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。

高斯模式输出窗功率阈值分析

为研究窗片的可承受工作脉宽,分析了不同材料窗片传输170 GHz高斯模式时所能承受的吸收功率阈值。首先确定了不同材料窗片的厚度,然后结合高斯模式分布、介质损耗功率,在相同散热边界条件与几何结构下,对不同材料的输出窗进行稳态热分析。失效判据为陶瓷材料的失效临界温度差与抗热震系数,通过仿真结果确定了窗片所能承受的吸收功率阈值,进而反推出可传输的平均微波功率,其中蓝宝石窗片可传输的平均功率与热测结果基本一致。针对热测老炼样管时提升工作比的需求,当脉冲间隔为10 s时,理论判定不同窗片所能承受的最大脉宽,为老炼样管提供理论支持。若要实现170 GHz、1 MW连续波输出功率,只有金刚石材料满足使用需求。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

高功率微波输出窗的介质物理光学分析

讨论了介质物理光学分析方法,并应用该方法数值分析了一个X波段,1.5 GW脉冲功率容量的高斯馈源聚四氟乙烯碟形真空介质输出窗及其辐射场分布。理论计算与实验结果基本一致,从而为优化天线系统打下基础,使用的方法亦可用于厚介质透镜和雷达罩的设计。

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。

0.22THz折叠波导行波管盒型窗设计及实验

针对0.22 THz折叠波导行波管设计了一款高频输入输出结构—盒型窗,并对其进行了理论分析和数值计算,通过CST2010微波工作室和Ansoft HFSS11进行模拟仿真验证。这种盒型窗不但降低了加工焊接难度,而且保证了较大带宽。本文得到了0.02 THz带宽,在0.21 THz^0.23 THz范围内反射系数都小于0.08。最终通过加工和实验测试对盒型窗进行了验证,实验测试和理论计算基本一致,满足了0.22 THz折叠波导行波管的需要。

8mm波段盒形窗的设计与特性

本文给出8mm波段盒形窗的设计和实验测量结果。试验表明,所设计的盒形窗在31～37GHz频率范围内,驻波比小于1.1。该盒形窗可作为8mm波段行波管、速调管和磁控管的输出窗。

门钮式同轴TEM——矩形TE_(10)微反射过渡结构

基于门钮窗结构设计适合高功率微波传输的同轴TEM模——矩形TE10模的微反射过渡结构,经优化后,此类过渡结构在L波段驻波比小于1.1的相对带宽超过4%。在同轴线中增加感性销钉后,此类微反射过渡结构可以与另一段同轴线构成多节带通滤波器。研究表明:感性销钉取向对过渡结构的通带有重要影响,只有沿平行于矩形波导方向插入销钉才能得到最宽的通带。

S波段径向线陶瓷密封窗的分析与设计

为了实现对径向线输入与输出部分的真空密封,优化高功率阵列天线的拓扑结构,本文研究了一种径向线陶瓷密封窗。基于模式匹配法理论分析了径向线陶瓷密封窗的传输与反射特性,之后以此为依据对其进行了仿真设计,改进了结构实现方式,降低了三相点和突变结构对密封窗表面电场的影响。设计结果表明:该径向线陶瓷密封窗反射系数小于0.1,设计功率容量约150 MW。

速调管矩形波导窗的研究

运用微波等效电路(微波网络)的方法,研究了大功率速调管矩形波导输出窗的转移矩阵,根据微波无反射条件求解窗的最佳尺寸。利用3维电磁场计算软件ISFEL3D进行精确模拟。将微波等效电路方法的计算结果与ISFEL3D的模拟结果和实验结果相比较,得出结论:运用微波等效电路方法对矩形波导输出窗进行设计,理论较为简单,编程容易实现,计算速度很快,便于参数调整,且计算结果与实际测量误差较小,适合应用于速调管矩形波导输出窗设计的初步阶段。

回旋行波管输出窗单端口测量去嵌入技术

射频夹具去嵌入技术通过将测量回路等效为网络级联的思想来实现,通常工作频率低于6GHz。基于误差模型参数修正原理,利用工作在Q波段回旋行波管输出窗的S参数进行验证,证明了该方法在微波测量去嵌入上具有很高的准确度,并给出了射频夹具去嵌入无法直接用于微波测量去嵌入的原因。回避了射频夹具去嵌入用于微波测量去嵌入的谐振问题,详细介绍了误差模型参数修正原理及具体实施方式,对于微波波导测量去嵌入具有一定的借鉴意义。

基于叠层型高阶矢量有限元法的微波管输入输出窗模拟器设计

开发了基于叠层型高阶矢量有限元法的微波管输入输出窗模拟器。该模拟器能够准确计算S参数,给出任意工作频点的场图,并能较目前常用的商业仿真软件缩短计算时间。叠层基函数的使用主要有以下两个优势:①有效地消除了伪解,提高了矩阵性态;②提高了效率,减少了CPU计算时间。通过对微波管中典型的50Ω同轴线输入、输出结构进行仿真求解,将得到的S参数与目前大型商业仿真软件HFSS与CST MWS的仿真结果进行比较,验证了窗模拟器计算的准确性;更重要的是证明了窗模拟器在仿真微波管输入、输出结构时间上的优势。

空间行波管输能窗组件贮存失效分析

高频组件是空间行波管的主要部件,是管内传播高频电磁波的重要传输部件,其中陶瓷封接部位一般采用银焊料进行焊接,它一般存放于真空柜中。存放一段时间后,组件表面出现了发黑现象。分析表明真空柜中放置的橡胶制品导致了高频组件银焊料焊接部位发生硫化,导致贮存失效。结合实验结果和理论分析,在大气状态下,橡胶套中的硫是比较稳定的。然而在真空状态下,硫是比较容易从橡胶套中升华进入真空柜中的,从而会在真空柜中弥漫大量硫蒸气,这些硫蒸气与银焊料发生化学反应形成Ag2S,因此含硫的橡胶套不宜放入真空柜。

高功率微波窗内外表面闪络击穿流体模拟研究

建立理论模型,将电磁场时域有限差分方法与等离子体流体模型结合,编制一维电磁场与等离子流体耦合程序,数值研究了3 GHz高功率微波窗内外表面闪络击穿的不同物理过程.研究结果表明:外表面闪络击穿中,输出微波脉宽缩短(未完全截止),窗体前均方根场强呈驻波分布,波节与波腹位置不变,窗体外表面形成有一层高密(约10^(21)·m^(-3)量级)极薄(约mm量级)等离子体(扩散缓慢),入射波可部分透过该薄层等离子体,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;降低初始等离子体密度、厚度、入射波场强及缩短入射波脉宽等方式,可不同程度地改善输出脉宽缩短效应.内表面闪络击穿中,窗体前均方根场强亦出现驻波分布f但波节与波腹位置随时间变化),等离子体向波源方向运动;强释气下,输出脉宽缩短(未完全截止),形成多丝状高密(约10^(21)·m^(-3)量级)极薄(约mm量级)等离子体区域(扩散缓慢),间距1/4微波波长,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;弱释气、低场强下,脉宽缩短有所改善(但最终截止),形成多带状致密(约10^(18)·m^(-3)量级)略厚(mm-cm量级)等离子体区域(扩散较快),间距1/4波长,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;弱释气、高场强下,脉宽缩短严重(很快截止),形成块状高密(约10^(21)·m^(-3)量级)较厚(约cm量级)等离子体区域(扩散迅速),脉宽缩短主要源于等离子体反射效应.