000initial structure
    MCB FWGB0.840.3000.04decreaseincreasedecreaseOout move outward
    C0.840.300.040.04increaseincreasedecreaseOin move inward
    D0.840.330.040.04increaseincreasedecreaseincrease p
    E0.90.330.040.04decreasedecreasedecreaseincrease a, finalstructure
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    表  3  三次谐波放大器几何尺寸

    Table  3.   Geometry for third harmonic amplifier

    period/mmlength/mm
    fundamental section (L1)section 10.7445.88
    sever 12.96
    section 20.7459.20
    sever 21.48
    harmonic section (L2L1)section 30.3343.56
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  • [1] 蔡英武, 杨陈, 曾耿华, 等. 太赫兹极高分辨力雷达成像试验研究[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(1):7-9. (Cai Yingwu, Yang Chen, Zeng Genghua, et al. Experimental research on high resolution terahertz imaging[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24(1): 7-9
    [2] 董庆楠. 浅谈太赫兹波的特点及其在国民经济中的应用[J]. 科协论坛, 2009(7):78-79. (Dong Qingnan. Characteristics of terahertz wave and its application in national economy[J]. Science and Technology Association Forum, 2009(7): 78-79
    [3] NagatsumaT. Exploring sub-terahertz waves for future wireless communications[C]//The Joint 31st International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th International Conference on Terahertz Electronics. 2006: 4.
    [4] 宫玉彬, 周庆, 田瀚文, 等. 基于电子学的太赫兹辐射源[J]. 深圳大学学报(理工版), 2019, 36(2):111-127. (Gong Yubin, Zhou Qing, Tian Hanwen, et al. Terahertz radiation sources based on electronics[J]. Journal of Shenzhen University (Science and Engineering), 2019, 36(2): 111-127 doi:  10.3724/SP.J.1249.2019.02111
    [5] 蔡金赤. 0.22 THz 折叠波导返波管理论和实验研究[D]. 北京: 清华大学, 2015: 5-9.

    Cai Jinchi. Theoretical and experimental study on backward wave management of 0.22 THz folded waveguide. Beijing: Tsinghua University, 2015: 5-9.
    [6] Cai Jun, Feng Jinjun, Wu Xianping. Traveling wave tube harmonic amplifier in terahertz and experimental demonstration[J]. IEEE Trans Electron Devices, 2015, 62(2): 648-651.
    [7] 蔡军, 邬显平, 冯进军. 太赫兹行波管级联倍频器[J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2013, 11(5):678-683. (Cai Jun, Wu Xianping, Feng Jinjun. THz TWT cascade multiplier[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2013, 11(5): 678-683
    [8] Kenneth E, Jack C, Mark A, et al. Gallagher 220 GHz power amplifier testing at northrop grumman[C]//IEEE 14th International Vacuum Electronics Conference(IVEC). 2013: 35-38.
    [9] Basten M A, Tucek J C, Gallagher D A, et al. 233 GHz high power amplifier development at northrop grumman[C]//IEEE 17th International Vacuum Electronics Conference(IVEC). 2016: 43-44.
    [10] Nguyen K, Lars L K, PasourJ, et al. Design a high-gain wideband high power 220-GHz multiple-beam serpentine TWT[C]//IEEE 11th International Vacuum Electronics Conference(IVEC). 2010: 23-24.
    [11] Joye C D, Cook A M, Calam J P, et al. Demonstration of a high power wide-band 220-GHz traveling wave amplifier fabricated by UV-LIGA[J]. IEEE Trans Electron Devices, 2014, 61(6): 1672-1678. doi:  10.1109/TED.2014.2300014
    [12] Gong Huarong, Wang Qi, Deng Difu, et al. Third-harmonic traveling-wave tube multiplier-amplifier[J]. IEEE Trans Electron Devices, 2018, 65(6): 2189-2194. doi:  10.1109/TED.2017.2785661
    [13] 刘盛纲, 李宏福, 王文祥, 等. 微波电子学导论[M]. 北京: 国防工业出版社, 1985: 96-117.

    Liu Shenggang, Li Hongfu, Wang Wenxiang, et al. Introduction to microwave electronics. Beijing: National Defense Industry Press, 1985: 96-117
    [14] Li Hanyan, Li Yongtao, Feng Jinjun. Fabrication of 340-GHz folded waveguides using KMPR photo resist[J]. IEEE Electron Device Letters, 2013, 34(3): 462-464.
    [15] Yuan L, Kirby P L, Papapolymerou J. Silicon micromachined W-band folded and straight waveguides using DRIE technique[C]//IEEE MTT-S Int Microw Symp Dig. 2006: 1915-1918.
    [16] Gamzina D. Nano-CNC machining of sub-THz vacuum electron devices[J]. IEEE Trans Electron Devices, 2016, 63(10): 4067-4073. doi:  10.1109/TED.2016.2594027
    [17] Cai Jun, Feng Jinjun, Wu Xianping. Folded waveguide slow wave structure with modified circular bends[J]. IEEE Trans Electron Devices, 2014, 61(10): 3534-3538. doi:  10.1109/TED.2014.2349651
  • [1] 李天一, 孟维思, 潘攀, 蔡军, 邬显平, 冯进军, 闫铁昌.  0.8 THz再生反馈振荡器的仿真模拟研究 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201931.190372
    [2] 孔歌星, 李相强, 张健穹, 王庆峰.  X波段高功率宽频带双螺旋反射阵列天线的设计 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201931.190084
    [3] 张芳, 束小建, 董志伟, 杨温渊, 孙会芳.  新型高增益太赫兹折叠波导慢波结构研究 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201830.180003
    [4] 陈晨, 罗振飞, 蒋亚东, 吴志明, 孟庆龙, 杨存榜, 周逊, 张彬, .  玻璃衬底二氧化钒薄膜的宽频带太赫兹波调制特性 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201628.023104
    [5] 马乔生, 张运俭, 李正红, 吴洋.  大功率太赫兹返波管振荡器设计 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201628.160002
    [6] 蔡金赤, 胡林林, 马国武, 陈洪斌, 金晓, 陈怀壁.  220 GHz折叠波导返波管束流光学系统设计和实验研究 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201527.043101
    [7] 周泉丰, 宋睿, 雷文强, 蒋艺, 胡鹏, 阎磊, 马国武, 陈洪斌.  0.22 THz宽带折叠波导行波管设计与实验 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201527.113102
    [8] 杨温渊, 董志伟, 董烨, 周海京.  太赫兹波段折叠波导行波管的线性分析和计算 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201426.083104
    [9] 蒋艺, 雷文强, 胡林林, 胡鹏, 阎磊, 周泉丰, 马国武, 陈洪斌.  0.14 THz行波管的设计与实验研究 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201426.123101
    [10] 王雪锋, 王建国, 王光强, 李爽, 熊正锋, 陆希成, 彭建昌.  一种太赫兹脉冲探测芯片性能分析 . 强激光与粒子束, doi: 10.11884/HPLPB201426.083103
    [11] 张芳, 董志伟, 董烨, 孙会芳, 杨温渊.  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 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132506.1450
    [12] 孙迪敏, 胡鹏, 马国武, 陈洪斌, 孟凡宝, 陈怀璧.  W波段三次谐波回旋管实验研究 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132509.2177
    [13] 孙迪敏, 宋睿, 马国武, 陈洪斌, 孟凡宝, 陈怀璧.  W波段三次谐波回旋管腔体设计 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132501.0082
    [14] 陆彬, 崔博华.  太赫兹波导滤波器的分析与设计 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132506.1527
    [15] 李爽, 王建国, 童长江, 王光强, 陆希成, 王雪锋.  表面波振荡0.22 THz大功率太赫兹源设计 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132506.1489
    [16] 王雪锋, 王建国, 王光强, 童长江, 李爽, 李勇, .  波导内置硅块对高功率太赫兹脉冲的响应 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132502.0455
    [17] 陈樟, 王亚军.  0.14 THz瓦量级折叠波导行波管设计 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20132506.1483
    [18] 徐翱, 胡林林, 陈洪斌, 阎磊, 周传明.  太赫兹折叠波导慢波结构S参数特性 . 强激光与粒子束,
    [19] 孙迪敏, 马国武, 陈洪斌, 孟凡宝, 陈怀璧.  95 GHz三次谐波回旋管设计 . 强激光与粒子束, doi: 10.3788/HPLPB20122411.2683
    [20] 赵风利, 刘晋通, 周耀祥.  BEPCⅡ大功率波导真空阀门的研制 . 强激光与粒子束,
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-26
  • 修回日期:  2020-11-13
  • 网络出版日期:  2020-11-23

大功率宽频带G波段三次谐波放大器设计研究

doi: 10.11884/HPLPB202133.200251
    基金项目:  国防科技项目
    作者简介:

    李亚南(1995—),女,硕士研究生,从事太赫兹器件研究;yananli94@126.com

  • 中图分类号: TN125

摘要: 针对G波段真空电子器件对大功率、宽频带信号源的需求,开展了G波段三次谐波放大器研究。该放大器利用E波段行波管非线性互作用中的三次谐波电流,通过级联谐波互作用段实现G波段电磁波放大。高性能、实用化G波段宽频带大功率源的设计方案采用非半圆弯曲波导边界折叠波导,利用微波管模拟器套装(MTSS)软件对G波段三次谐波放大器进行模拟优化,结果显示,器件在15 GHz范围内可实现谐波输出功率>3.6 W,转换增益>33.3 dB,电子效率>0.36%。与其他工作在该频段的小型化太赫兹辐射源相比,谐波放大器在输出功率和带宽方面性能优越,为后续开展G波段三次谐波放大器的实际研制工作提供了设计基础。

English Abstract

李亚南, 刘世硕, 蔡军. 大功率宽频带G波段三次谐波放大器设计研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200251
引用本文: 李亚南, 刘世硕, 蔡军. 大功率宽频带G波段三次谐波放大器设计研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200251
Li Ya’nan, Liu Shishuo, Cai Jun. Design of high-power and wide-band G-band third harmonic amplifier[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200251
Citation: Li Ya’nan, Liu Shishuo, Cai Jun. Design of high-power and wide-band G-band third harmonic amplifier[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200251
  • 太赫兹(THz)波介于微波与红外线可见光之间,是人类了解和开发最少的频段,被称为“电磁波谱的最后一段空隙”。其低光子能量、宽频带以及强透射性等的独特性质,在医疗诊断、无损检测、太赫兹无线通信和太赫兹雷达ViSAR等多方面被深入研究并广泛应用[1-3]。但由于缺乏高性能、实用化的大功率太赫兹源,太赫兹频段一直未能充分发挥其潜在优势。

    目前,国际上对太赫兹源的探索主要是电子学和光学两类[4]。其中,电子学太赫兹辐射源分为固态半导体和真空电子学两种。前者主要以倍频源实现,在G波段,国内外输出功率一般在几十mA。真空电子学太赫兹辐射源方面,经典的微波源器件返波振荡器(BWO)和斜注管在该频段输出功率最高停留在百mW级[5]。中国电子科技集团公司第十二研究所已利用行波谐波放大的概念,开展了基于W波段脉冲行波管的二次谐波放大器的概念验证实验,测试结果表明,器件在172.4 GHz功率可达512 mW[6],验证了该技术的可行性。

    真空电子器件高频率、大功率的显著特点预示了其具有填补太赫兹间隙的能力[7]。在美国DARPA的高频集成真空电子学项目(简称“HIFIVE”)中,多家公司如诺格公司、海军实验室均实现了在220 GHz大于50 W的输出功率[8-11]。国内也在开展大功率G波段行波管(TWT)和分布作用速调管(EIK)研制,但信号源功率和带宽严重不足。为了解决上述问题,本文拟研制宽带W级三次谐波放大器,一方面,在输入频率相同情况下,相对于二次谐波,三次谐波更有利于向更高频率方向拓展;另一方面,E波段、G波段真空电子器件在工程实践中已有良好技术基础,能够更好地保障后续研制工作。

    • 三次谐波放大器结构上类似行波管,不同之处在于,其慢波结构主要由基波段和谐波段两部分构成,如图1所示。基波段输入E波段信号,谐波段输出G波段信号,带宽扩展3倍。在基波段中间和末尾分别设置切断,并添加集中衰减器,以消除反射波并抑制自激振荡[12]

      图  1  三次谐波放大器慢波结构示意图

      Figure 1.  Layout of slow wave structure for third harmonic amplifier

      在基波输入段,注波处于线性互作用区,基波信号被放大,电子注电流高次谐波成分很小。在基波输出段,注波进入非线性互作用区,电子注电流各次谐波成分越来越丰富。对于三次谐波放大器而言,可以通过调节输入功率、工作电压等参数使基波输出段末端三次谐波电流达到最大。在谐波段,电子注中的三次谐波信号在慢波结构中激励起电磁波,该电磁波与电子注中三次谐波电流发生分布式互作用,实现相对于基波的三次谐波电磁波放大。

    • 慢波结构是谐波放大器中注波互作用完成能量转换,实现输入信号有效放大的核心部件。其色散特性、耦合阻抗、衰减系数等冷特性对谐波放大器的工作带宽、输出功率、电子效率等技术指标有重要影响[13]

      本文采用非半圆弯曲波导边界折叠波导慢波结构,该结构在常规折叠波导慢波结构基础上,通过改变内外边界为非半圆弧,改变了弯曲波导内外圆弧圆心位置和半径尺寸,可以使用LIGA,DRIE和CNC铣削等精密加工技术进行高精度加工[14-16],有利于工程实现,如图2所示[17]。为方便标注,下文常规折叠波导慢波结构均使用“normal FWG”表示,非半圆弯曲波导边界折叠波导慢波结构用“MCB FWG”表示。

      图  2  折叠波导慢波结构示意图

      Figure 2.  Folded waveguide slow wave structure

      为了同时实现谐波放大器宽频带、大功率输出,慢波结构需色散平坦、耦合阻抗大和衰减系数小。设计中先采用normal FWG作为初始结构,然后通过MCB FWG优化出最终结构,采用CST MWS进行冷特性计算。

    • 初始结构如表1结构A所示,通过外弧圆心外移、直波导段缩短、内弧圆心内移,不断增加耦合阻抗、减少衰减系数,但也导致vp/c高于预设值;通过缩短周期长度,vp/c回到预设值附近,耦合阻抗、衰减系数变化很小;与normal FWG相比,在整个优化过程中,MCB FWG实现了vp/c几乎不变,色散更加平坦,耦合阻抗增加≥29.2%,衰减系数至少降低6 dB/m,有利于基波段产生较大的三次谐波电流,如表1图3所示。

      表 1  基波段慢波结构参数

      Table 1.  Parameter of SWS in fundamental section

      typestructurep/mmh/mmdin/mmdout/mmvp/cKcα/(dB·m−1instruction
      normal FWGA0.770.5200initial structure
      MCB FWGB0.770.5200.1decreaseincreasedecreaseOout move outward
      C0.770.3200.1increaseincreasedecreaseshorten h
      D0.770.320.10.1increaseincreasedecreaseOin move inward
      E0.740.320.10.1decreasedecreaseincreaseshorten p, final structure

      图  3  基波段冷特性

      Figure 3.  Cold characteristics of fundamental section

    • 初始结构如表2结构A所示,通过外弧圆心外移、内弧圆心内移,周期长度增加,不断增加耦合阻抗、减少衰减系数,但也导致vp/c高于预设值;通过增加宽边长度,vp/c色散更平坦,略高于预设值,使谐波段与基波段更好地同步,有利于提取谐波电流能量,耦合阻抗、衰减系数都降低;与normal FWG相比,在整个优化过程中,MCB FWG实现了vp/c略有上升,色散更加平坦,耦合阻抗增加24.4%,衰减系数至少降低54 dB/m,有利于实现谐波段三次谐波信号大功率输出,如表2图4所示。

      表 2  谐波段慢波结构参数

      Table 2.  Parameter of SWS in harmonic section

      typestructurea/mmp/mmdin/mmdoutvp/cKcα/(dB·m−1instruction
      normal FWGA0.840.3000initial structure
      MCB FWGB0.840.3000.04decreaseincreasedecreaseOout move outward
      C0.840.300.040.04increaseincreasedecreaseOin move inward
      D0.840.330.040.04increaseincreasedecreaseincrease p
      E0.90.330.040.04decreasedecreasedecreaseincrease a, finalstructure

      图  4  谐波段冷特性

      Figure 4.  Cold characteristics of harmonic section

      综上,通过MCB FWG优化后,实现了基波段、谐波段色散更平坦,耦合阻抗更大,衰减系数更小,有利于宽频带高效率注波互作用,为进一步优化基波段三次谐波电流、谐波段三次谐波功率创造了条件。

    • MTSS是用于微波管模拟和设计的软件工具,其注波互作用模拟器(BWIS)包括三个基于多信号非线性理论的求解器,可用于计算行波管中注波非线性互作用过程,并分析基波和多次谐波等问题,可以用于谐波放大器设计,其仿真结果的有效性已在工程实践中得到验证。因此,在完成慢波结构冷特性分析后,采用MTSS开展注波互作用仿真优化。为了在谐波段尽可能获得较大的三次谐波输出功率,关键就在于在基波段产生尽可能大的三次谐波电流。因此,本部分对基波段三次谐波电流变化规律开展研究。

      (1)当电压不同时,三次谐波电流(I3)与基波段最大三次谐波电流位置(L1)随输入功率(Pin)的变化

      以基波段中心频点73.5 GHz为例,当电压不同时,I3L1Pin的变化曲线如图5所示。由图6(a)可知,当电压一定时,随着Pin的增大,I3先增大后减小。当电压为20.2,20.4,20.6 kV时,Pin分别为0.63,1.00,2.828 mW时,I3max分别为0.308,0.318,0.327 mA。注意到在这一电压范围内,I3max已经基本相同,说明基波段工作电压范围为20.2~20.6 kV;同时注意到,当电压增大时,达到I3max所需要的Pin也增大。由图5(b)可知,在电压一定时,L1Pin增大而减小;当电压减小时,L1也减小。这表明,在设计谐波放大器时,选择相对较低的工作电压,不但可以保证I3max基本不变,还可以使基波段互作用长度变短,有利于实现器件的小型化。

      图  5  电压不同时,I3L1Pin的变化曲线

      Figure 5.  I3 and L1 versus Pin with different voltage

      图  6  当频率不同时,I3L1Pin的变化曲线

      Figure 6.  I3 and L2 versus Pin with different frequency

      (2)当频率不同时,三次谐波电流(I3)与基波段最大三次谐波电流位置(L1)随输入功率(Pin)的变化

      当频率不同时,I3L1Pin的变化如图6所示。当Pin很小时,各频率达到I3max时,L1会很大,这不利于小型化太赫兹源的实现,因此,Pin不能过低。由图6(b)可知,频率越低,L1越短。为了保证频带内L1一致,高频端Pin应较大,低频端Pin较小,才能保证带内I3max位置很接近,实现全频带内同一位置处达到较大的I3

      在对以上各因素优化分析后,最终基波段设计参数如下,电压选取为20.4 kV;71.0,73.5,76.0 GHz频点Pin分别在0.184 1,0.116 2,1.161 6 mW时达到I3max,数值分别为0.334,0.319,0.330 mA;L1分别为111.15,127.45,119.6 mm。I3L1需要在全频带内基本相同,有利于谐波段宽带大功率提取。

    • 在完成基波段三次谐波电流优化设计后,本部分对谐波段三次谐波输出功率变化规律开展研究。

      (1)当电压不同时,饱和输出功率(Pout)、饱和点位置(L2)随Pin的变化

      谐波段以中心频点220.5 GHz为例,当电压不同时,PoutL2Pin的变化曲线如图7所示。由图8(a)可知,当电压一定时,三次谐波功率随Pin的增大波动。当电压增大时,Pout也增大,注意到20.6 kV时,Pin为-6 dBm时Pout已超过11 W,但是相对应的L2在187 mm,互作用长度过长。而当电压为20.2和20.4 kV时,Pin分别为−2.832和−5.834 dBm时,Pout分别为3.628和4.914 W,L2分别为156.15和187.15 mm。从图7(b)可知,电压越高,互作用长度越长,饱和点位置越靠后,因此电压选取需兼顾互作用长度。

      图  7  不同电压下PoutL2Pin的变化曲线

      Figure 7.  Pout and L2 vs Pin with different voltage

      图  8  不同频率下PoutL2Pin的变化曲线

      Figure 8.  Pout and L2 vs Pin with different frequency.

      (2)当频率不同时,饱和输出功率(Pout)、饱和点位置(L2)随Pin的变化

      当频率不同时,PoutL2Pin的变化如图8所示。由图8(a)可知,频率越高,Pout对应的Pin值就越大,由图8(b)可知,频率越低,饱和点位置越靠前。为了同时实现大功率与宽频带的输出,不同频率饱和点应位于同一位置,由图7综合选择谐波放大器总长度在150~160 mm范围内,优化后确定为153.08 mm。

      在对以上各因素优化分析后,最终谐波段设计参数如下,电压选取为20.4 kV,在213.5,220.5和228.0 GHz各频点Pin分别在0.184,0.521和1.841 mW时,Pout达到最大。

    • 本文设计的三次谐波放大器由基波段和谐波段两部分构成,优化后几何尺寸如表3所示。考虑到后期制管方便,确定了sever1,sever 2的长度分别为2.96,1.48 mm,基波放大信号及反射信号主要依靠sever 1,sever 2两侧的集中衰减器吸收和抑制。给定工作电压为20.4 kV,工作电流为50 mA。利用MTSS模拟优化后得到的饱和输出功率、转换增益和电子效率随频率的变化规律如图9所示。计算结果表明:在G波段可得到15 GHz带宽范围内,三次谐波放大器饱和输出功率>3.6 W,转换增益>33.3 dB,电子效率>0.36%。

      表 3  三次谐波放大器几何尺寸

      Table 3.  Geometry for third harmonic amplifier

      period/mmlength/mm
      fundamental section (L1)section 10.7445.88
      sever 12.96
      section 20.7459.20
      sever 21.48
      harmonic section (L2L1)section 30.3343.56

      图  9  输出功率、转换增益和电子效率随频率的变化

      Figure 9.  Simulated output power、conversion gain and electronic efficiency versus frequency

    • 本文给出了宽频带大功率G波段三次谐波放大器设计方案,采用非半圆弯曲波导边界折叠波导慢波结构,并优化出色散较平坦、耦合阻抗更高、衰减系数更低的结构参数,调整基波段与谐波段在相同的电压下实现高频电磁波与电子注有效同步,在此基础上,通过分析电压、输入功率、频率等对基波段三次谐波电流、最大三次谐波电流位置以及谐波段饱和输出功率和饱和点位置的影响,设计了频率范围213~228 GHz,输出功率大于3.6 W的三次谐波放大器,为后续开展G波段三次谐波放大器的实际研制工作提供了设计基础。

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