自研28 GHz/50 kW回旋管实现长时间连续运行

介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所针对磁约束聚变装置电子回旋共振加热(ECRH)系统、重离子加速器电子回旋共振(ECR)离子源以及前沿科技探索应用研制的28 GHz/50 kW连续波回旋管最新实验结果。研究团队在2019年该回旋管实现50 kW/30 s运行的基础上,通过结构优化和稳定性设计验证,最终实现了在10~50 kW功率范围多个功率水平的稳定长时间连续运行,典型运行结果为16 kW/3000 s、26 kW/900 s、46 kW/1800 s、50 kW/300 s,特别在输出功率32 kW连续稳定工作了400 min。这是国内首次研制出小时级连续工作的中等功率回旋管。

加载环形等离子体束的圆柱波导中慢等离子体波高频特性的数值研究

等离子体相对论微波发生器(PRMG)可以产生宽带高功率微波输出,同时又具有良好的频率可调谐性,因此在雷达、通信、电子对抗和物体探测等诸多领域均具有良好的应用前景。PRMG通常采用加载环形等离子体束的圆柱波导作为其波束互作用区,工作模式为慢等离子体波TM_(01)模(下称P-TM_(01)模)。P-TM_(01)模的色散特性及其变化规律对PRMG输出性能有着重要影响。利用全电磁粒子模拟程序对加载环形等离子体束的圆柱波导中P-TM_(01)模的色散特性和场分布进行了粒子模拟和分析,获得等离子体束密度n_(p)、径向厚度Δr_(p)和径向位置r_(p)以及外加引导磁场强度B_(z)和波导半径r_(w)等参数对P-TM_(01)模的色散特性和场分布的影响规律。主要研究结果包括:(1)一定范围内,n_(p)和Δr_(p)的变化对色散特性影响较大,r_(p),B_(z)和r_(w)的变化对色散特性影响较小。值得关注的是,由于波导中环形等离子体束的存在,随着波导半径r_(w)的增加,相同纵向波数k_(z)对应的P-TM_(01)模的频率没有降低而是略有提高。因此,在实际应用时,可以适当加大波导径向尺寸以提高器件功率容量;适当降低磁场,则有利于提高器件的紧凑性。(2)P-TM_(01)模的纵向电场的方向不随径向位置变化,径向电场的方向在等离子体束内外两侧相反,外侧的场分布与同轴波导中TEM模相似。(3)主要物理参数变化时,场分布基本特点不会改变。但随着纵向模式数N和k_(z)相应增加,电场能量向等离子体束收拢,不利于波束相互作用和电磁场的耦合输出。因此为了PRMG的高效运行,束波互作用的共振点最好落在k_(z)相对较小的区域。上述研究结果对PRMG的设计和优化具有一定的理论参考价值。

双级PIN限幅器的微波脉冲响应机理及规律

基于双级限幅器中两个PIN二极管的多物理场仿真模型与限幅器中其他电路元器件的SPICE模型,搭建了Si基双级PIN限幅器的场路协同仿真模型,利用这一模型对微波脉冲作用下限幅器中两级PIN二极管的温度响应特性进行了仿真.在此基础上对限幅器在不同频率、幅值微波脉冲信号作用下内部发生熔化现象所需的时间与能量进行了仿真,并对这一过程进行了机理分析与响应特性规律总结.仿真结果表明,当限幅器中第一级PIN二极管内部最高温度已达到材料熔点时,第二级PIN二极管的温度变化幅度较小.限幅器内部发生熔化现象所消耗的时间与能量随信号幅值、频率的变化呈现出规律性关系,发生熔化现象所需的时间随信号幅值或频率的提升而减小;发生熔化现象所需的能量随频率的提升而降低,随幅值的变化存在极大值点;限幅器的响应特性对信号参数表现出了不同的敏感性.

一维阵列电子注平面聚焦系统磁场分布特性

针对平面集成行波管对一维阵列电子注聚焦的应用需求,设计了4通道电子注平面磁聚焦系统。将各通道磁场轴向和横向分量沿轴分布特征计算结果与测试结果进行对比,确认了Opera软件计算磁场分布特征的准确性。为与轴对称周期永磁(PPM)聚焦系统电子注通道内磁场分布特性进行对比,建立了轴对称PPM聚焦系统模型,测试结果与计算结果一致性较好。通过平面聚焦系统与轴对称PPM聚焦系统电子注通道内的磁场纵向和横向分布特性对比表明,两种聚焦系统电子注通道内纵向和横向磁场具有相同的分布特征,在离轴相同位置的圆周上横向磁场分量与轴向分量的比值均为Bx/Bz≈0.11,该平面聚焦系统可实现一维阵列圆形电子注的良好聚焦。

Q波段宽带螺旋线行波管输能系统研究

针对Q波段宽带螺旋线行波管所需要的低损耗、低反射输能系统,采用后馈式单脊过渡波导和盒型窗方案,优化设计了过渡波导阻抗变换结构、内导体尺寸和螺旋线大螺距过渡结构,得到33~50 GHz频带内驻波系数小于2的输能系统,并成功应用在Q波段宽带多用途螺旋线行波管中。

面向微波能应用的30 GHz连续波回旋管

国际电联3区和我国无线电频率划分规定中,可用于工业、科学和医疗应用的频率已提升至毫米波频段。为了推动我国微波能应用向更高频率的毫米波频域发展,报道了一支为微波能应用研究开发的30 GHz连续波回旋管。通过理论设计和实验验证了该回旋管可在4.2 kV、300 mA工作电压、电流下实现100 W以上连续波功率输出,输出频率30.14 GHz,器件工作模式TE 01模式,实验结果与理论设计基本吻合。

面向微波组件故障文本的知识抽取方法

本研究的主要目标是在微波技术领域应用知识抽取技术优化微波组件的调试和装配过程。鉴于知识抽取技术在微波技术领域的不足,文中提出了一种基于CasRel-LN模型的知识抽取算法。该模型综合运用了BERT编码器、主体标记模型和特定关系下客体标记模型,成功实现了对微波组件故障文本的实体抽取。实验结果表明,CasRel-LN模型在测试集上的综合性能优于其他知识抽取模型,提高了实体抽取的准确率和召回率。使用该算法构建的微波组件故障知识图谱包含1568个实体和1618条三元组,存储在Neo4j图数据库中。通过知识图谱的可视化展示,调试人员可以更高效地解决微波组件调试中的复杂问题,确保电子设备的稳定运行,最终为微波组件在装配阶段就能达到更好的性能提供更有效的支持。

用于高功率微波器件的传导冷高温磁体研制

为了利于高功率微波系统的紧凑化和小型化,降低系统能耗,对产生引导磁场的超导磁体系统进行了研究设计。超导磁体使用稀土钡铜氧化物线饼组成。低温系统采用4台小型风冷式斯特林制冷机对超导磁体冷却。为了适用于车载环境并降低漏热,采用了一种非金属材料的新型锥体结构作为磁体的承载结构,并通过仿真分析了一般的车载环境下的磁体结构承载情况。整个高温超导磁体工作温区为40~50 K,达到目标场时的通电电流为77.49 A,均匀区场强达到4 T。整个系统能耗较传统技术降低80%。通过实验测试出高温超导磁体的温度运行上限为48.9 K。

品质因数对TM_(02)模相对论返波管工作模式影响

结合理论分析和数值模拟,研究了TM_(02)模过模结构相对论返波管的模式竞争机制.理论推导得到波纹波导中混合模式与圆波导中对应模式的近似关系,以近似模式作为波导输入来计算包含的高频结构S11参数曲线,分析各模式的品质因数.三维粒子模拟结果显示,当TM_(02)模式的耦合阻抗优势明显时,束波作用点基本不受两端反射影响,输出的其他模式微波主要是由互作用模式转换而来;当耦合阻抗优势不明显时,品质因数的改变会影响束波相互作用,起振模式随之变化.各模式群速度接近时,谐振对工作模式的影响的实质是末端反射主导下的品质因数对模式的影响.品质因数和耦合阻抗对返波管工作模式的共同作用为在输出模式稳定的前提下优化输出功率、降低磁场提供了更大空间,使用多目标优化设计算法对相对论返波管进行优化,最终三维模拟得到的返波管输出功率达到534 MW,TM_(02)模式输出功率占比94.95%.

带双腔反射器的X波段低磁场过模相对论返波管振荡器

提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器(RBWO),其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构,较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分,插入同轴避免了高阶模式的竞争,使两段慢波结构分别工作在TM_(02)和同轴TM_(01)模式下。同时,插入同轴还起着模式转换的功能,将TM_(02)转化为TM_(01),最终在输出波导中输出纯TM_(01)模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离,同时为电子束提供足够的预调制,实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计,在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下,获得了3.5 GW的微波输出功率,微波中心频率为9.46 GHz,转换效率约为35%。

太赫兹回旋管蓝宝石输能窗的设计及实验

针对170 GHz兆瓦级回旋管短脉冲实验对蓝宝石输能窗的实际要求,分析了蓝宝石窗传输高斯波束的反射和吸收特性,优化设计了低反射、低损耗蓝宝石输能窗的工程方案。对研制的蓝宝石窗部件进行微波冷测,驻波比(VSWR)小于1.1,验证了蓝宝石窗的低反射特性;计算结果表明该结构的最大输出平均功率阈值为590 W。对使用该蓝宝石窗研制的170 GHz回旋管进行测试,验证了理论计算的功率阈值,为大功率回旋管蓝宝石输能窗的实际应用提供了依据。

C波段50mW多注速调管高频系统的设计

本文提出一种全新的、应用于C波段50 mW高功率多注速调管输出系统。该系统首次采用TM 310高次模式多注结构,将整管工作电压由单注的354 kV大幅降低至250 kV,整管长度由单注的1.4 m缩短至0.9 m;并创新性地采用矩形TM 310结构,结合输出波导补偿结构,有效地解决了圆形TM 310结构外品质数不足的问题,保证了整管的输出稳定性。本文提出的C波段50 mW多注速调管能大幅降低整管工作电压、减小体积,可大幅提高系统的可靠性及机动性。本文研究的新型结构C波段50 mW多注速调管高频系统有效解决了高次模式高功率稳定输出的问题,降低了输出结构的设计复杂性、减小了传输系统体积并降低了成本,对未来多注高峰值功率产品的设计具有非常重要的意义。

耳型折叠波导慢波结构W波段行波管

毫米波行波管具有大功率、宽频带、高增益等特点,广泛用于雷达、高速通信、电子对抗等现代军事装备中。为提高折叠波导耦合阻抗并考虑工程应用性,提出一种耳型折叠波导新型慢波结构。与常规矩形波导相比,工作频带内耦合阻抗提高30%以上,损耗降低10%。研制的耳型折叠波导W波段行波管,在工作电压21.9 kV,电流210 mA,占空比为5%时,10.8 GHz带宽内输出功率大于192 W,峰值功率达278 W,电子效率和增益分别达到6.3%和44.6 dB,行波管工作稳定。

一种束半径可调的环形强流电子束产生技术及应用

束半径可调的强流环形电子束在跨波段跳频高功率微波产生器件中有重要应用。提出了一种改变外加引导磁场位形从而改变环形强流电子束半径的技术。该技术的核心部件由环形阴极、阳极、电子束转移通道、电子束传输通道和三段螺线管组成。当三段螺线管的通流的电流大小不一样时,该螺线管系统就能产生不同位形的磁场。在粒子模拟中,当三段螺线管的通流电流大小分别为1025 A、107 A、107 A和300 A、300 A、0 A时,螺线管产生两种不同位形的磁场,实现电子束半径的改变。从单粒子运动理论出发,本文推导出电子束在梯度磁场引导下的运动轨迹表达式,解释了电子束半径在梯度磁场下变化的原理,还研究了梯度磁场的斜率和极差对电子束轨迹的影响。在跨波段器件仿真中,X波段输出功率为1.6 GW,频率为8.2 GHz,效率为40%;Ku波段输出功率为1.5 GW,频率为14.4 GHz,效率为38%。

Ka波段双模螺旋线行波管的研制

本文介绍了一种Ka波段双模螺旋线行波管的研制情况,其工作频率范围为32~38GHz,工作电压为9.5kV,低模工作比为70%,峰值输出功率为150~200W;高模工作比为10%,峰值输出功率为300~400W。该Ka波段双模螺旋线行波管具有工作电压低、快速启动、可无环控工作的特点,适用于航外有源诱饵弹等多种应用场景。

工业应用的S波段小型化连续波速调管的设计

速调管具有大功率、高效率、长寿命的特点和优势,在大科学和工业加热中有着广泛的应用。针对微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)应用设计了一种10~15 kW级的小型化连续波速调管,速调管总重量小于30 kg,在电压16 kV、电子注电流2 A的状态下获得了大于17 kW的输出功率,效率达到56%以上。

基于神经网络的超材料窗片反向设计研究

与固态器件相比,真空电子器件在高频段可以提供更大的功率、更宽的带宽。输能窗作为其中的重要部件,用以隔绝真空电子器件内外环境,保持管内的高真空度,传输高能电磁波。目前,传统输能窗的性能已经制约宽带高频真空器件性能。基于此,本文提出了一种利用神经网络算法设计超材料窗片的方案,实现了低反射和驻波比的宽带输能窗。本文利用神经网络的非线性拟合效应对窗片结构与其频谱之间建立映射关系,从而避免了求解麦克斯韦方程组的繁复过程,提高了频谱性能仿真的速度,简化了设计过程。通过设计双向神经网络并进行训练,实现反向设计窗片的目标,输入目标频谱特性参数即可生成满足指标要求的结构参数。

4~18 GHz超宽带行波管输能系统设计

为满足新一代电子对抗装备对跨频带超宽带行波管的需求,本文针对4~18 GHz超宽带大功率行波管输能系统开展了匹配优化设计和功率容量分析研究。从同轴窗、同轴输能结构及输能结构与高频结构匹配等几方面综合优化,设计出输入驻波比优于1.53、输出驻波比优于1.55的输能系统,与测试结果对比表明设计方法合理,输能系统和器件匹配成功;针对输出系统的功率容限问题,从峰值功率和平均功率两方面分析了输能窗的电可靠性和热可靠性,制管实测结果表明,该输能系统能够满足行波管应用要求。

十二腔高效微波炉用磁控管设计与应用

为响应国家“双碳”战略,提高微波炉能效,设计了一种高效率微波炉用磁控管。该磁控管在12腔谐振腔的基础上,通过改变互作用空间尺寸,增强工作磁场,实现工作效率的大幅提升。仿真和实验结果均表明,在210 mT磁场的工作条件下,该磁控管的最高工作效率为82.7%,平均工作效率为82.4%。

C波段连续波磁控管设计

本文介绍了一种C波段连续波磁控管的设计仿真,首先进行了谐振腔参数设计,通过CST仿真软件进行本征模分析,建立了高频结构模型模拟动态PIC仿真,再通过对比磁控管预起振时阳极电流的不同状态,反向分析阴极的不同发射条件对磁控管起振的影响。最后完成对磁控管制管测试工作,得到工作电压6.3 kV,工作频率5.8 GHz,输出功率1 kW,阳极电流0.3 A及效率52.9%的C波段连续波磁控管。