C波段小型化高功率微波输出窗的设计

为了满足高功率微波系统对微波输出窗高功率容量和紧凑化的应用需求,以传统盒型窗的设计理论为基础,通过优化窗体结构和添加过渡段等手段,设计了一种C波段小型化高功率微波输出窗。通过增大窗体表面积、改变矩形波导-圆波导过渡段的连接方式可提高功率容量并缩小微波输出窗的纵向尺寸;采用“I”型的窗体结构可有效抑制三相点(真空-介质-金属)附近的次级电子倍增效应对输出窗性能的影响。在电磁仿真的基础上采用粒子模拟(Particle-in-Cell)的方法研究了微波输出窗三相点附近的次级电子倍增效应,从微观角度进一步证实了“I”型窗体结构可使三相点位置发生移动,减小三相点发射的电子在窗片表面产生次级电子倍增效应的概率,降低微波输出窗的击穿风险。设计结果表明,微波输出窗在中心频点处的主模反射系数低于0.01,传输效率高于99.9%,功率容量可达47.9 MW。

低反射低吸收高平均功率输出窗的设计

对高平均功率微波、毫米波输出窗的反射和吸收功率进行了理论分析,以蓝宝石输出窗为例,给出了低反射、低吸收的高平均功率回旋速调管放大器输出窗的设计方案。该放大器输出窗厚度为1.35mm,半径为9mm,工作频率为34GHz,在加工误差小于2%的情况下,输出窗反射率小于1%,当平均输出功率为10kW时窗片的吸收功率为2.5W。

高功率回旋行波管新型宽带输出窗的设计

首先利用场匹配理论和传输级联矩阵建立多层介质窗的普遍分析方法,对回旋行波管输出窗进行解析分析,在理论分析和数值计算的基础上得到回旋行波管宽带输出窗的结构和尺寸;然后利用三维高频分析软件HFSS进行仿真和验证.通过热分析和优化设计,在Ka波段获得了平均功率容量达到50 kW,反射系数小于-20 dB的带宽约为3.6 GHz的高性能新型宽带输出窗.冷测实验表明,冷测结果与数值计算结果较为吻合.

X波段馈源输出窗高功率微波击穿实验装置

为了开展高功率微波（HPM）馈源输出窗介质击穿实验研究,设计了一种组合型X波段高功率微波（HPM）喇叭馈源击穿实验装置。装置采用变张角喇叭与可移动介质输出窗组合的结构,通过调节变张角喇叭口面与输出窗间的距离,使得介质输出窗内表面电场强度可调。数值模拟结果表明：在满足馈源喇叭驻波比小于1.15,E面和H面基本等化的情况下,当调节变张角喇叭口面与介质输出窗距离在0-400 mm范围内变化时,HPM馈源输出窗上的电场强度变化为32.6-87.0 kV.cm^-1,满足了在真空度3×10＾-3Pa、脉冲宽度20 ns条件下,HPM介质击穿对电场强度变化的要求。根据数值模拟结果,设计加工了HPM介质击穿实验装置,并成功地应用于GW级HPM馈源输出窗介质击穿实验研究。

输出窗材料的研究进展

输出窗是高真空微波管中的关键构件,本文对目前应用的各种输出窗材料的性能、制备以及应用现状进行了评述。针对大功率毫米波微波管用输出窗材料的需求,提出了制备输出窗复相陶瓷以及创新制备方法等解决思路。

W波段高频输出窗仿真与实验研究

研究了W波段高频输出窗的工作特性及三个关键结构尺寸对工作特性的影响规律。结果表明,驻波比小于1.2的频带为94.21~94.76 GHz;驻波比小于1.1的频带为94.34~94.64 GHz;工作频带内无谐振模式;窗片厚度对工作特性影响最大。热力学分析显示,温度最高点和应力最大点分别位于陶瓷窗片中心和边缘;最高温度和最大应力分别为117℃和144MPa。研制并测试了W波段高频输出窗。测试结果表明,驻波比小于1.2的频带为94.13~94.60 GHz,驻波比最小值为1.06,对应的频率为94.40GHz。

刻槽结构高功率微波输出窗次级电子倍增效应

从理论上分析了周期性矩形刻槽对喇叭天线输出窗真空侧次级电子倍增的影响。采用动力学方法分析得到电子沿介质窗表面运动的渡越时间和碰撞能量,验证得到一定尺寸的矩形刻槽介质窗可以有效抑制次级电子倍增效应。在此情况下,对比了刻槽和不刻槽两种输出窗的辐射特性,发现周期2mm、宽度1mm、深度1mm的矩形刻槽对介质窗辐射特性的影响可以忽略。

高功率毫米波回旋行波管宽带输出窗设计

首先利用场匹配理论建立传输级联矩阵对回旋行波管输出窗进行解析分析。在理论分析的基础上,通过数值计算得到回旋行波管宽带蓝宝石输出窗的初步结构和尺寸,然后利用三维高频分析软件HFSS进行仿真验证。通过大量计算与仿真,为Ka波段TE01模回旋行波管设计出驻波比小于1.2的输出带宽约为6GHz,相对带宽大于17%的高性能3层窗片结构蓝宝石输出窗。通过冷测实验研究表明仿真计算结果与冷测结果基本一致。

S波段盒型输出窗击穿原因的电磁分析

通过对实验过程中炸裂的S波段盒型输出窗观察和X射线光电子能谱检测,结合软件对窗内电磁场分布模拟以及电磁机理的理论分析,探讨高平均功率输出窗电击穿的物理原因,研究窗中高次模式电场对微波功率损耗、功率流方向以及输出窗电击穿的影响。结果表明,存在于窗片表面的TM11模可能降低输出窗的电压和平均功率承受能力。

基于灰度冗余的红外图像自适应输出窗技术

根据红外图像的特点,提出了一种基于灰度冗余的红外图像自适应输出窗技术.该技术通过对图像灰度直方图的统计,设定适当的阈值,将灰度像素分布为零的灰度级进行完全压缩,将小于阈值的灰度级映射到阈值灰度级,然后将有效灰度级在整个可显示灰度级范围内作等间距排列.该算法在压缩灰度冗余的同时,实现了对有效图像灰度级的无损均衡,提高了图像质量,并能实现实时处理.

Q波段回旋行波管宽带高平均功率输出窗设计与热分析

利用场匹配理论建立传输级联矩阵的方法对多层窗片结构输出窗进行研究,通过大量的数值计算给出Q波段回旋行波管一种新型中间风冷结构输出窗的参数,然后通过数值计算和HFSS仿真验证,该新型输出窗在46～50GHz范围内,S11反射系数小于-20dB.在此基础上进一步对该输出窗进行热分析,热分析表明：新型输出窗窗片中心与边缘温差与传统输出窗相比大幅下降,热应力大大减小,提高了输出窗的功率容量.回旋行波管工作在TE01模式时,新型输出窗获得的最大饱和功率容量达到90kW,与传统输出窗相比,功率容量提高了21.8kW.

Q波段回旋行波管新型盒型输出窗的设计

利用等效电路理论,初步设计了窗片厚度为1.32mm的回旋行波管盒型输出窗,再加入感性膜片,更改窗片形状,最终设计出了能承受25kW平均功率、相对带宽达到14%、窗片厚度达到1.7mm的Q波段新型宽频带回旋行波管盒型输出窗;采用高频软件HFSS与有限元分析软件ANSYS协同仿真的新方法对回旋行波管盒型窗进行热特性研究表明,盒型窗理论上功率容量达到62kW平均功率,说明输出窗窗片承受25kW平均功率的可行性,窗片中心与边缘的温差为66℃,没有达到陶瓷窗片的临界温差158℃,验证了新型盒型窗设计的合理性。

不同材料回旋管输出窗的临界热耗散功率

从陶瓷介质材料的临界温度差出发,研究了不同材料的回旋管输出窗的临界热耗散功率。针对TE01,TE11和TE02模式的电磁波通过窗片时发生的不同加热模式进行分析,比较了氧化铝窗片、氧化铍窗片、氮化硼窗片和蓝宝石窗片的热功率承受能力。另外,研究了窗片厚度变化时,不同材料窗片的临界热耗散功率的变化情况。研究表明:蓝宝石和氧化铍窗片表现出较好的热功率耗散能力,其中以蓝宝石窗片最为出色;氧化铝和氮化硼窗片的热功率耗散能力相对较弱;随着窗片厚度的增加,4种材料的临界热耗散功率均有不同程度的变大,其中以蓝宝石和氧化铍窗片更为明显。

Ka波段高功率回旋行波管输出窗的优化设计和功率容量的研究

利用场匹配理论建立传输级联矩阵的方法对高功率Ka波段双窗片结构输出窗进行分析优化计算,再通过高频电磁软件HFSS进行验证,设计出了相对带宽大于11%的双层窗片输出窗。用HFSS与有限元分析软件ANSYS协同仿真的新方法对双窗片输出结构进行热分析,研究了Ka波段回旋行波管工作模式分别为TE01和TE11两种不同模式时双窗片结构输出窗在不同频点的功率容量。研究表明:工作模式为TE01时输出窗片的功率容量比工作在TE11模式下大约高8 k W。

X波段新型圆波导输出窗的研究

为提高功率容量水平,并满足微波系统的真空密封需求,本文通过耦合波理论以及四端口网络理论分析,设计了一种X波段新型圆波导输出窗,并利用全电磁仿真软件进行了验证。该新型输出窗采用矩方圆过渡器,并通过小口径圆波导扩大至大口径圆波导。设计结果表明,在中心频率9.37GHz下,该圆波导输出窗驻波比为1.03,功率容量约为18MW。

高功率微波馈源输出窗的研究

结合物理光学和几何光学,讨论了高功率微波馈源真空输出窗的形状和厚度的设计方法,给出了一个X波段、脉冲功率容量1.5 GW、外径548 mm、高83.4 mm、厚33.4 mm的高斯馈源聚四氟乙烯碟形真空输出窗的设计实例。在中心频率9.3 GHz时测试输出窗的驻波系数为1.07,驻波系数小于1.24的频带为9%,带介质窗的馈源方向图与不带介质窗的馈源方向图基本一致。应用一维传热学理论对介质窗内部的温度分布进行了分析。冷测结果与理论结果基本一致。

高功率CO_2激光器输出窗热效应的研究

高功率CO2 激光器输出窗不可避免地要吸收谐振腔的激光能量 ,在其内部产生非均匀温度场的分布 ,并引起输出窗发生热形变。输出窗的热效应改变了CO2 激光器谐振腔的品质因数 ,影响激光器的稳定性和输出光束的质量。对于输出窗准确的温度场和热形变场研究是解决热透镜效应的关键。利用半解析方法对CO2 激光器在TEM0 0 工作模式下 ,输出窗的温度场及热形变量场进行研究。研究方法和所得结论具有普适性 ,可以应用到其它具有轴对称性热模型产生的温度场、热形变分析工作中。

微波输出窗内表面闪络击穿3维全电磁等离子体流体模拟

通过建立电磁场等离子体流体耦合物理模型,基于自主研发的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D,编制了3维电磁场与等离子流体耦合程序模块,对1.3GHz高功率微波窗内表面闪络击穿物理过程进行了数值模拟。研究结果表明:微波窗内侧表面形成的等离子体构型与初始种子电子分布形式密切相关。中心点源分布下,等离子体发展为"蘑菇"形状,输出微波脉冲缩短并不严重,等离子体吸收微波功率大于反射微波功率;面源分布下,等离子体发展为"帽子"形状,输出微波脉冲缩短严重,输出微波完全截断,开始阶段等离子体吸收微波功率占优,待等离子体密度增加到一定程度后,反射微波功率占优。通过降低窗体表面场强、表面释气率及初始种子电子密度等方法,可不同程度地延长输出微波脉冲宽度。窗体表面不同气体层厚度对闪络击穿下的输出微波脉冲宽度影响不大。

3mm回旋行波管微波等离子体化学气相沉积金刚石输出窗

为了解决目前3mm回旋行波管所使用的蓝宝石输出窗因功率容量不足而发生破裂的问题。从抗热震性和功率容量两个方面出发,对常用的几种窗片材料进行了对比。在国内首次以微波等离子体化学气相沉积金刚石为窗片材料,利用数值计算及ANSYS软件仿真设计了用于3mm回旋行波管的低反射,低吸收,宽带宽,高功率容量的输出窗。结果表明,所设计的输出窗适用于TE01模式输出,其S11参数小于-20dB的带宽为6GHz。同时,该输出窗具有良好的抗热震性,在自然对流散热条件下具有61kW的功率容量。

TM_(11)模对大功率微波输出窗热损耗及耐热性能的影响

基于一S波段圆柱盒型输出窗的电磁仿真与高频介质损耗计算,结合ANSYS软件对窗片温度与热应力分布模拟,探讨高次模式对输出窗热损耗与耐热性能方面的影响。结果表明,存在于窗片表面的TM11模可能加剧输出窗的热损耗,增大窗片承受的温度梯度和热应力,从而导致输出窗的耐热性能与平均功率耐受能力下降。