Transmission properties of microwave in rectangular waveguide through argon plasma

To study the impact of plasma generated by microwave breakdown on the propagation properties of microwave in high power microwave(HPM) devices, a three-dimensional(3-D) fluid model of argon plasma slab in rectangular waveguide is established and calculated by the finite-difference-time-domain(FDTD) method. A rectangular waveguide with a breakdown chamber filled with argon is set as the physics model, and HPM with frequency of 3–50 GHz propagates through this physics model. The time evolutions of the breakdown process are investigated, the reflection, transmission, and absorption coefficients of HPM are calculated, and the influences of some important parameters, including the thickness of the plasma slab and the microwave frequency on the propagation properties of the microwave are shown. Results of this work can offer theoretical instructions for suppressing the influence of breakdown to the performance of HPM devices, and for the use of microwave breakdown, such as the design of plasma limiter or absorber in HPM devices.

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。

高功率腔体滤波器的电磁-热-力多物理场智能代理模型及快速预测

电磁多物理场计算在模拟高功率微波器件方面至关重要。为了快速且精确地获取高功率腔体滤波器中由电磁引发的多物理场响应,本文构建了一种基于数据驱动的电磁多物理场代理模型。首先利用有限元方法建立腔体滤波器的多物理场响应数据库,随后基于该数据库构建数据驱动的人工神经网络代理模型。结果对比表明:该代理模型能够精确且快速地预测高功率腔体滤波器在不同输入功率下的S参数曲线,预测精度超过98%,预测时间少于0.2 s;相较于传统的电磁多物理场数值计算方法,计算速度提升了3个数量级以上。因此,本文代理模型的快速精确预测能力对新型高功率微波器件的稳定性分析、可靠性评估和优化设计具有重要的理论指导意义和实际工程应用价值。

旋磁非线性传输线原理分析和初步实验

作为一种特殊的宽带高功率微波源,旋磁非线性传输线(gyromagnetic nonlinear transmission lines,GNLTL)由于中心频率高、易于调频以及可以高重频运行等特点,得到了广泛的关注。为明确GNLTL的特殊工作机理,对比分析GNLTL与传统旋磁应用场景的不同之处。从微观磁化动力学入手,针对GNLTL产生微波的原因进行定性解释。搭建一套低功率的验证实验装置,重点针对实验场景构建、GNLTL设计进行介绍。实验得到微波信号的中心频率为750 MHz,3 dB波束带宽达12%,峰值功率为245 kW,初步验证了GNLTL的微波产生效果。

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。

统计性方法预测高功率微波进入腔体内的分布

文章介绍了电磁场波混沌理论的发展和相关研究。在此基础上讨论了高功率微波在腔体内部形成波混沌现象的情况,并且针对这一现象,利用随机耦合模方法,对高功率微波下波混沌腔体内不同物体的耦合情况进行统计性分析。考虑到微带线的情况,利用科朗-布朗宁模型计算了随机平面波假设下微带线结构的平均吸收截面,进而对波混沌腔体内微带线的耦合情况进行统计性预测。最后设计实验,用单极天线作为参考端口,不同长度的微带线为待解端口,验证了方法的可靠性。

有源相控阵雷达TRM高功率微波在线测试系统

高功率微波(HPM)是系统电磁环境效应评估中的重要项目之一。针对有源相控阵雷达“前门”耦合窄带HPM效应评估需求,通过HPM效应评估不同试验方法比较分析,提出采用多端口高隔离“魔T”、耐高功率吸收式滤波器与隔离器等关键微波器件,构建基于传导注入法的收发组件(TRM)高功率微波效应评估实时在线测试系统,针对典型频段TRM开展效应试验,获取相应试验数据,验证了该测试系统是合理可行的。

强电磁脉冲电离大气三维FDTD仿真

强电磁脉冲在大气中传播时会导致大气分子电离,且电离气体又会反作用于传播的电磁波,因此是一个传播状态动态实时变化的物理过程。要准确模拟该过程需要综合考虑电磁波传播、大气电离、带电粒子运动等物理过程。为解决该问题,文中结合麦克斯韦方程、等离子体方程、磁流体动力学方程等,构建多物理场分析方程组,该方程组能够考虑强电磁脉冲传播时大气电离、扩散、附着、复合等物理效应。进而结合三维时域有限差分方法(FDTD)来构建动态仿真模型,对强电磁脉冲在大气中的传播过程进行仿真并分析其宏观大气电离效果。

中美高功率微波强电磁环境效应试验标准研究

由于高功率微波武器在军事应用方面的广泛应用,研究装备的高功率微波强电磁环境效应试验方法,具有重大的军事需求和实用价值。通过介绍中国和美国高功率微波强电磁环境效应试验标准发展现状和主要研究成果,分析中美现行装备高功率微波强电磁环境效应试验标准测试方法,给出无法直接应用到试验中的不适用性因素,提出四个未来标准体系的重点研究方向。

C波段磁绝缘线振荡器的理论设计与实验

通过理论分析与计算,设计加工了一个C波段磁绝缘线振荡器(MILO),并进行了实验研究.在二极管电压为437～464 kV、二极管电流为36～39 kA的条件下,从实验上获得了功率为1.60～1.68 GW、频率为3.60～3.66 GHz、脉宽为33～38 ns的TEM模高功率微波辐射,功率转换效率大于9%.

X波段高功率微波馈源辐射总功率阵列法测量技术

分析了采用阵列法测量高功率微波(HPM)馈源辐射总功率的相关技术环节。仿真计算了某型X带HPM馈源辐射场分布,设计了积分法测量辐射总功率的参数,并对积分总功率与端口注入功率的关系以及积分方法引入的测量误差进行了计算。设计了由8路HPM辐射场功率密度测量系统组成阵列,对馈源辐射场功率密度进行测量,保证功率密度测量结果一致性和重复性。测量结果表明:多路测量系统测量波形相同,单路系统多次重复测量偏差在±0.1dB内,多路测量系统对同一点辐射场功率密度测量偏差在±0.3dB内,馈源热测E面方向图与冷测结果基本符合,积分总功率与等效辐射功率测量结果吻合较好。

三维感应场率有限长柱体阵列高功率微波辐照特性分析

为了研究高功率微波对平行柱体阵列的辐照特性,提出一种分析有限长柱体阵列散射特性的三维感应场率法。基于矩量法分析柱体的散射场,建立了有限长柱体的三维感应场率模型,并反推出产生散射场的等效辐射电流。借鉴细线天线的阻抗分布规律,推导出柱体不同位置的分布电流,构成以柱体长度、半径以及观察角度为参数的感应场率矩阵。基于此,实现不同间距和长度的三根平行柱体的散射分析,并将计算结果与矩量法进行对比验证。结果表明,采用三维感应场率方法,只需计算单根柱体的感应场率矩阵,即可得出不同间距、不同长度柱体阵列的散射场,验证了三维感应场率法分析柱体阵列辐照特性的可行性。

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的实验设计

设计加工了一个L波段磁绝缘线振荡器 (MILO) ,并进行了实验研究。在二极管电压为 5 15～5 38kV ,二极管电流为 5 8～ 6 1kA的条件下 ,获得了频率为 1.76～ 1.78GHz,功率为 2 .2～ 2 .5GW的TM0 1模高功率微波辐射 ,功率转换效率为 7.3%～ 7.9%。

微波二极管检波特性分析

基于矩量法技术对微波二极管检波器的检波特性进行了分析.通过计算机仿真,研究了高频波纹及工作频率对微波二极管检波特性的影响.并将这一分析方法拓展到对倍压整流检波电路的分析,该方法已应用于设计微波电子标签的检波电路.在同等接收功率的条件下,倍压整流检波电路得到了更高的输出电压,提高了微波射频识别系统的灵敏度,取得了良好的预期效果.

S波段相对论速调管放大器的相位测量

基于高频信号相位测量原理,提出了S波段相对论速调管放大器相位测量的方法。对S波段800 kW速调管放大器进行了验证实验,并测试了S波段相对论速调管放大器的相位。实验结果表明:速调管输入和输出微波相位差随束压升高而减小,随束流升高而增大,微波相位差不随注入微波功率大小和磁场变化而变化。

钢筋网对高功率微波衰减特性的影响

模拟试验研究结合时域有限差分法,开展了不同直径、不同网孔、不同层间距、不同配筋形式的钢筋网模型对L,S,C,X不同波段高功率微波的衰减特性研究。研究结果表明:不同类型钢筋网对高功率微波有一定的屏蔽效能,当钢筋网的网孔略小于半波长时屏蔽效果好,层间距为四分之一波长的奇数倍时屏蔽效果好,错层配筋比平行配筋屏蔽效果好,不同形式的钢筋网在防护结构中可以合理地综合运用,以达到最佳防护效果。

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的粒子模拟

采取减小阴极杆半径和长度、阴阳极间隙、叶片的长度和厚度及慢波结构周期的办法构造了一种紧凑型磁绝缘线性振荡器(MILO),并用2.5维全电磁PIC方法对这一器件进行了粒子模拟研究。该装置主频为1.9GHz,饱和后平均输出功率达5.4GW,束波转换效率达12%。紧凑型MILO结构能避免电击穿,电子束发射的对称性较易控制。

介质单边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

针对介质单边二次电子倍增现象,理论分析给出了其动力学方程、二次电子初始能量与角度分布,结合二次电子发射的材料特性,研究了二次电子倍增的理论预估敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系;采用固定时间步长并考虑电子束动态加载饱和效应的细致蒙特卡罗方法,研究了二次电子数目、直流场、射频场、介质表面沉积功率、电子放电功率、二次电子碰撞能量及电子渡越时间等二次电子倍增特性物理量的变化过程,并且讨论了初始电流及二次电子倍增工作点对二次电子倍增整个过程的影响作用,得出了二次电子倍增存在初始阈值发射电流密度的结论。

带开口磁环的周期永磁聚焦系统的2维模拟

由于目前常用的磁聚焦系统设计方法不能直接计算带有非轴对称开口磁环的磁系统,因此在行波管磁系统实验测试基础上,提出了双面带极靴的开口磁环体积等效概念:将开口磁环等效为相等体积磁性材料的2维轴对称磁环,两者都双面带极靴时轴上的磁场值相等。使用2维电磁计算软件FEMM计算了采用该等效模型后的周期磁聚焦系统的轴上磁场值,计算结果与带有开口磁环的实际系统测试值符合良好,两者相差仅3×10-3T。该2维等效模型能代替开口磁环进行计算。

丛林地貌高功率微波传输散射特性

采用时域有限差分方法仿真分析了高功率微波在丛林地貌传输的双站散射特性,得到了不同入射角度下的双站散射规律,对比分析了利用数值和解析两种方法得到的丛林散射系数与掠射角关系。理论分析和数值计算结果表明:散射系数曲线存在布儒斯特角,且地貌电参数越大,布儒斯特角越小;掠射角小于布儒斯特角时,散射系数随掠射角的增大而减小;掠射角大于布儒斯特角时,散射系数随掠射角的增大而增大。水平面情况下的不同丛林类型双站散射系数变化趋势一致;对于介电常数相对较大的丛林地貌类型,通过镜面反射方向时域有限差分方法得到的半功率波瓣宽度较宽;同一丛林地貌类型不同均方根高度条件下,均方根高度增大,相干分量变小,非相干分量变大;不同入射角、相同地貌和电参数情况下,散射系数的峰值向对应的镜面反射方向移动。