高功率重复频率脉冲充电电源设计与实验研究

基于高功率重复频率脉冲功率源的需求,开展了高功率脉冲充电电源的重复频率特性研究,分析了基于全桥串联谐振充电原理的恒流充电技术。根据高功率Marx型脉冲功率源的工作要求,计算了串联谐振充电的各个关键参数。研制的紧凑型高功率脉冲充电电源,最大输出电压±50kV,充电电流2.5A,重复频率1~50Hz连续可调,可在重复频率条件下长时间稳定运行。该充电电源体积小、质量轻、抗干扰能力和抗负载短路能力强,已经应用于高功率重复频率脉冲功率源技术研究,实现了10万次重复频率无故障运行。

高功率超宽谱辐射源实验研究

对高功率超宽谱辐射源的参数进行了理论分析设计,对高压电源、脉冲产生、阻抗变换及传输线、天线等各部分的具体参数进行了分解匹配。根据理论计算结果,设计了一套高功率超宽谱辐射装置并进行了实验研究,对输出功率、辐射效率等进行了调试,在2.7Ω负载上获得脉冲输出功率超过30GW、脉冲宽度1.6ns,通过超宽谱Cassegrain双反射面天线辐射,等效辐射峰值功率超过2×1012 W,辐射因子超过8MV,H面与E面3dB宽度分别为2.35°和2.27°。

金属光子晶体高功率微波模式转换器冷测研究

研究了同轴传输线中金属光子晶体的电磁特性,在此基础上优化了一种适用于窄带高功率微波源系统的金属光子晶体TEM-TE11模式转换器。该结构通过沿传输线角向部分填充的金属光子晶体实现移相。采用数值仿真程序对L波段模式转换器进行计算,在1.57GHz中心频率上,模式转换器转换效率为99%;在1.533～1.609GHz频率范围内,模式转换器效率大于90%,相对带宽4.8%。加工了TEM模式激励器和辐射天线,并在微波暗室对模式转换器进行了小信号测试,验证了模式转换器的性能。

高功率微波大气击穿阈值分析及实验

对高功率微波脉冲的大气击穿进行了理论分析和数值模拟,推导了单脉冲和重复频率脉冲两种情况下电子数密度的变化表达式通过计算给出了在不同大气压强、脉冲宽度以及重复频率的条件下,高功率微波脉冲大气击穿阈值的变化规律。设计了高功率微波大气击穿实验系统,并开展了实验研究,实验的结果与数值模拟结果基本一致。

2.5GW长脉冲功率模块优化设计与实验研究

为LTD型重复频率脉冲驱动源研制了一种阻抗6Ω、功率2.5GW的长脉冲功率模块。为了提高单模块输出功率、优化模块空间结构、减小脉冲波形畸变,采用了两个放电开关同步驱动四条环形Blumlein PFN的设计思想,实现高压电脉冲对直线变压器初级线圈的四端口对称馈电。借助激光触发火花开关技术,初步开展了LTD电压叠加实验研究,在两级2.5GW脉冲功率模块上获得了功率5.2GW、半宽160ns、重频5Hz的脉冲输出。

百纳秒近方波高压脉冲形成模块的设计与实验研究

基于高功率脉冲功率系统小型化和模块化发展要求,研制了一种集储能和脉冲形成功能为一体的脉冲形成模块。通过发展非均匀脉冲形成技术,成功将传统脉冲形成网络的级数降至两级,并保持其输出波形为近方波,大幅降低了近方波脉冲形成模块的体积重量。模块内部电容采用串联分压结构以提高其耐电压值,采用折叠式薄膜电容以提高其储能密度,结合薄膜/变压器油混合绝缘方式,实现了紧凑化、耐高压设计。利用PSpice电路仿真,结合最坏情况模拟等方法,分析了模块内部电参数对其输出特性的影响,并进行了实验验证。模块耐电压值可达120kV,单次储能密度高达41kJ·m^(-3),可输出脉宽约180ns的近方波高压脉冲。该模块将传统需要五级以上的脉冲形成网络的实际应用发展到两级,有利于实现多级高压方波Marx系统的紧凑化、模块化设计。

固态高功率高重频脉冲源的研究与发展

全固态高功率高重频脉冲源技术是定向能武器高能激光、高功率微波发展的关键技术之一。重点介绍了固态脉冲源技术发展历程和国内外发展动态。总结了三类固态高功率高重频脉冲源研制设计方法与工作原理、核心关键技术、应用前景、发展启示,以供相关人员参考。固态高功率高重频脉冲源具有全固态、高功率、小体积、轻重量、高可靠、长寿命等优点,在“激光打靶受控核爆模拟”实验研究、闪光X光照像、超宽带雷达、超宽谱通信、电子对抗、瞬态测量仪器等领域有广泛的应用前景。

S波段相对论速调管二次微波提取技术的模拟研究

为了进一步提升相对论速调管的提取效率,本文利用理论和模拟相结合的方法,开展了S波段的相对论速调管放大器二次微波提取输出腔的研究,初级提取腔采用双间隙谐振腔,次级提取腔为单间隙谐振腔,并提出一种次级谐振腔的设计方法。模拟中采用预调制电子束(电子束电压900 kV、束流7. 5 kA、基波调制深度100%)激励输出腔。模拟结果表明:二次提取输出腔的初级和次级提取谐振腔分别输出2. 45和1. 0 GW的微波,总的输出微波约3. 5 GW,电子效率51%。设计的二次微波提取输出腔有效提高了相对论速调管放大器的效率,为高效率相对论速调管放大器提供新的途径。

高功率超宽谱脉冲产生实验

介绍了纳秒传输线充电技术的原理,利用该原理设计了高功率超宽谱脉冲产生实验装置,通过电路模拟计算分析了实验装置的工作过程。结合1.2MV高压脉冲电源开展了实验,实验中对输出脉冲形状、输出脉冲功率和工作稳定性进行了调试,在2.7Ω负载上获得输出功率大于30GW,脉冲宽度1.6ns,重复频率100Hz。系统运行稳定,达到设计要求。

可调频高功率宽谱微波的产生和辐射

设计了一种可调谐频率的高功率宽谱微波辐射装置,装置由可调谐长度的1/4波长低阻同轴谐振器、环形开关、电容耦合器和宽谱辐射天线组成,中心频率调谐为200～400MHz。低阻传输线与环形开关构成1/4波长短路谐振器,它产生的宽谱微波振荡通过耦合器耦合到宽谱辐射天线上辐射,而耦合器由集中电容与分布电感组成,实现宽谱微波在频率调谐范围内以较为一致的耦合度提取微波能量。通过转动螺杆滑动安装在同轴谐振器内芯上的环形开关,达到改变谐振频率的目的。最后,将可调频宽谱辐射装置与输出电压为500kV的Tesla变压器脉冲功率源联试,得到200～400MHz宽谱微波辐射,辐射因子为95～130kV,频谱百分比带宽为10%～30%。

紧凑型宽谱高功率微波辐射器仿真设计

为了提高宽谱高功率微波辐射源的辐射因子,提出采用双路同步输出的宽谱谐振器驱动2×2宽带高功率贴片天线阵的技术思路。设计了一种双路同步输出的宽谱高功率脉冲谐振器,由两个同轴谐振腔尾尾相连,并共用一个环形对地开关,实现两路宽谱脉冲的同步产生与输出,通过对"T"形充电结构进行优化,使输出宽谱脉冲幅值达到充电电压的0.89倍。2×2宽带高功率单层贴片天线阵采用气体基底和单层贴片结构以降低重量,单层贴片设计为E形以拓展工作带宽,通过对天线阵几何参数进行全局优化,优化后的天线阵百分比带宽为47%(驻波比VSWR小于2),中心频率300 MHz的增益为11.8dB。对天线阵工作过程中的电场强度分析表明,在天线罩内填充105 Pa的SF6气体时,理论功率容量可达到7.4GW。对整个辐射系统的电性能进行了仿真分析,系统的理论辐射因子可达谐振器充电电压的2.8倍。

X波段极化可重构高功率微波辐射器仿真设计

为了提高高频段高功率微波反射面天线的馈电效率,同时使波束波导馈线更加紧凑,提出一种新型的X波段极化可重构高功率微波辐射器结构。通过波纹喇叭辐射器产生准高斯的HE11模辐射,采用双相位修正镜组成的波束变换系统实现将准高斯波束转换为电场分布更为均匀的平顶波束或其余期望分布的波束,平顶分布的输出波束可使得馈源在相同介质窗尺寸下获得更高的功率容量,同时实现了波束传播方向的90°转弯;此外采用双圆极化栅网的级联组合,实现了对输出波束极化特性的调变。通过全电磁波仿真分析验证了该辐射器的设计思路。

高功率微波脉冲的相位测量方法初探

本文概述了常用的高频信号相位测量的方法,分析了鉴相器和数字示波器直接测量两种方法的不确定度来源,并设计实验系统对示波器直接测量的结果进行了不确定度分析,最后利用数字示波器对S波段相对论速调管放大器的相位进行了实验验证的测量,证实了该方法的可行性。

非线性传输线高功率实验

设计了基于交叉耦合铁氧体非线性传输线高功率射频微波产生系统,系统由脉冲形成线、非线性传输线以及高功率匹配负载(或组合振子辐射天线)组成。由100kV高压电源和高压微波电缆构成单传输线高功率脉冲形成线,形成线输出脉冲幅度35kV,脉冲半宽60ns。高压脉冲经过非线性传输线的脉冲压缩和调制,与高功率匹配负载相连时,实验得到了峰峰值31kV、中心频率308 MHz、3dB带宽为13%的射频振荡脉冲;与组合振子天线相连时,实验得到了中心频率380MHz、3dB带宽为12%的宽谱辐射。实验结果与数值模拟基本吻合。

L波段相对论磁控管长时间稳定运行实验研究

以实现GW级高功率微波源长时间稳定运行为目标,利用应用电子学研究所小型化Marx型脉冲功率源平台开展了L波段六腔衍射输出相对论磁控管长时间稳定运行实验研究。首先介绍了L波段六腔衍射输出相对论磁控管基本结构及长时间稳定运行实验装置基本情况,接着给出了测试系统布局及各参数测试方法,最后给出了实验研究结果:所研制的L波段衍射输出相对论磁控管在输出功率大于1 GW、重复频率10 Hz的条件下实现了超过55 min的长时间稳定运行,输出微波模式稳定,无竞争模式出现,中心频率为1.57 GHz。

超宽带折线型TEM喇叭天线实验研究

基于功率容量和口径匹配的考虑,设计了一种超宽带折线型TEM喇叭天线。相比传统恒阻抗TEM喇叭,主要改进在于采用了同轴到平板过渡的馈入结构,辐射极板改为两段折线形式。通过理论模拟和实验研究对两种天线的输入、辐射特性进行了比较和分析。结果表明:采用960ps宽度的高斯脉冲激励,同轴平板过渡峰值功率传输效率达到85%;相比于恒阻抗喇叭,折线TEM喇叭辐射峰值电场提高30%,H面方向图主瓣宽度由80°压缩至60°,同时改善了700 MHz频带内的传输辐射特性,瞬态脉冲峰值功率容量达到15GW。

耦合近场仿真及初步验模测试实验研究

针对电磁耦合仿真结果的校验需求,建立了基于光纤电场传感器的验模测试实验系统,对某模型的仿真结果进行了近场耦合验模测试。初步实验结果表明,在一定区域内,测试结果与仿真结果呈现趋势性一致,并对部分区域与仿真结果不符合的原因进行了分析,为下一步仿真模型优化和测试方法手段改进奠定了基础。

高功率微波孔缝击穿特性

针对微波通过封装腔体狭缝出现的共振增强效应和击穿特性开展研究,重点研究影响高功率微波辐射传输通道上的防护因素—微波击穿时间、传输能量等。研究结果表明:在微波击穿防护过程中,如果在腔体强电场区域存在自由电子,使得不存在较长的击穿时间延迟条件下,那么微波击穿将会是限制高功率微波通过狭缝进行能量传输的有效方法。

95GHz准光模式转换器实验研究

介绍了采用95 GHz准光模式转换器将TE62模式转换为高斯波束的实验测试结果。准光模式转换器由螺旋切口的Vlasov辐射器、一个准抛物柱面反射镜和两个相位修正镜组成。将半径5.62 mm圆波导内的TE62模式转换为束腰直径22.4 mm的高斯波束。实验采用毫米波天线近场扫描测试系统测试,实验结果表明标量转换效率大于97%,矢量转换效率大于88%。

X波段低磁场相对论返波管振荡器实验研究

基于现有永磁磁体的参数,并结合高功率微波器件的优点,设计了一个X波段低磁场相对论返波管振荡器,当引导磁场强度为0.48T、二极管束压和束流分别为530 k V和7.0 k A时,通过粒子模拟软件得到频率9.42GHz、功率1.11GW的模拟微波输出,器件束波转换效率30%。在强流电子束加速器平台上进行实验研究,当二极管电压500k V、电流6.2k A、引导磁场强度0.46T时,得到频率为9.40GHz、功率为900MW、脉宽为32ns的微波输出。该实验结果为低磁场器件实现高功率、高效率微波输出及永磁包装打下了良好的基础。