铁电体移相器高功率微波应用研究

为拓展高功率微波阵列天线的波束扫描范围, 将铁电体移相器引入到高功率微波领域。分析铁电体移相器的工作原理, 并研究其应用于高功率微波领域可能遇到的问题, 利用时域有限差分法对高功率微波在铁电体材料中传播的简单模型进行分析, 研究了微波功率及偏置电场对输出波形的影响, 并进一步分析铁电体移相器应用于高功率微波领域的可行性。结果表明:在不考虑介质损耗的情形下, 选择适当的铁电体材料可以在10 cm内实现L波段180相移, 同时传输效率达到90%以上。     

一种基于波导并联结构的高功率铁氧体移相器

提出了一种多路波导并联结构,用于实现高功率移相器。目前的铁氧体移相器,为实现高功率容量,通常采用双铁氧体磁环结构。仿真分析了各尺寸参数对双环移相器传播模式、相移效率及功率容量的影响,并进行优化设计,使移相器功率容量达到百kW量级。基于双环形式,采用一种多路波导并联结构,使其功率容量达到MW量级。经匹配设计后,移相器在9.25~9.8 GHz频率范围内,驻波比小于1.4,饱和差相移在390左右,可实现X波段MW级高功率360电控移相。     

BEPCⅡ直线加速器微波系统

BEPCⅡ直线加速器微波系统要求的技术指标比旧系统有了大幅度的提高, 为此老系统的许多部件需要重新研制和改造. 本文首先介绍了关键部件的改造研制情况, 它包括能量倍增器、加速管、大功率波导阀门、大功率干负载及其中功率和高功率波导衰减/移相器; 其次简要介绍了微波系统高功率运行情况.     

一种高功率微波金属片波导移相器设计与特性分析

设计了一种高功率微波矩形波导移相器,在矩形波导中平行于电场放置金属片,沿波导宽边移动金属片,实现波导内的可变相移。通过优化设计波导和金属片的结构尺寸可实现0~360°相移,通过优化设计金属片过渡匹配结构可实现较低的插损。设计波导内为全金属结构,不存在介质材料,采用真空绝缘可以承受较高的功率传输。设计了中心频率为9.4GHz的金属片波导移相器,移相器最大插损小于0.2dB,功率容量设计达到64 MW。实验测试,移相器最大插损小于0.5dB,相频曲线呈线性关系。     

X波段高功率微波四路合成器的设计与仿真研究

为了获得更高的输出功率,开展了四路高功率微波合成器的设计与研究。运用极化正交模式耦合的方法,以及TE11模有垂直和水平两种耦合系数相差极大的极化状态,设计并验证两路三通道耦合器中电磁波相同模式和相同极化方向耦合及能量传输,最后在它们的理论与仿真基础上,设计一种可行的四路高功率微波合成器结构,使四路高功率微波利用波导合成并输出。该高功率微波合成器主要由输入段、耦合段及输出段三部分组成,合成器有四个输入段,并且与四个输入端口相连,四个输入段部分为副波导通道;主通道为输出段,与输出端口直接相连。四个副通道分别利用各自与主通道之间的狭长耦合缝将能量耦合到主通道中,经主通道输出口输出。利用电磁仿真模拟软件,副通道的能量耦合效率能够达到95%以上,可以有效实现四路微波高效合成,为功率合成器提供一种应用途径。     

L波段高功率波导缝隙阵设计与数值模拟

设计了一种基于宽边纵缝驻波阵的高功率射频微波辐射系统,系统由四路矩形波导以及聚四氟乙烯天线窗组成。天线内采用真空绝缘实现天线高功率容量,天线窗真空侧采用周期刻三角槽技术抑制高功率微波介质表面击穿。在波导缝隙阵与天线窗之间设计支撑板,除支撑天线窗外还可抑制表面波电流。采用HFSS数值模拟软件对辐射系统进行了优化设计。数值模拟结果表明,设计的辐射系统在频率为1.575 GHz时,增益为22.7 dBi,天线口径效率为98.3%,反射系数为-25 dB,带宽达到5%,带宽内天线增益波动小于等于0.4 dB、天线口径效率大于等于98%、主瓣指向偏差小于等于1.2。系统功率容量达到1.92 GW。     

金属超材料TEM-TE11高功率微波模式转换器北大核心CSCD

利用高折射率的金属超材料作为移相器,设计了一种紧凑型高功率微波TEM-TE_(11)模式转换器。通过研究同轴扇形金属栅格超材料的传输特性,得到高折射率的全金属超材料。采用CST Microwave Studio软件对金属超材料TEM-TE_(11)模式转换器进行了数值模拟,结果显示:该转换器在1.56 GHz附近转换效率大于96%,相对带宽约4%,功率容量不低于2 GW,系统纵向长度仅0.42个波长。将所设计的模式转换器结合L波段磁绝缘线振荡器开展了一体化设计,在器件输出口得到了TE_(11)模高功率微波输出。     

X波段高功率微波一维相扫漏波天线阵

研究了一种可一维相扫的X波段高功率微波漏波天线阵,该天线阵由高功率微波功分网络、移相器和漏波平面阵组成。漏波平面阵由8个矩波导漏波线阵组成,增益29.6dB,口面效率70%,设计功率容量0.91GW;功分器网络采用圆波导TM01-双矩波导TE01模式变换和串列式矩波导功分器形式,输出端口间的不平衡度小于1.6dB,设计功率容量1.1GW;移相器采用侧壁簧片弯进改变矩波导宽度,实现0~360°移相,单路功率容量150MW。整阵相扫性能的全波仿真分析结果表明,在主瓣增益下降3dB的情况下,扫描角度可达到±40°。     

基于反向传播神经网络PID的高功率微波炉温度控制

针对现有10 kW高功率工业微波炉,采用继电器作为控制执行器,在使用传统控制方法加热时,温度存在较大超调和明显振荡,系统温度稳定性较低,为解决上述问题将反向传播神经网络PID(BPNNPID)控制引入到该装置微波加热温度控制中,并以自来水为加热对象进行仿真对比与实验验证。首先,利用现有输入输出实验数据,建立工业微波炉温度控制模型;其次,运用MATLAB/SIMULINK搭建高功率工业微波炉温度控制系统并进行仿真对比实验;最后,实验验证BPNNPID控制方法在加热5 kg自来水时工业微波炉的温度控制性能,实验结果表明,较常规PID、模糊PID控制,该方法在微波加热过程中对媒质温度控制超调更小且未发生明显温度振荡,有效改善了高功率工业微波炉工作时的系统温度稳定性,有助于提高产品质量和安全性能。     

特种电磁材料对非核电磁脉冲的屏蔽效能测试

 采用了窄带和超宽谱高功率微波源，在微波暗室和开阔试验场地中建立了多个典型波段的微波辐射场；并利用辐射场测量系统，对多种测试样片和屏蔽室模型试验样片的屏蔽效能进行了试验。结果表明：当测试窗样片厚度(屏蔽室模型试验样片壁厚)大于30 mm时，对窄带高功率微波的屏蔽效能可达到80 dB以上，对超宽谱高功率微波的屏蔽效能可达到50 dB以上。该特种电磁材料可广泛应用于三级屏蔽要求的工程中，当周围的电磁环境以窄带微波为主时，可谨慎应用于屏蔽要求较高的防护工程中。     

同轴插板式相移器数值模拟与实验研究

 根据同轴插板式相移器的基本工作原理，对该相移器进行了数值模拟与优化设计，并重点研究了其结构工艺和相移控制方式。在此基础上研制了一个中心频率为4.1 GHz的相移器模型，并通过矢量网络分析仪进行了实验测量。测量结果表明：在4.0～4.2 GHz的频带范围内，该相移器可实现90°的相移量，相移量化精度为1°，相移精度为±１０°,相移器插损1.5 dB。     

高功率无移相器自旋转波束扫描天线设计

设计了一种无移相器结构的平板高功率天线,通过辐射层自旋转方式改变口径场相位分布,从而实现空间波束扫描,满足轻质、低剖面集成要求,辐射增益36 dB,波束扫描范围-30°至+30°,GW级功率容量,满足Ku波段工作的系统指标与能力要求。对天线进行了实物加工与测试,测试结果说明该天线具有良好的波束扫描特性和较高的口径辐射效率。无需加载移相馈电网络便可改变波束指向,具有伺服简单,结构紧凑,平面化、低剖面、轻质等优点,可广泛应用于机载、车载、舰载等高功率微波系统的表面共形发射。     

Fast quasi-optical phase shifter based on the effect of induced photo conductivity in silicon

We study, both numerically and experimentally, a microwave commutator (phase shifter), whose active element comprises a metal plane mirror with a semiconductor plate on it. Phase shifting of the reflected microwave beam is attained by creating a conducting layer in the semiconductor by a laser with quantum energy approximately equal to the forbidden band width. Using a disk of high-purity silicon and a titatnium-sapphire pulsed laser, we study experimentally a 180° phase shifter operated with a Gaussian wave beam at a frequency of 30 GHz. Efficient phase shifting of the wave beam over a time of several nanoseconds is shown at a low power level.     

Millimeter-wave electron-beam-switched resonance phase shifter

A powerful millimeter-wave phase shifter switched by an electron beam is studied. The operation of the device is based on the phase change in a wave reflected from a microwave resonator, depending on whether this resonator is or is not turned to resonance. Numerical simulation of several designs of the phase shifter is carried out, and the feasibility of its low-power operation is experimentally demonstrated. In the experiments, the typical time of phase change in the electromagnetic wave is 30 ns. It is shown that not only the electron beam, but also the near-electrode plasma, significantly influences the amount and time of phase change in the reflected wave.     

Effect of the microwave signal power on the controllability of a ferroelectric phase shifter

We consider a microwave phase shifter based on thin-film ferroelectric parallel-plate capacitors operating as a part of a phased array at an elevated microwave power level and for a limited power in the control circuits. To eliminate capacitance modulation in parallel-plate capacitors by an ac field, we propose the separation of the effects of the dc control voltage and the ac voltage based on the symmetry of the capacitance-voltage characteristic of the unit including two capacitors parallel-connected in the ac voltage U _ac and series-connected in dc voltage U _dc. The experiment shows that for U _dc > U _ac, the phase of the wave passing through the phase shifter weakly depends on the microwave signal power. The reflection phase shifter is tested for a pulsed power of the microwave signal up to 6 W and a power in the control circuit on the order of 10 μW.     

Nonlinear microwave phase shifter on electromagnetic-spin waves

Nonlinear microwave phase shifter based on a multiferroic structure consisting of layers of iron-yttrium garnet and barium—strontium titanate is studied experimentally. The structure is a waveguide for nonlinear electromagnetic-spin waves. The triple control over phase shift of electromagnetic-spin waves (namely, by varying the power of the input microwave signal, the magnetic bias field of the structure, and electric displacement field) is demonstrated.     

Array designs for amplitude and phase control of millimeter-wave beams

New array design concepts are described for the phase and amplitude control of millimeter and submillimeter-wave beams. Phase shifter array designs providing increased phase range and wider bandwidth are described. Techniques involving the integration of gain-producing elements as well as tuning elements on a single array are proposed for application to high-performance beam control and beam shaping. These concepts should facilitate the further development of quasi-optical solid state device-based arrays for application to millimeter-wave electronic systems.     

LHCD系统微波激励源性能优化设计

使用数字锁相环技术实现一定带宽内高精度可调节的频率输出,解决了速调管长期工作后响应频率发生偏移,模拟锁相环无法工作在系统最佳频率的问题;在移相器后增加功率幅度控制电路,保证了线性放大器的输出功率不会受到相位调节的影响;设计了一种基于数模转换(D/A)技术与微波电调技术相结合的波形控制单元,解决了激励源输出波形不可控的问题。通过以上三方面的改进,完成了HL-2M装置LHCD系统微波激励源的性能优化设计。