一种基于嵌套结构的锁频锁相高功率微波振荡器仿真研究

高功率微波(HPM)产生器件通过增加慢波结构的过模比使得功率容量显著提高。嵌套型结构让过模器件的空心结构或内导体结构得到使用,同时嵌套型器件的低阻抗使得其与低阻脉冲功率源能良好匹配。基于内外嵌套结构提出了一种锁频锁相高功率微波振荡器。相对于传统的锁频锁相方法,提出了基于耦合波导实现锁频锁相的新方法。内外相对论速调管振荡器(RKO)产生的微波信号通过耦合波导泄漏到高频结构中,对电子束进行预调制,从而实现锁频锁相。另外,为实现内外高功率微波通道合成,设计了双通道功率合成器。在振荡器的工作频点,功率合成器能弥补振荡器两输出通道相位差,使得功率合成效率提高,合成效率为98.3%。在二极管电压575 kV,磁场强度0.6 T条件下,内外RKO的微波输出功率分别为2.2 GW和3.2 GW,频率差波动小于20 MHz,相位差稳定在10°附近;加载双通道功率合成器,仿真结果表明,微波输出功率为5.31 GW,功率效率32.2%。结果表明,嵌套器件在互锁状态时,振荡器饱和时间缩短,输出功率增大。

Ku波段相对论扩展互作用速调管振荡器粒子模拟研究

射频击穿、模式竞争是导致速调管振荡器(RKO)功率下降、脉冲缩短的主要原因。本文引入扩展互作用提取结构,可以有效降低提取腔射频电场,增大器件功率容量。传统的双间隙提取结构将电子能量在提取腔内转化为微波能量,共用一个通道输出。而扩展互作用提取结构采用了分布式提取腔而非集中式提取腔,增加了输出通道,可以有效提高束-波转换效率,降低提取腔的射频电场。粒子模拟结果显示:二极管电压561 kV,磁场强度0.5 T条件下,保持阴极结构、调制腔及反射器不变时,分别对传统双间隙提取腔、双间隙及三间隙扩展互作用提取腔进行仿真:输出功率分别为2.14、 2.22、 2.35 GW;分析其提取腔最大射频电场,分别为1.50、1.21、1.10 MV/cm;束波转换效率分别为35.7%、36.9%、39.1%;器件工作频率为12.52 GHz。在三维仿真中,通过改变阴极结构的S参数、设计新的反射器,有效抑制了调制腔TM113模带来的模式竞争,为开展后续实验奠定了基础。

一种多段式VCO频率校准电路及方法

设计了一种多段式压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)频率校准电路,用于多段式VCO在锁相环应用中输出频率的分段情况进行校准,并完成了详细电路设计。基于该电路,提出了一种便于实现的多段式VCO频率校准方法,使用该方法对设计实例中的多段式VCO进行频率校准。频率校准电路和校准方法应用于8~16 GHz超低相位噪声频率合成器的设计需求中,设置合理的校准变量,分别使用传统方法和优化后的校准方法对多段式VCO进行校准,使用优化后的校准方法比传统校准方法的校准结果频率准确度更高。

0.14THz返波管器件

对有限引导磁场环形电子束的色散曲线作了理论推导,并利用该色散关系数值计算了正弦慢波结构的色散曲线。采用KARAT模拟程序对0.14 THz返波管进行了粒子模拟,并在RADAN303脉冲源上开展了初步的实验研究,实验获得频率大于0.14 THz、脉冲宽度1-2 ns和辐射功率大于100 kW的太赫兹波输出。

C波段磁绝缘线振荡器的理论设计与实验

通过理论分析与计算,设计加工了一个C波段磁绝缘线振荡器(MILO),并进行了实验研究.在二极管电压为437～464 kV、二极管电流为36～39 kA的条件下,从实验上获得了功率为1.60～1.68 GW、频率为3.60～3.66 GHz、脉宽为33～38 ns的TEM模高功率微波辐射,功率转换效率大于9%.

向内发射同轴虚阴极振荡器实验研究

同轴型虚阴极振荡器是一种较有发展潜力的虚阴极振荡器,对西北核技术研究所近期的同轴型虚阴极振荡器实验的结果进行了介绍。实验结果表明,在不带有阳极反射板的同轴虚阴极振荡器中,产生微波的主模为TE11模,与常规的轴向发射虚阴极振荡器相比,其主频稳定且带宽较窄;在二极管电压300kV,电流18kA条件下,获得了功率约为200MW的高功率微波脉冲,效率约为3.6%,工作频率为2.7GHz。

基于Blumlein脉冲形成网络的直线变压器驱动源设计

设计了基于Blumlein脉冲形成网络的直线变压器驱动源单元模块。双路阻抗各为20Ω的Blumlein脉冲形成网络对称连接于直线变压器驱动源(LTD)的初级绕组上,此种接法降低了脉冲形成网络(PFN)的设计难度,有利于形成更好的脉冲。在LTD次级绕组所接的10Ω匹配负载上输出高压脉冲,实验结果表明,单个LTD模块输出脉冲半高宽约200 ns,前沿约为55 ns,平顶约为100 ns。

含氢电极脉冲放电等离子体特性诊断

利用飞行时间质谱法诊断了含氢电极脉冲真空弧离子源放电等离子体成分、离子电荷状态及离子扩散速度等特性。实验结果表明,含氢电极脉冲真空弧离子源放电等离子体的离子成分主要由H+,Ti+,Ti2+和Ti3+组成,其中Ti2+占主要部分。当放电电流为40～80 A时,Ti离子的平均电荷数在1.95～2.13之间,随着放电电流的增大,平均电荷数也会增加。同时诊断了不同离子的扩散速度,其值均在104m/s量级,但不同离子的扩散速度有所不同。

600kV直线变压器驱动源的设计与模拟

基于对125 kV直线型脉冲变压器驱动源（LTD）模块的实验研究,设计了脉冲形成线为Blumlein结构的150 kV LTD模块,并在此基础上设计了输出电压600 kV、四级模块串联运行的LTD装置.根据理论计算的结果选择了LTD次级线圈的尺寸,通过电路和3维模拟,分析了不同输入方式对输出脉冲波形的影响,结果表明：左端输入方式输出脉冲波形好于右端输入方式;与单边输入方式相比,双边对称输入方式得到的载脉冲波形的前沿更好.根据600 kV LTD装置的设计参数进行了电路模拟,在40 Ω匹配负载上得到的输出脉冲波形前沿（10%～90%）约30 ns、平顶约110 ns、后沿约30 ns、幅值约600 kV,满足绝缘耐压要求.

同轴波导内金属支撑杆的散射特性研究

对同轴波导内传输TEM模时金属支撑杆的散射特性进行了研究。通过将同轴波导等效为窄边是磁壁的矩形波导,建立了金属支撑杆的散射场计算模型,用积分方程法得到了散射场的计算公式,其计算结果与有限元方法仿真结果吻合良好。分析计算和实验表明:当同轴波导传输TEM模时,n根角向均匀分布的支撑杆在同轴波导内激励起一系列TE(mn)1模式;当n大于同轴波导截面平均周长与波长之比时,金属杆所激励的高阶模截止,输出和反射模式仅为TEM模,其反射系数随支撑杆根数或支撑杆半径的增加而增大,随频率的升高而减小。

高阶模抑制型MILO慢波结构高频特性分析(英文)

理论分析了高阶模抑制型磁绝缘线振荡器(MILO)慢波结构,推导了其各分区电磁场分布。通过对场分布的进一步分析可以发现,角向开槽使得原始MILO结构中的两个简并的HEM11模式去简并,分裂成为极化方向与开槽方向垂直或平行的两个模式;通过改变慢波结构叶片间开槽角向位置相对关系,可以破坏高阶模式之间π模谐振关系,从而抑制高阶模式的起振,使器件稳定工作在基模。

磁绝缘线振荡器阴极释气电离粒子模拟

阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素,也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模拟技术进行了分析研究。对不同相对释气率的情况进行了模拟计算,模拟计算结果表明,当释气率超过一定阈值时,电离导致的等离子体会使微波输出功率迅速下降。

一种油介质开关振荡器研究

为了产生较高中心频率宽带高功率微波,对一种填充变压器油作为绝缘介质的1/4波长开关振荡器进行了研究。首先对这种开关振荡器特性阻抗分布进行了分析;然后利用静态电场仿真结果和变压器油击穿实验数据,分析了该振荡器的耐压能力;在此基础上,利用CST软件对其瞬态工作特性进行了仿真,考察了开关间隙击穿位置和间隙电压下降时间对产生阻尼正弦信号的峰值和频率的影响;最后介绍了该振荡器以一种方向系数为3的短螺旋天线作为辐射天线的实验测试结果,结果表明,该开关振荡器充电电压上升时间为15ns时,耐压达到-322kV,产生宽带高功率微波中心频率约360 MHz,3dB带宽约22%,辐射因子170kV。

改进的相位噪声公式与低相位噪声振荡器设计

由Leeson公式出发,分别考虑了谐振器有载Q与无载Q的比值、放大器增益以及回路损耗对振荡器相位噪声性能的影响.得出对应的计算公式和优化参数,并设计出X波段高Q蓝宝石低相位噪声振荡器.蓝宝石谐振器的插损为7.9dB,谐振模式为E5,1,1+δ,有载Q值为4×104,无载Q值为9×104左右,放大器增益为12dB.采用R&S的FSUP相位噪声测试仪测出偏离载频1kHz处,相位噪声优于-117dBc/Hz,载频为10.99GHz.

L波段全腔提取轴向输出相对论磁控管设计

设计了一种全腔提取轴向输出相对论磁控管。在π模工作的N腔磁控管中,该结构利用磁耦合的方式通过两个相邻谐振腔在一个扇形波导内激励起TE_(11)模,然后再由N/2个相位相同的扇形波导TE_(11)模沿轴向向外传输。对L波段全腔提取轴向输出磁控管进行了仿真设计,在600kV,6.3kA的条件下,获得1.89GW微波输出,功率转换效率50%,微波频率1.57GHz。该结构在径向方向上仅增加一个扇形波导厚度,便于实现相对论磁控管的紧凑、高效设计。

单模块直线变压器脉冲前沿

从理论上对直线变压器驱动源(LTD)输出脉冲波形的前沿进行了分析,研究了不同前沿畸变情况下对应的电路参数,并给出了计算方法,得到了相对电压和相对时间的关系曲线。根据理论分析设计了单模块LTD,并根据设计参数进行了数值模拟,模拟得到的输出脉冲前沿约30ns、平顶约130ns、幅值约125kV。最后进行了单模块LTD实验,测得输出脉冲前沿约35ns、平顶约130ns、幅值约125kV的输出脉冲,与模拟结果基本一致。由于负载不完全匹配等因素的影响,波形后沿较差且有振荡,但仍符合设计要求。

一种改进型C波段磁绝缘线振荡器的数值模拟研究

提出了一种改进型C波段磁绝缘线振荡器,并对其进行了优化设计。首先根据磁绝缘原理对慢波结构进行了理论分析,并选择了磁绝缘线振荡器阴极半径和主慢波结构的基本参数,然后用2.5维全电磁PIC方法研究了输出功率与其它参数之间的关系。模拟表明,优化结构可以在输入约21GW电功率(工作电压约500kV)的条件下,得到频率3.91GHz、平均功率2.71GW的微波输出,其饱和时间为10ns,平均效率为12 9%。

MILO物理分析与数值模拟

用二维全电磁ＰＩＣ方法模拟了空军实验室的磁绝缘传输线振荡器（ＭＩＬＯ），分析了ＭＩＬＯ的物理图象。在外加电压为５００ｋＶ与电流６０ｈＡ时，在Ｌ波段获得了１．ＳＧＷ数值模拟结果，与实验结果符合较好。特别研究了ＭＩＬＯ的各参数变化对其运行的影响，得到了一些有价值的物理规律。

L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器的粒子模拟与实验研究

对L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器(MILO)进行了粒子模拟,在输入电压710 kV,电流56.6kA条件下,得到微波输出功率为4.8 GW,微波频率1.22 GHz。根据模拟结果设计MILO实验装置并开展实验研究,介绍了测试方法与测试系统,并对辐射微波功率、频率和模式进行了测量。在二极管电压740 kV,电流61 kA条件下,测得辐射微波功率为3.57 GW,微波脉宽46 ns,微波频率1.23 GHz,功率转换效率8%,辐射微波模式为TM01模。

改进型低阻类膜片加载同轴渡越时间振荡器

采用2.5维粒子模拟软件对改进型低阻类膜片加载同轴渡越时间振荡器进行了研究。研究结果表明:提取腔工作于类π模场时,具有较高的束波互作用效率;引入渐变型输出波导,提高了提取腔内微波向外耦合输出的能力;通过加载感性支撑杆,一方面对金属膜片起支撑固定作用,另一方面可以及时将膜片上的感应电荷导流至接地外筒、从而降低间隙附近的空间电荷效应,以增加可提取的束动能。经优化设计,该结构在二极管电压为530kV,二极管电流为12.9kA、外加导引磁场为0.5T的条件下,输出微波功率2.74GW,微波频率7.76GHz,束波功率转换效率达40%。