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。

高功率微波大口径相控阵天线拍波辐射方法研究

相控阵天线是未来高功率微波辐射系统的重要形式之一,是当前研究的热点。为了获得超高等效全向辐射功率,高功率微波天线均为大口径形式。而大口径相控阵天线在辐射高功率微波拍波过程中,存在波束分裂、增益下降问题。针对该问题,本文提出了一种大口径相控阵天线拍波辐射结构,采用“子阵-面阵”两级馈电形式,解决了拍波辐射过程中波束分裂问题,有效提高了高功率微波系统的综合性能。该方法极大地节约了移相器数量,节省了系统成本,降低了系统复杂度,有利于实现高功率微波系统的小型化,提高系统的可靠性。

脉冲宽度对高功率微波阵列天线辐射特性的影响

为了研究馈入脉冲波形的脉冲宽度(脉冲半高宽)对高功率微波阵列天线辐射特性的影响,以L波段(1.575 GHz)高功率微波波导缝隙阵列天线为例,首先从理论分析、数值仿真方面研究不同馈入脉冲波形脉宽对阵列天线辐射增益和辐射脉冲脉宽的影响,然后根据仿真模型加工制作了一款由4根波导组成的宽边纵缝阵列天线,并将波导缝隙阵列天线结合功分网络与吉瓦级微波源(高功率微波磁控管)连试,开展了高功率微波辐射实验。数值仿真结果表明,当馈入的L波段微波脉冲脉宽约为10 ns时,阵列天线辐射增益比连续波馈入时的增益减小2.2 dB,脉宽展宽2.6 ns;当馈入脉冲波形脉宽约为15 ns时,阵列天线时域增益比连续波馈入时的时域增益减小1.5 dB,脉宽展宽1.9 ns。高功率微波实验结果表明,与辐射场脉宽为9.6 ns的高功率微波相比,辐射场脉冲脉宽为15.65 ns的高功率微波功率密度提升了3.1 dB。

浅析美国高功率微波效应研究动态

简要介绍了美国国际高级研究计划局(DARPA)发布的“波形捷变射频定向能(WARDEN)”项目、空军研究实验室公布的《定向能和基地防御》和《定向能未来2060-美国国防部定向能技术未来40年远景》报告,重点分析了“WARDEN”项目、《定向能和基地防御》和《定向能未来2060-美国国防部定向能技术未来40年远景》报告中的高功率微波效应研究动态,分析归纳了当前美国高功率微波效应研究进展和研究重点是“深化无人机和巡航导弹高功率微波后门扰乱效应机理,提升高功率微波武器系统对无人机和巡航导弹的攻击距离”,这些结论可为我国高功率微波效应研究提供重要参考。

高功率微波电磁脉冲对铁路PCB类设备的危害影响及防护措施研究

随着我国铁路朝着电气化和信息化方向不断发展,各种由精密PCB设计集成的电力电子设备广泛应用于各种强弱电系统,当这些设备遭受高功率微波等强电磁脉冲武器照射攻击时,若自身防护能效不足,则会导致设备出现异常状态,直接或间接地影响行车安全。文章通过建模仿真分析高功率微波电磁脉冲对铁路PCB设备的辐射影响和危害评估,并从工程角度提出了一些针对铁路PCB设备应对强电磁冲击的防护建议。

一种高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线

提出了一种新型高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线。在常规的紧耦合偶极子阵列天线的基础上,该阵列天线通过采用全金属结构设计、天线匹配层和密封层一体化设计以及调节天线结构的手段,获得了宽带高功率性能。仿真结果显示,在0.8~4.0 GHz的范围内,天线未扫描时的驻波比小于2;在16 mm×32 mm单元尺寸内和1个大气压的SF6气体中,功率容量达到0.12 MW;以该单元天线组成10×10阵列,100个单元总尺寸仅为160 mm×320 mm,在1个大气压的SF6气体中,功率容量可以达到12 MW,另外,该天线可实现45°的宽角扫描。该阵列天线的提出为实现高功率微波宽带天线的宽频带、大角度扫描、紧凑化、小型化以及低剖面化提供了参考。

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。

基于GaN肖特基二极管的大功率微波限幅技术研究

随着高功率微波技术的发展,超宽带、高功率等强电磁技术对电子化设备威胁越来越大,使用高功率微波摧毁电子信息装备成为了干扰通信系统的重要方式。对高功率微波的防护主要分为前门防护和后门防护,限幅器作为前门防护的重要微波器件也面临越来越高的要求。本文首先介绍了GaN材料及肖特基二极管的器件特点和性能优势,然后论文介绍了以半导体器件为基础的限幅器原理及电路结构,并对以GaN肖特基二极管为基础的新一代大功率微波限幅技术研究进展进行论述。

基于新型高功率微波的雷达探测技术研究

本文研究提出一种新型高功率微波窄脉冲,能够具备雷达探测能力,适用于解决单脉冲探测雷达功率不足的问题。新型高功率微窄脉冲为ns级脉冲信号,具备中心载频信息并且具有超高重频、超高功率、超高带宽的特性。根据该脉冲特性,本文深入探索提出一种基于新型高功率微波的雷达探测方法,该方法采用基于脉冲路径编码压缩的物理脉冲压缩方式获得一种新型高功率微波窄脉冲,通过单脉冲探测的方式实现对目标探测侦察。经数值仿真模拟与实际测量对比分析表明,对于探测雷达系统而言,基于脉冲路径编码压缩方法能够在现有功率源基础上提高20 dB以上的信号增益。通过多目标探测实验验证,新型高功率微波雷达系统能够有效探测目标,其系统距离测量精度误差小于5‰。实验证明:新型高功率微波窄脉冲具有雷达探测能力,能有效提高系统探测功率,提升系统探测距离。

一种高功率微波发射阵列天线设计和试验

设计了一种用于高功率微波发射的S波段波导缝隙阵列天线。采用耦合波导和馈电波导同层排布的方式减小了天线的剖面高度,通过耦合缝隙同向偏置,辐射缝隙按照一定规律排布补偿相位,实现了缝隙单元方向图同相叠加,对缝隙参数、功分器形式与功率容量的关系进行了仿真分析,并在天线内部充入0.1 MPa SF6气体,提高了天线的功率容量。仿真和试验结果表明,在6.7%带宽内,天线电压驻波比小于1.5,增益达到27 dBi,采用窄谱高功率微波源激励天线并进行了高功率微波发射试验,天线的发射波形与微波源的输出波形具有良好一致性,测试的微波源输出功率为2.67 MW。

一种旋转移相式高功率微波反射阵列天线

利用旋转移相技术的几何相位调控方法,提出一种基于传输相位差概念的波束扫描高功率微波反射阵列天线。电磁仿真结果表明,所设计的三叉戟形反射阵列天线单元工作于9.5~10.5 GHz,在0~40°入射角度下具有360°范围内的线性相位调控能力,真空条件下的功率容量达到1.11 GW。采用该单元设计了半径为200 mm的圆形口径反射阵列天线,并使用全波仿真软件进行验证,利用口径相位分布的可重构特性,所设计的反射阵列天线可以实现±40°范围内的波束扫描。在10 GHz时,波束扫描过程中的增益下降小于1.7 dB,最大增益达到31.1 dBi,对应口径效率为73.42%,最低口径效率超过50%,副瓣电平和轴比始终低于-18.7 dB和1.6 dB。

高功率微波作用下三维结构中多物理场耦合过程仿真方法研究综述

电子系统暴露在高功率微波中,产生的多物理耦合效应会引发其性能降低甚至损毁。为指导其电磁防护设计,需要研究大规模电(磁)-热-应力耦合并行仿真方法。通过集成高性能并行计算框架和区域分解方法(domain decomposition method,DDM),可以实现超大规模复杂结构的高效数值模拟。在无源结构的电-热-应力耦合数值模拟中,每个时间步都需要反复求解电流连续性方程、热传导方程和热应力方程,场间通过焦耳热和温变材料参数实现耦合,当达到稳态后,进入下一个时间步;在射频无源结构的电磁-热-应力耦合过程数值模拟中,每个时间步内分别求解电磁场和热场,并通过耗散功率和温变材料参数实现场间耦合,当达到稳态后,根据温升计算热应力,然后进入下一个时间步。本文回顾了电(磁)-热-应力大规模并行仿真的实现方法,并列举了国内外科研团队在键合线阵列、系统级封装、微波滤波器等多种复杂结构的多物理场模拟方面的标志性成果。

高功率微波无人机反制系统研究

针对不依赖遥控和导航的无人机及机群的反制需求和传统硬杀伤武器反应速度慢、费效比高等问题,研制了高功率微波无人机反制系统,该系统主要由脉冲调制器、脉冲磁控管、大功率传输波导系统及辐射天线等组成。本文简述了系统的设计方案,包括系统的组成和各分机的参数设计。辐射测试和效能试验结果表明:系统脉冲等效辐射功率达到20 GW,能够满足200 m空域内无人机及机群反制需求。系统工作不依赖于无人机的控制和导航方式,同时具备攻击速度快、费效比低、受天气影响小的特点。

高功率微波信号对PIN限幅器温度分布的影响特性

针对高功率微波波形参数对限幅器温度分布特性的影响,基于双级PIN限幅器的场路协同仿真模型对微波脉冲幅值、频率对温度分布的影响展开了仿真研究。结果表明:微波脉冲幅值、频率的提升会使双级PIN限幅器中PIN二极管的高温区域分布向P区拓展、高温区域分布范围扩大;相对而言,微波脉冲幅值对温度分布的影响更为显著,频率对温度分布的影响相对较小。

基于KAN的舰载高功率微波武器目标威胁评估

随着无人机等现代化电子设备在战场上的广泛应用,高功率微波(High Power Microwave,HPM)武器在未来海上防空作战中展现出巨大的潜力。HPM武器与常规舰载防空武器协同防空时的威胁评估成为亟待解决的核心问题,建立基于KAN(Kolmogorov-Arnold Network)的威胁评估模型,通过量化6项核心因素对来袭目标的威胁程度进行评估。仿真实验表明:KAN模型的威胁评估误差保持在0.036以下,平均误差为0.0142,优于传统的BP(Back Propagation)网络模型和FABP(Firefly Algorithm Optimized Back Propagation)网络模型。加入HPM武器后,对相应量化指标进行调整,运用KAN模型预测加入HPM武器后的目标威胁值,目标威胁值平均下降了0.0714。HPM武器的使用显著增强了舰艇的防空能力,为未来防空系统的设计提供了重要指导。

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。

基于T形四周期谐振慢波结构的X波段高功率微波产生技术的理论与仿真

优化设计了T形四周期谐振慢波结构,并进行了高频理论分析.利用镜像法将T形波导单元进行脊波导化等效设计,并通过等效电路分析了等效脊波导的高频特性,由此进行T形波导的谐振频率与结构解析理论分析.在此基础上构造了T形四周期谐振慢波结构,对该结构进行色散特性分析,确定谐振模式和频率,得到了模式同步电压范围.最后基于提出的T形周期谐振慢波结构进行对应的相对论扩展互作用辐射源的仿真验证.通过三维粒子仿真模拟分析及优化设计,在448 kV注电压、400 A注电流和0.4 T的均匀轴向磁场条件下,得到了频率为9.8 GHz、平均输出功率71.4 MW的高功率微波,对应电子效率为39.8%.本文提出的以T形波导为单元的新型谐振慢波结构有效地利用较少周期实现高效率、高功率微波产生,为高功率微波科学提供了有效的高频结构的紧凑化方案.

高功率微波介质窗气体侧击穿特性的粒子-蒙特卡罗碰撞模拟

在高功率微波介质窗外表面周围,气体击穿是限制功率容量提升的主要因素之一,因此进行相应的模拟研究具有重要的意义.本文通过粒子-蒙特卡罗碰撞模型对介质窗气体侧击穿特性进行了模拟研究.将宏粒子合并方法引入该模型,大大减少了跟踪的宏粒子数量,以至于能够对整个击穿过程进行模拟与分析.结果表明,在宏粒子权重为变量下,击穿的时空演化特性与宏粒子权重为常数下的结果符合得很好.由于次级电子发射产额远小于1,所以气体电离是介质窗气体侧击穿的主导机理.电子电离和扩散导致等离子体的密度和厚度随着时间显著增加.电子密度的峰值未出现在介质表面处而是在距离介质表面100—150μm的位置.这是因为大量的电子沉积在介质表面上,伴随产生的自组织法向电场驱使电子远离介质表面.由于本文关注的背景气体压强高于最大电离率对应的临界压强(约为1.33×10^(3)Pa),所以电离率随着压强的增加而单调减小,并导致击穿发展得更加缓慢.通过比较击穿时间的模拟值与实验数据,证实了粒子-蒙特卡罗碰撞模型的准确性.

北斗/GPS导航系统抗高功率微波防护设计

为提升北斗/GPS导航接收系统抗高功率微波的防护效能,采用场路协同仿真设计的方法,分析了北斗/GPS天线在高功率微波辐照下的响应特性,仿真得到天线端口的耦合电压量值。为实现对高功率微波的防护,设计两级防护电路,通过构建稳态电路和瞬态电路模型,对插入损耗和泄漏电压进行仿真分析,并对防护电路进行了加工。测试结果表明:防护电路在2 kW的窄带高功率微波注入下,泄漏功率小于0.5 W;在1411 V的超宽谱高功率微波注入下,泄漏电压小于12 V,可实现对高功率微波的有效抑制。同时将防护电路装配到北斗/GPS导航天线内,导航系统可正常工作。

高功率微波天线电磁仿真方法研究进展

高功率微波(high-power microwave,HPM)天线作为HPM系统与外界交互能量的通道,其对HPM系统的性能具有重要的影响。设计HPM天线时,受制于有限的测量手段和高昂的实验成本,难以通过实验方法对HPM天线性能进行分析。相较于实验方法,高效精确的电磁仿真方法是分析HPM天线性能最有效、最经济的研究手段。目前,HPM天线主流电磁仿真方法包括:全波仿真方法、高频渐近方法以及混合方法。本文对近年来HPM天线电磁仿真方法的新进展进行了介绍,总结了各种电磁仿真方法的优缺点,可为HPM天线性能仿真方法的选取提供思路。