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30 ns）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15 ns、后沿30 ns、电压560 kV、束流2.8 kA的类三角形电子束脉冲激励REICO,模拟产生了410 MW、脉宽8 ns、相对瞬时带宽2.7%的微波,实验输出了160 MW、脉宽10 ns、中心频率2.75 GHz、瞬时相对带宽2.8%的高功率微波。     

一种紧凑型宽带高功率微波源设计与测试研究

设计了一款体积紧凑、工作在特高频波段的宽带高功率微波源,系统利用24 V蓄电池供电,Marx发生器作为驱动源,采用四分之一波长开关振荡器调制产生宽带电磁脉冲,激励高功率微带平板天线辐射,测试结果显示系统工作中心频率为425 MHz,远场辐射场强-距离积峰峰值为91.5 kV@1 m,该微波源体积尺寸为871 mm×370 mm×330 mm,含电池质量小于43 kg,拓展了宽带高功率微波技术在无人机、机器人等平台的应用前景。     

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200～400 MHz。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500 kV的Tesla变压器脉冲功率源联试,得到200～400 MHz宽谱微波辐射,辐射因子为95～130 kV,频谱百分比带宽为10%～30%。     

高功率微波振荡器的相位控制

基于相对论返波管振荡器,提出了一种小信号牵引相位控制的方法,通过外加小信号对振荡器起振过程的引导,实现对输出微波的相位控制。相比于传统的方法,该方法可以利用ns量级的脉冲在较宽的带宽和较低的注入功率下实现对高功率微波振荡器的相位控制。在X波段相对论返波管振荡器相位控制实验中,利用百kW级的小信号,实现了对GW级高功率微波的输出相位控制,相位抖动小于15。     

高功率微波振荡器的相位控制

基于相对论返波管振荡器,提出了一种小信号牵引相位控制的方法,通过外加小信号对振荡器起振过程的引导,实现对输出微波的相位控制。相比于传统的方法,该方法可以利用ns量级的脉冲在较宽的带宽和较低的注入功率下实现对高功率微波振荡器的相位控制。在X波段相对论返波管振荡器相位控制实验中,利用百kW级的小信号,实现了对GW级高功率微波的输出相位控制,相位抖动小于±15°。     

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22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。22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11.8 dB。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7.4 GW。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。     

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。     

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.     

低阻抗紧凑型Marx直接驱动高功率微波源北大核心CSCD

研制了一套紧凑型脉冲功率源系统,用于驱动低阻抗磁绝缘线振荡器(MILO)。脉冲功率源采用Marx发生器技术路线,由10级电容和开关组成,单级电容为100nF/100kV电容,开关采用环形轨道气体火花间隙开关,通过紧凑型结构设计,降低系统回路电感,采用电阻作为级间放电的隔离元件,整个Marx发生器系统放置于变压器绝缘油中,以实现高压绝缘。Marx发生器系统充电电压为±50kV,总储能5kJ,在12Ω的水负载上可以获得600kV,50kA的脉冲输出,脉冲上升时间小于100ns。系统尺寸为1.2m×0.5m×0.6m。基于该低阻抗脉冲功率系统,直接驱动低阻抗磁绝缘线振荡器。在二极管电压约450kV,电流约40kA条件下,测得辐射微波功率约400MW,微波脉宽约60ns,微波频率1.23GHz,辐射微波模式为TM01模。     

高功率宽谱开关振荡器

采用1/4波长开关同轴谐振器技术路线,开展了高功率宽谱微波产生及耦合输出技术研究。设计振荡器工作在200 MHz,低阻抗1/4波长同轴传输线与传输线一端的环形多通道气体火花开关构成谐振器,耦合器由集中电容和分布电感构成,实现宽谱微波的能量提取。通过数值模拟研究了振荡器的振荡及耦合输出过程,分析了高压脉冲馈入方式、谐振器阻抗特性及开关齿槽结构对环形开关导通特性的影响。数值模拟和实验结果证明,采用直馈方式、高阻结构和齿槽结构有利于形成开关多通道导通,并提高开关导通的稳定性。在输出电压为500 kV的Marx脉冲功率源平台上构建了高功率宽谱微波产生实验装置,实验得到的宽谱微波振荡频率为195 MHz,辐射因子约150 kV,频谱带宽约30%。     

小型超宽谱高功率微波辐射系统

小型超宽谱高功率微波辐射系统由Tesla型100 kV级ns脉冲源、Peaking-Chopping型亚纳秒气体开关及TEM喇叭天线构成。系统重复运行频率100 Hz,辐射因子rEp值75 kV,主轴辐射场中心频率520 MHz,-3 dB频谱范围230~810 MHz。系统集成于一便携箱内,体积为80 cm50 cm26 cm,质量约45 kg。该系统结构紧凑,能够快速展开和撤收,可方便用于超宽谱高功率微波应用技术研究。     

小型超宽谱高功率微波辐射系统

小型超宽谱高功率微波辐射系统由Tesla型100 kV级ns脉冲源、Peaking-Chopping型亚纳秒气体开关及TEM喇叭天线构成。系统重复运行频率100 Hz,辐射因子rEp值75 kV,主轴辐射场中心频率520 MHz,-3 dB频谱范围230~810 MHz。系统集成于一便携箱内,体积为80 cm50 cm26 cm,质量约45 kg。该系统结构紧凑,能够快速展开和撤收,可方便用于超宽谱高功率微波应用技术研究。     

X波段长脉冲高功率微波产生的实验研究

获得长脉冲高功率微波（HPM）输出是HPM源技术追求的重要目标之一。从物理机理上分析了影响慢波结构HPM器件实现长脉冲HPM输出的因素,并利用长脉冲脉冲功率源和过模慢波结构HPM器件,开展了X波段长脉冲HPM产生实验。实验中,采用介质-铜阴极,并在慢波结构表面镀Cr,在导引磁场约0.7 T、二极管电压约400 kV、电流约10 kA、束流脉宽200 ns的条件下,获得了功率500 MW、脉宽约100 ns、主模为TM01的X波段长脉冲HPM输出。对实验结果的分析表明,脉冲功率源与HPM器件的阻抗不匹配,是导致HPM器件输出微波脉宽比电子束脉宽短、以及HPM器件输出微波功率效率较低的主要原因。     

X波段长脉冲高功率微波产生的实验研究

 获得长脉冲高功率微波（HPM）输出是HPM源技术追求的重要目标之一。从物理机理上分析了影响慢波结构HPM器件实现长脉冲HPM输出的因素,并利用长脉冲脉冲功率源和过模慢波结构HPM器件,开展了X波段长脉冲HPM产生实验。实验中,采用介质-铜阴极,并在慢波结构表面镀Cr,在导引磁场约0.7 T、二极管电压约400 kV、电流约10 kA、束流脉宽200 ns的条件下,获得了功率500 MW、脉宽约100 ns、主模为TM₀₁的X波段长脉冲HPM输出。对实验结果的分析表明,脉冲功率源与HPM器件的阻抗不匹配,是导致HPM器件输出微波脉宽比电子束脉宽短、以及HPM器件输出微波功率效率较低的主要原因。     

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1.2 MV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2.7 Ω负载上获得输出功率大于30 GW,脉冲宽度1.6 ns,重复频率100 Hz。系统运行稳定,达到设计要求。     

重复频率高功率微波脉冲的大气击穿

理论研究了重复频率高功率微波脉冲在大气中的传输特性,推导了n个高功率微波脉冲之后空间某点的电子密度,数值模拟并给出了在不同微波频率、大气压强、脉冲宽度以及脉冲间隔的条件下,大气击穿时,透射过去的脉冲个数与微波功率的关系。模拟结果表明：当微波脉冲参数一定时,压强越小,透射过去的脉冲个数越少,大气越容易发生击穿;当压强一定时,脉宽越宽,微波频率越小,透射过去的脉冲个数越少,大气越容易发生击穿。     

重复频率高功率微波脉冲的大气击穿

 理论研究了重复频率高功率微波脉冲在大气中的传输特性,推导了n个高功率微波脉冲之后空间某点的电子密度,数值模拟并给出了在不同微波频率、大气压强、脉冲宽度以及脉冲间隔的条件下,大气击穿时,透射过去的脉冲个数与微波功率的关系。模拟结果表明：当微波脉冲参数一定时,压强越小,透射过去的脉冲个数越少,大气越容易发生击穿;当压强一定时,脉宽越宽,微波频率越小,透射过去的脉冲个数越少,大气越容易发生击穿。     

T形高功率微波功率合成器的初步实验研究

初步实验研究一种新型插片式功率合成器,它具有结构紧凑、容易加工、功率容量高等优点。该器件通过在两个相互垂直的过模矩形波导中放置两组金属插板,来实现线极化高功率微波的双路非相干通道功率合成。在对该器件进行初步结构优化设计的基础上,对器件进行了初步实验研究。冷测实验结果表明：该器件在两个通道中均有效实现了单模传输,器件的反射损耗小于0.4 dB;热测实验结果表明：器件可以承受2 GW以上的高功率,功率容量满足需求。     

T形高功率微波功率合成器的初步实验研究

 初步实验研究一种新型插片式功率合成器,它具有结构紧凑、容易加工、功率容量高等优点。该器件通过在两个相互垂直的过模矩形波导中放置两组金属插板,来实现线极化高功率微波的双路非相干通道功率合成。在对该器件进行初步结构优化设计的基础上,对器件进行了初步实验研究。冷测实验结果表明：该器件在两个通道中均有效实现了单模传输,器件的反射损耗小于0.4 dB;热测实验结果表明：器件可以承受2 GW以上的高功率,功率容量满足需求。