典型信息系统高功率微波扰乱效应监测方法研究

针对典型信息系统的高功率微波扰乱效应表征问题,以数字通信系统为主线,构建系统模型,分析了高功率微波环境可能对数字通信系统的影响,以及出现扰乱效应的具体表征,提出了基于数据流的扰乱效应监测方法,并开展了试验验证。研究表明,基于数据流的敏感监测机制可进一步捕获和解析典型信息系统在高功率微波作用时的具体状态与影响,可为判别影响等级、效应机理分析以及防护等提供理论支撑与依据。

锁频锁相的高功率微波器件技术研究

综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.

均压环在高功率微波辐射天线窗中的应用研究

针对HPM(High Power Microwave)辐射天线面临的功率容量(即辐射窗在真空侧的击穿)问题,论文借鉴脉冲功率系统中提高绝缘介质耐压强度的措施,利用微波辐射场中,当细导线同电场垂直时不影响天线辐射场的特点,在辐射窗中引入了均匀环。结合BWO(Backward-wave Oscillator)器件输出微波特点(输出微波模式为TM01模),将均压环安放在含刻槽介质面窗口,均压环与电场方向垂直,设计了基于均压环的新型HPM辐射天线窗,结合CST软件仿真可知,这种天线窗并不影响天线的辐射。将其应用于BWO实验,实验表明:在束压1 MV,束流10 kA,效率30%时,同普通天线窗相比较,得到器件脉宽从40 ns变为60 ns的稳定微波输出。

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。

高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化技术研究进展

传统的高功率重复频率脉冲功率源通常以低电压储能、升压、高压脉冲形成线、输出的顺序工作。因而系统至少包括低压储能和高压脉冲形成线两个储能环节,同时高压脉冲形成线的体积随着电压的升高快速增长。针对这些问题,课题组提出了一种高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化研究的设计思路和实现方式,并开展了相关技术研究。主要介绍了课题组在关键技术上取得的重要进展,包括高储能密度的储能/脉冲成形一体化技术、低抖动重复频率气体开关技术、低抖动高能触发技术、紧凑型Marx高压串叠技术等一系列关键技术。同时介绍了课题组研制的几种典型紧凑结构重复频率Marx型脉冲功率装置:同轴结构快Marx发生器、基于薄膜介质线的脉冲功率源、模块化低阻抗紧凑型Marx发生器、20GW高功率重复频率脉冲驱动源。通过探讨关键技术研究及其发展现状,为未来脉冲功率源小型化研究的发展和应用方向提供参考。

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。

宽谱窄脉冲高功率微波产生的初步研究

为了探索短电脉冲产生高功率微波技术,采用理论和粒子模拟方法分析了短电脉冲(脉宽不大于30ns)驱动S波段相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)产生高功率宽谱的技术可行性,开展了原理性的实验验证。采用Marx发生器产生的前沿15ns、后沿30ns、电压560kV、束流2.8kA的类三角形电子束脉冲激励REICO,模拟产生了410MW、脉宽8ns、相对瞬时带宽2.7%的微波,实验输出了160MW、脉宽10ns、中心频率2.75GHz、瞬时相对带宽2.8%的高功率微波。

X波段高重频长脉冲高功率多注相对论速调管放大器的设计与实验研究

多注相对论速调管放大器向工程化和实用化方向发展,需要进一步提高其工作重频和使用寿命.针对高功率多注相对论速调管放大器在输出腔间隙电子束换能后,会出现电子返流轰击输出腔表面,以及输出腔间隙电场过高产生射频击穿导致输出腔表面出现烧蚀的问题,本文分析了强流相对论电子束在器件中的返流过程,在此基础上设计了四间隙扩展互作用提取结构以避免电子返流和降低间隙电场,并提高器件工作寿命.同时针对高工作频段高过模器件中常规水冷却通道会影响输出微波模式的问题,设计了同轴TEM模-扇形TE10模-同轴TEM模-圆波导TM01模的模式变换结构,模式转换效率大于99.9%,避免了收集极水冷却通道对输出微波模式的影响,以提高器件工作重频.在重频45 Hz工作条件下,实验实现X波段长脉冲GW级高功率微波稳定输出,器件累计运行约10000次,输出微波参数无明显下降.

高功率微波波导缝隙阵宽角扫描特性研究（英文）

波导间缝隙的互耦会严重降低高功率微波宽边纵缝波导缝隙阵的宽角扫描能力。设计了一L波段高功率宽边纵缝波导缝隙阵,在阵列波导间设计扼流槽结构抑制缝隙互耦。数值模拟结果表明,没有扼流槽结构的阵列波束扫描增益下降3dB的角度为24.7°,具有扼流结构的阵列扫描增益下降3dB的角度为33°。同时扼流结构还可以明显改善阵列的有源反射系数,有扼流结构的阵列有源VSWR≤3的带宽为6.6%,而没有扼流结构的阵列有源VSWR≤3的带宽为5.0%。数值模拟结果还表明,波束扫描时(扫描角35°),阵列功率容量可达到957 MW,比阵列无波束扫描时(1.008GW)稍低一点。

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。

强流多注电子束高效率引入的模拟研究

强流相对论多注速调管相对于单注速调管具有导流系数低,输出功率高和效率高的优点,并且可以明显降低引导磁场强度,因此得到快速发展。但是其多注电子束引入漂移管效率低的问题,影响了多注速调管的整管效率,限制了其稳定高效运行和应用推广。论文采用粒子仿真软件CHIPIC对多注速调管二极管爆炸发射过程进行仿真研究,寻找影响多注速调管引入效率的主要因素,并对阴极结构进行了优化,设计出三种两段式新型多注阴极结构并进行冷阴极爆炸发射模拟研究。研究结果表明:给定参数下,常规结构由于底座边缘的不必要的环形电子束发射,只能达到82%的引入效率,而三种新型阴极结构通过抑制不必要电子发射,引入效率都可以提高至95%以上,最高达到99%。

基于薄膜介质线的紧凑型脉冲功率源设计与实验研究

介绍了一种基于薄膜介质线的紧凑型脉冲功率源的设计与实验,脉冲功率源系统体积约0.5m^3,输出功率大于4GW、脉宽约150ns。该脉冲功率源采用模块化设计,系统主要包括充电组件、薄膜介质线模块和气体火花间隙开关组三个部分。薄膜介质线储能介质为聚酰亚胺薄膜,为抑制电磁耦合以及电晕现象,匝间距选为30mm。优化设计的三电极场畸变开关直径150mm、高45mm、电感值16.2nH。为降低系统电感,薄膜介质线模块与开关间采用传输线的布线方式,中间绝缘采用聚酰亚胺膜,在2mm间距下实现了100kV耐压。

紧凑型脉冲功率驱动源设计与实验研究

利用碳酸钡基材料研制了一种环形脉冲形成线。对脉冲形成线的材料特性、电场分布对耐压影响进行分析和研究,通过优化结构设计、材料特性,提高了环形脉冲形成线的耐压水平。利用此脉冲形成线建立了37级Marx发生器,此发生器通过电感进行并联充电和串联放电工作。使用电磁仿真软件对系统结构进行了三维电场分析,分析结果表明,采用此环形脉冲形成线能够实现同轴设计,电场更加均匀,确定了满足紧凑化的最佳外形尺寸。实验结果表明,设计的脉冲功率驱动源在充电电压为±19kV的条件下,在二极管负载下得到了输出半高宽为65ns、电压为680kV的快高压脉冲。

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。

吉瓦级强流相对论多注电子束二极管的优化设计与实验研究

多注相对论速调管放大器可在较高的工作频段实现GW级功率微波产生,在很多领域得到了发展和应用.多注相对论速调管中强流相对论多注电子束相互之间存在空间电磁场的作用,使得多注电子束从二极管引入多注漂移管,以及在多注漂移管中的传输运动受到影响,导致电子束会轰击到管壁上,早期实验中多注电子束的传输通过率较低.本文对功率数GW的强流相对论多注电子束在二极管与多注漂移管中的运动过程进行了理论分析与粒子仿真模拟,得到强流相对论多注电子束的传输运动规律.对多注二极管的结构进行了优化设计,仿真设计实现强流相对论多注电子束的传输通过率达到99%,并且开展了验证实验研究,实验在电子束电压为801 kV,电流为9.3 kA的情况下,电子束的传输通过率达到92%.

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。

激光二极管触发光导开关实验研究

介绍了利用大功率半导体激光二极管触发3mm间隙GaAs光导开关、产生非线性电脉冲输出的实验,激光二极管输出功率为70W,上升前沿约20ns,脉冲半高宽(FWHM)约40ns。随着开关两端偏置场强增加,输出电压也线性增加,当偏置场强超过一定阈值,增至约2.53kV/mm时,经过一个较小的电压峰值和时间延迟后,输出电压急剧增加,产生雪崩现象。实验结果表明:GaAs开关非线性输出的产生与载流子聚集和碰撞电离有关,偏置电场的提高增加了开关芯片中载流子聚集数量,加剧了碰撞离化程度,从而使开关从线性模式进入雪崩模式。

L型脉冲形成网络的仿真与实验研究

研究了L型连接结构对脉冲形成网络输出波形的影响。采用有限积分法,对L型连接结构的脉冲形成网络进行三维建模和仿真,并将其与直线型连接结构的脉冲形成网络仿真结果进行比较。结果表明:L型结构的脉冲形成网络前沿与直线型结构基本一致,约为40ns,半高宽为168ns,比直线型小7ns,平顶处较直线型结构有所波动,表现为平顶后段幅度升高。通过对两种连接结构的脉冲形成网络进行高压实验,验证了仿真结果。在脉冲功率驱动源结构紧凑化的工程应用中,L型连接结构的输出波形能基本满足要求。