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。

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.

电子诱发波导微放电实验研究

针对宇航微波器件功率密度越来越大,空间电子可能诱发微波器件发生微放电的潜在威胁,通过设计特殊波导结构,利用电子枪提供的种子电子入射到特殊波导内,在波导内通入大功率微波信号,利用检波器和示波器分别检测透射波形和反射波形,观察微放电现象的持续过程;改变电子入射能量,观测到不同程度的微放电现象,该电子枪提供种子电子诱发波导微放电效应的实验方法为微波器件微放电效应研究提供了重要手段。

碳纤维复合石墨阴极的制备及电子发射性能

阴极作为强流电子束的起点,对高功率微波源的性能具有重要影响。石墨是高功率源用爆炸发射阴极的常用材料,具有高压重频条件下运行稳定和长寿命的优点。使用具有高长径比、低发射阈值的碳纤维对石墨阴极进行复合,采用场发射及高功率微波测试平台,对比分析纯石墨阴极及碳纤维复合石墨阴极的场发射性能、强流电子发射性能及输出微波特性,结合阴极的微观结构表征,研究碳纤维复合对石墨阴极电子发射性能的影响规律。研究表明:与鳞片石墨阴极相比,40%(质量分数)碳纤维复合石墨阴极的场发射阈值电场由143 kV/cm降低到119 kV/cm,降低了约16.8%,二极管电压为480 kV时输出的微波脉宽与峰值分别提高了13.5%,5.7%。同时考虑到碳纤维在爆炸电子发射过程中结构稳定性的特点,碳纤维的复合也有利于阴极使用寿命的提高。

利用负载电流产生微波的新型MILO

为了进一步提高MILO产生微波的功率和效率,提出了其负载电流能量全部利用来产生微波的新思想。设计并运用二维全电磁PIC方法模拟了基于此思想的新型MILO,它是传统MILO与VCO的有机结合(简称MVO)。模拟结果表明MVO中MILO部分与作为MILO负载的VCO部分各自工作正常,VCO部分产生微波的主频受MILO部分产生微波的牵引。在输入25GW电功率(工作电压约500kV)下,与相应传统MILO相比,MVO的微波平均输出功率提高了500MW,效率从6%提高到了8%。

基于LabVIEW的高功率微波驱动源监控系统

针对高功率微波源对前级驱动电源的计算机自动控制要求,设计了一套1 200kV高功率微波驱动电源监控系统。系统采用多功能数据采集卡控制大功率调压器产生连续可调的工频电压,再经过环氧高压变压器和整流硅堆等转换为直流高压,对储能电容进行充电控制;采用高速数据输入输出卡控制触发系统按时序进行工作;监测计算机通过RS-485串口方式对直流高压、闸流管阳极电压、闸流管对地电流等进行实时状态监测;控制主机通过以太网与中央控制计算机实现通讯,可以单独控制电源工作,也可以通过中央计算机统一协调工作;采用LabVIEW作为软件开发平台,利用图形控件完成整个电源系统的控制监测等功能的设计;为了解决因电磁干扰强而引起的地电位抬高、高压采集不正常等问题,系统的软硬件都融入了可靠性设计。实验结果表明,该系统工作可靠稳定,实时性强,界面友好,操作简单,具有良好的可扩展性和移植性。

太赫兹真空电子器件的研究现状及其发展评述

太赫兹真空电子器件具有输出功率高、可在常温下工作等优点,它在军用、民用领域有着广泛的应用前景。本文介绍了国内外各种太赫兹真空电子器件研究的技术水平及应用现状,并对其今后发展趋势作了相应的评述。

相对论返波振荡器研究进展

对高功率相对论返波振荡器（Ｒ—ＢＷＯ）的国际国内研究情况进行了全面综述，报道了Ｒ—ＢＷＯ理论和实验研究的最新进展，预测了Ｒ—ＢＷＯ的发展趋势，提出了一些建议。

一种紧凑型高功率宽带微波源

设计了一种高功率宽带微波辐射装置,谐振器采用传输线型谐振器,其中,天线采用单锥喇叭。整个宽带微波产生装置具有结构紧凑、谐振频率较低的特点。用时域有限差分对该装置进行了数值模拟,模拟结果为:辐射场中心频率272 MHz,带宽13.5%。装置与高压脉冲源联试,开关内充电电压为71 kV时,辐射场中心频率为197 MHz,辐射场带宽达到24%,峰值辐射因子为28.3 kV。

微波源中同轴提取区支撑杆的理论分析与设计

同轴提取区支撑杆的设计是MILO等同轴提取型高功率微波源设计的重要环节。本文根据场匹配原理导出了具有支撑杆的同轴提取区系统的传输方程和散射矩阵 ,并对同轴提取区各部分的微波模式进行了理论分析。对给定参数下的同轴提取区系统的散射矩阵参数进行数值计算 ,进而得到各微波模式系数 ,并对支撑杆进行了设计和参数优化。理论分析和数值计算都得出同样结论 :对一定频率的微波来说 ,若同轴波导中第一个截止模式是Hn1,则应选择n根支撑杆。这种支撑杆对TEM波的传播几乎无影响 。

X波段GW级长脉冲高功率微波源的设计与实验

通过理论分析指出,单模相对论返波振荡器内的平均场强正比于其工作频率,工作在高频段难以实现长脉冲运行。采用电磁场仿真方法,比较了X波段单模和过模慢波结构的场分布特点,结果表明:增加过模比能有效减小慢波结构表面的射频场强,但由于场分布变化导致场强的减小与过模比的增加相比并不显著。利用过模比约为3的慢波结构设计了一种X波段长脉冲高功率微波源。实验中,在单次运行条件下,输出微波功率达到2 GW、脉宽80 ns;在20 Hz重复频率运行条件下,输出微波功率达到1.2 GW、脉宽100 ns。器件产生的微波频率为9.38 GHz,主模为TM01,效率约24%。微波窗口和慢波结构表面的射频击穿是目前实验中限制微波功率和脉宽增加的关键因素。

高功率重复频率三电极气体开关自击穿特性

以“CHP01”加速器为实验平台,对自行研制的重复频率三电极气体开关的自击穿特性开展了实验研究。研究了开关自击穿特性与气压、气流流速、电极形状等因素的关系,并对实验结果进行了分析。结果表明:随着气压的升高,开关自击穿电压分散性变大;适当流速的气流有助于减小开关的自击穿分散性,但气流流速过大将加大自击穿分散性;当通过改变电极形状增大极间场增强因子时,开关电极间场增强因子变大,开关分散性减小,但平均自击穿电压有所降低。

磁绝缘线振荡器的自动优化设计

为克服全电磁粒子模拟(PIC)程序不利于优化设计的弱点,提高高功率微波器件的优化设计水平,将遗传算法与全电磁粒子模拟算法有机融合,研制出二维全电磁粒子模拟并行优化程序。据此对高功率微波源器件——两个波段的磁绝缘线振荡器(MILO):C-MILO和L-MILO进行优化设计。在输入功率不变的条件下,原C-MILO效率为10.8%,经优化后效率为15.4%;原L-MILO效率为12.6%,经优化后效率为17.7%。由此得出,两类MILO模型经优化后在输入功率基本不变的情况下输出功率和效率都有很大程度的提高,且模型几何参数合理,物理图像正确。

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.

L波段同轴相对论返波振荡器导引磁场设计

设计了一个用于为L波段同轴相对论返波振荡器提供导引磁场的双线绕制、分段磁场线圈系统。根据粒子模拟中对磁场的要求和实验室已有的条件来确定磁场的各参数,通过数学软件Mathcad和全电磁粒子模拟程序Karat对设计出的轴向磁场位形进行验证。采用基于Hall效应的Tesla计对加工好的磁场线圈产生轴向磁场空间分布进行了测量,同时利用电子束轰击尼龙靶来考察电子束被导引的效果。利用绕制好的磁场线圈开展了初步实验研究,在二极管电压655kV,电子束流为10.4kA,导引磁场0.7T的条件下,输出微波峰值功率约为864MW,微波波形半高宽为23ns,功率转换效率约为12.7%,频率1.61GHz。

X波段高峰值功率速调管功率合成器设计

基于微波电路理论和EBMA(extended boundary condition model analysis)电磁计算方法,先后设计了一个工作在9 GHz的4合1和8合1功率合成器。功率合成器可将多个侧壁矩形波导中相同输入的TE10模电磁波在中心圆波导中以TE01模式输出,实现功率的合成。利用EBMA方法和CST软件对所设计功率合成器的传输系数进行了计算,在中心频率9 GHz处,计算结果分别为1.00和0.99,从而验证了功率合成器具有良好的功率合成效果。对于8合1功率合成器,还根据模型简化的想法,使得功率合成器加载后,对输出腔间隙阻抗的计算成为可能。

4.8MJ脉宽调制型励磁电源设计

利用脉宽调制技术,设计了一台为高功率微波源提供导引磁场的脉宽调制型励磁电源,它可在励磁线圈中产生一定持续时间的准稳态强磁场。励磁电源的储能部分采用容量15 F、最高充电电压800 V的储能密度较高的超级电容器,最大储能为4.8 MJ,内阻小于0.25Ω。在储能电容充电645 V的情况下,对电感约为60 mH、电阻约0.40Ω的励磁线圈进行了励磁实验,获得了持续时间为1.9 s、幅值为900 A准稳态电流,电流波动幅度为5%,对应线圈中的最大轴向磁场为2.2 T。实验结果与理论计算基本一致,表明所研制的励磁电源达到了设计要求。

高功率微波器件的初步优化设计

将遗传算法与全电磁粒子模拟算法有机融合,研制出二维全电磁粒子模拟并行优化程序。据此对高功率微波源器件——磁绝缘线振荡器(MILO)和超辐射返波管(SRBWO)进行优化设计。将束波转换效率作为优化目标,在输入功率基本不变的情况下,优化后的磁绝缘线振荡器的效率比原模型提高38.8%;将超辐射相对论返波管的峰值输出功率作为优化目标,优化后的器件峰值输出功率比原来提高了37.5%,束波转化效率提高了50%;将超辐射相对论返波管的输出微波总能量作为优化目标,输出微波总能量比原来提高了38.1%。经优化后获取的器件模型几何参数合理,物理图像正确。

利用多馈源激励改善混响室的场均匀性

研究了多馈源激励对混响室内场分布的影响。根据理想封闭矩形腔体内电磁场表达式,分析了混响室内场分布的影响因素;通过对比电场的最大值、分布标准差及各向同性等统计特征,重点研究了多馈源激励对腔体内场分布的影响。研究结果表明:采用多馈源激励可以有效地提高场均匀性,有利于构造均匀的电磁场环境。同时也证明了利用该方法在混响室中研究高功率微波效应的可行性。

三谐振高压脉冲变压器理论分析与模拟

介绍了一种基于空芯变压器的三谐振高压脉冲变压器。通过对三谐振脉冲变压器无损等效电路的理论分析,给出了在回路本征频率为1∶2∶3时,电路各参数的关系及输出电压解析表达式,由此可知在此条件下变压器次级高压绕组上的最大电压与负载电容上最大电压比为0.36∶1。根据理论结果,设计了一组参数进行了电路模拟,证明了理论分析结果的正确性,可用于三谐振脉冲变压器的设计。并模拟了变压器耦合系数、调谐电感、调谐电容、初级电容及负载电容等参数变化对装置输出电压及能量传输效率的影响。由模拟结果可知,调谐电感和调谐电容在-10%-10%范围,初级电容在0-10%范围以及负载电容在-10%-0范围内变化对装置的性能影响不大,该变压器较容易实现工程化。