基于超薄人工表面等离子激元的毫米波行波管的研究

How to provide a stable high-power millimeter-wave source has been a hot topic in the field of electronics . Traveling wave tube (TWT) is one of the most promising millimeter wave source because it has the widest bandwidth in the vacuum electron devices and can provide much larger power than the solid state amplifier. However, the millimeter-wave TWT is also facing the problems of difficulty in fabrication and assembly, high loss and low power capacity. Finding a suitable slow wave structure (SWS) is the key factor in developing millimeter TWT. In recent years, the spoof surface plasmon (SSP) structure has become a hot research topic for scholars all over the world because of its unique optical and physical properties of wide bandwidth, low loss and ease of fabrication and assembly. In this project, a new type of SWS will be proposed based on ultra-thin SSP. The field and dispersion curves and mode distribution will be studied using field analysis and electromagnetic simulation. The output power will be evaluated by the small signal model together with the PIC simulation technique. Input and output couplers will be designed and optimized for smooth connection. The exploration of processing technology and material selection will provide a new research idea for the comprehensive design of such kind of millimeter wave source.

如何提供稳定的大功率毫米波波源是当今电子领域的热点课题。行波管在真空电子器件中具有最宽的带宽，并且能够提供远大于固态电路的功率。然而目前毫米波行波管也面临着加工集成难，损耗高，功率容量低等问题与挑战，寻找合适的慢波结构是开发毫米波行波管的关键。基于人工表面等离子激元的慢波结构结构具有低损耗，可调性高，易于加工集成等特点，近年来已成为国内外学者的研究热点。本项目拟结合超薄人工表面等离子激元提出用于毫米波行波管的新型慢波结构，通过场分析法和等效电路法对其场表达式、色散曲线以及模式分布进行研究；设计优化输入输出实现馈电到慢波结构的平滑过渡；通过小信号模型法以及粒子仿真技术评估其注波相互作用特性；对微电子加工流程以及材料选择进行研究与探索。通过本项目的研究为此类毫米波波源综合设计提供新的研究思路和方法。

毫米波具有频带宽，波长短，方向性高等优点，因此在通信，探测安检，军事国防，健康医疗等领域都具有广阔的应用前景，但目前仍然缺乏高功率，高可靠性，低成本的毫米波波源，导致相关产品的开发与应用进展缓慢。在众多辐射源中，行波管/返波管具有带宽高，效率高，稳定性好等优点，因此广泛应用在雷达，电子对抗，卫星通信等领域。慢波结构是行波管的重要部件，直接决定了行波管的性能，关于新型慢波结构的研究也一直是行波管研究的重点。.本课题基于表面等离子激元（SSP）新型毫米波慢波结构，在基础理论，结构设计，热测参数以及加工测试等方面开展了研究并取得了以下成果：1.提出一种超薄共面型SSP慢波结构，通过理论与仿真研究了其色散机理，研究表明其耦合阻抗远高于微带结构。通过共面波导进行馈电，研究表明该结构的工作频率范围宽达13.7 to 120 GHz，最高可以在114 GHz实现22.7 W的输出功率；2.提出一种介质交错双栅慢波结构，利用半导体介质材料代替金属实现纯介质慢波结构，利用介质在毫米波波段损耗较小的性质实现低损耗慢波结构。基于该结构的返波管可以在152.6 GHz实现205.6 W的输出功率，损耗相比于传统的金属交错双栅慢波结构减小50%；3.提出两种新型的基于SSP的改进型慢波结构，其一是一种圆柱衔接T型交错双栅慢波结构，第二种是一种基于椭圆函数的金属交错双栅慢波结构，两种结构通过渐变结构的变化增加了径向电场，提升了耦合阻抗，为高输出功率、高电子效率真空放大器提供了保障。研究表明，基于SSP的慢波结构具有耦合阻抗高、易加工、工作带宽宽等优点，在未来毫米波行波管/返波管应用中具有广阔的发展前景。