介质谐振器法测量超导薄膜微波表面阻抗

本文所用的测试方法为蓝宝石介质谐振器法,它采用一片超导薄膜替代谐振器的一端,通过测量微波介质谐振腔的品质因数和谐振频率随温度变化来确定超导薄膜的微波表面阻抗.本文设计和制作了一个工作于TE01δ模式,谐振频率在18.3GHz左右的蓝宝石介质谐振器,其无载品质因数在3K时可达到130000.用此方法可以对薄膜进行无损伤测量,测量后的薄膜还可继续使用.     

基于平面光波导谐振腔的可调谐光电振荡器

提出了一种基于平面光波导谐振腔的可调谐光电振荡器.该振荡器中,相位调制器串联光波导谐振腔,取代了传统系统中的强度调制器、长光纤和滤波器.由于光学谐振腔对光子频率和相位敏感,调节激光器改变输出光的波长,不仅可以调制光的强度,还可以对微波光子进行选频输出.当光子在波导腔中发生谐振时,产生很强的延时特性,可以取代传统系统中的长光纤.整个光电振荡器系统体积为长29.5cm、宽21cm、高7cm.实验中,改变0.1pm的光子波长,能够产生步长为12.535.5 MHz的调谐,调谐范围达2 GHz,且系统能够产生10 GHz的微波信号,在中心频率为10 GHz处其相位噪声为-109.7dBc/Hz@10kHz.该研究为光电振荡器的小型化和实用化提供了一种新的思路.     

无工质微波推力器推力测量实验

基于经典的电磁学理论, 本文建立了一套新概念空间推进装置-----无工质微波推力器系统, 这套装置可以直接把微波辐射能转换为推力而不需要任何推进介质. 与传统的空间推进装置不同, 该系统可以避免携带庞大的推进剂储箱并消除羽流对航天飞行器的污染. 该系统由集成在一起的圆台微波谐振腔、 微波源和负载组成, 其中微波源产生的微波辐射能被输入到圆台微波谐振腔内并形成纯驻波与电磁压强梯度, 从而沿圆台微波谐振腔轴线方向形成净推力. 本文根据随遇平衡原理, 通过克服推力器本身的自重和刚性阻力, 成功地测量出无工质微波推力器产生的净推力. 结果表明: 基于经典电磁学理论建立的无工质微波推进系统可以产生净推力; 当微波源输出2.45 GHz, 80---2500 W的微波功率时, 推力器产生的推力分布在70---720 mN范围内, 测量总误差小于12%.     

过耦合结构超导铝共面波导谐振器温度特性研究

制备了基于超导铝膜的四分之一波长反射型共面波导谐振器,并利用矢量网络分析仪测量了该谐振器在低温超导状态下的传输特性。实验结果表明:对于拥有较大耦合电容的超导共面波导谐振器,在超导状态下随着环境温度的升高,超导薄膜的表面阻抗会增大,进而谐振器的中心谐振频率降低,谐振峰变宽。温度越高,谐振频率随温度升高而向低频偏移的速率越快。另一方面,随着环境温度升高,谐振器的外部耦合品质因数和负载品质因数也都会降低。温度越高,谐振器品质因数随温度升高而降低的速率越快。用二能级理论解释了实验现象,品质因数理论计算值与实验测量结果相接近。     

高Q值跳频带通微波光子滤波器

提出一种基于Lyot-Sagnac滤波器和级联结构的高品质因数跳频带通微波光子滤波器.在该滤波系统中,利用宽带光源和Loyt-Sagnac滤波器原理实现波长间隔可变的连续光载波.利用相位调制器与单模光纤形成第一级单通带微波光子滤波器,光纤环形谐振器作为第二级滤波结构.经两级滤波器级联,实现高品质因数跳频单通带微波光子滤波器.在使用三段保偏光纤的情况下,通过调整偏振控制器的偏振状态,可实现滤波器中心频率在1.012 1GHz,1.214 5GHz,1.416 9GHz,1.619 3GHz,1.821 7GHz之间跳跃.由于采用了级联结构,所设计的滤波器继承了前后两级滤波器的共同优点,故滤波器的滤波特性良好,品质因数最高可达13 155.69;主旁瓣抑制比均在18dB以上,最高达25.51dB.且该装置结构简单,调谐便利.     

磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性研究

 利用数值方法计算了磁绝缘线振荡器(MILO)主慢波结构谐振腔和扼流腔的谐振频率和场分布。结果表明：当主慢波结构腔内半径为4.6 cm,扼流腔内半径为4.2 cm,阴极半径为3 cm时,MILO工作在3.6~4.4 GHz频率范围,扼流片可以阻止微波功率向脉冲功率源泄漏,这有利于提高器件微波输出的功率;4.5~4.9GHz频段为慢波结构的阻带,微波在该频段截止。计算了C波段MILO开放腔的谐振频率,当模式分别为3π/8,π/2,5π/8,3π/4时,其谐振频率分别为3.18,3.76,4.00,4.11 GHz;并通过实验测出了开放腔的谐振频率,其相应的值分别为3.80,3.94,4.08.4.18 GHz, Q分别为194,143,231,468。数值计算的谐振频率与实验测出的频率基本一致。     

低损耗材料微波介电性能测试中识别TE_(01d)模式的新方法

工作于TE_(01d)模式的金属谐振腔法是评价低损耗材料微波介电性能的通用方法.微波介质谐振器均为多模式谐振器,故正确识别TE_(01d)模式是微波介电测试的基础. TE_(01d)模式的识别可通过预测谐振频率及其随谐振器尺寸的变化、根据激励条件排除寄生模式等手段实现,但已有方法存在复杂、易识别错误等缺点.为此,本文发展了一种准确识别TE_(01d)模式的简单方法.这种方法引入了介电性能已知的低损耗参考试样,通过测试金属谐振腔中只放置参考试样及同时放置参考试样和待测试样时TE_(01d)模式的谐振频率,利用有限单元分析计算出待测试样的粗略介电常数,并进一步预测只放置待测试样时TE_(01d)模式的谐振频率.此谐振频率的预测值与测试结果相差1%以内,因此很容易将TE_(01d)模式与其他寄生模式区分开,进而实现TE_(01d)模式的准确识别.     

具有二维光子带隙结构的太赫兹谐振腔的谐振特性

采用数值计算方法,模拟了具有二维光子带隙结构的太赫兹频段谐振腔的谐振模式场分布,计算了这种谐振腔的品质因数,详细分析了光子晶体结构、缺陷腔几何参量对谐振特性的影响.计算得到频率落在光子晶体禁带内的单一、高阶谐振模式,且缺陷腔横向尺寸越大,谐振模式的阶数越高.这种谐振腔具有很高的品质因数,腔体的纵向长度对品质因数的影响较大.     

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%。     

结构偏心对开放式同轴谐振腔性能的影响

 采用CST微波工作室软件,数值模拟了内外导体轴线偏心对开放式同轴谐振腔的影响。结果表明：不管是内外导体的轴线发生平行偏心,还是倾斜偏心,都引起开放式同轴谐振腔的谐振频率、品质因数和场振幅实质性下降;其中,倾斜偏心产生的影响比平行偏心更为严重。     

微环芯腔与锥形纳米光纤耦合过程的实验研究

在实验上研究了共振于铯原子跃迁线附近的微环芯腔与锥形纳米光纤的耦合特性。通过精密控制微环芯腔与锥形纳米光纤的相对位置,实现了两者的欠耦合、临界耦合和过耦合的精确控制。当微环芯腔与锥形纳米光纤间距为0.6μm时,系统达到临界耦合,透射率为0.3%±0.3%,耦合效率为99.7%±0.3%。由微环芯腔透射光谱得到微环芯腔的自由光谱区为1067±5GHz,等效腔长为223±1μm,线宽为2.9±0.1GHz,本征品质因数为(6.2±0.6)×10~4。随着微环芯腔与锥形纳米光纤间距的减小,微环芯腔的线宽逐渐增大,共振频率发生红移,频率移动为19.2±0.1GHz。该研究找到了有效控制微环芯腔与锥形纳米光纤耦合状态的方法,为下一步实现微环芯腔与原子间强耦合奠定了实验基础。同时该研究加深了人们对微环芯腔不同耦合状态的认识,为研究欠耦合和过耦合状态提供了实验基础。     

L波段ESR谱仪用微波源和腔

叙述了L波段压控振荡源和谐振腔的结构和性能.振荡器的振荡频率可在0.9-1.07GHz范围变更,输出功率大于10mW.附有锯齿波产生器,能在扫频方式工作.样品腔为方柱裂缝腔,插入圆柱形样品时,频率改变较小.腔输入为磁耦合,改变线圈与腔之间的距离可以改变耦合度.     

Ka波段分布作用速调管多间隙谐振腔研究

谐振腔作为速调管的高频互作用电路,其特性对速调管的功率、效率、增益和带宽等性能具有决定性影响。主要介绍了某Ka波段分布作用速调管谐振腔的设计过程:基于多间隙谐振腔理论,利用电磁仿真软件CST详细分析了谐振腔不同结构尺寸对特性参数,如品质因子、特性阻抗、耦合系数、有效特性阻抗的影响,优化得到谐振频率为35 GHz的五间隙谐振腔的物理结构模型,并给出互作用仿真结果,为Ka波段分布作用速调管设计及其高频注波互作用的计算提供重要的参考和依据。     

Prediction and experimental measurement of the electromagnetic thrust generated by a microwave thruster system

A microwave thruster system that can convert microwave power directly to thrust without a gas propellant is developed. In the system, a cylindrical tapered resonance cavity and a magnetron microwave source are used respectively as the thruster cavity and the energy source to generate the electromagnetic wave. The wave is radiated into and then reflected from the cavity to form a pure standing wave with non-uniform electromagnetic pressure distribution. Consequently, a net electromagnetic thrust exerted on the axis of the thruster cavity appears, which is demonstrated through theoretical calculation based on the electromagnetic theory. The net electromagnetic thrust is also experimentally measured in the range from 70 mN to 720 mN when the microwave output power is from 80 W to 2500 W.     

Effect of Resonator Parameters on Frequency and Quality Factor of Gyrotron Resonators

The influence of some cavity parameters on the resonance frequency and quality factor is investigated with the aim of comparing various methods of optimization. As an example, the geometry of the designed resonator for an experiment on a multifrequency gyrotron that would operate at 140 GHz in the TE_22,8 mode is considered. This is a weakly–tapered conventional cavity resonator with parabolic–roundings. The influence of the roundings on the quality factor is at least as important as that of the cavity length and the output taper angle.     

高品质因数谐振腔的储能过程和泄能过程

为了计算高品质因数谐振腔的储能过程和泄能过程,将高品质因数谐振腔的输入膜片和输出结构分别建模为一个二端口网络和一个三端口网络,根据高品质因数谐振腔的信号流图,提出了一种基于递推的数值计算方法。用该方法设计了一个工作在2.92 GHz附近的基于BJ32波导的高品质因数谐振腔,给出了谐振腔的储能过程和泄能过程。当输入膜片开口宽度取20 mm、输出膜片开口宽度取60 mm时,计算得出的谐振频率为2.9198 GHz,饱和储能时间为2.6 μs,输出脉冲宽度6.82 ns,输出峰值增益为129.6,能量效率为0.169。     

基于同轴TM812模谐振腔的毫米波多注速调管

 研究了群聚电子注穿越同轴TM₈₁₂模谐振腔的换能效率和同轴TM₈₁₂模谐振腔中微波能量的提取方法,论证了其作为毫米波多注速调管的输出腔的可行性。研究结果表明:理想群聚电子注穿越同轴TM₈₁₂模谐振腔的换能效率可达3.29%,一般群聚电子注穿越同轴TM₈₁₂模谐振腔的换能效率可达1.86%;采用同轴TM₈₁₂模谐振腔与沿轴向的同轴线耦合可以实现微波能量的提取;在输出腔工作频率为100.945 GHz,外观品质因数为2 243情形下,根据估算,最大输出功率可达15 kW。     

左手介质对谐振腔谐振频率的影响

在谐振腔设计过程中, 谐振腔的品质因数以及谐振频率都是需要考虑的关键因素. 传统的方法是通过减小谐振腔的尺寸或者利用高次模来提高谐振腔的谐振频率, 但是由于两种方法都有其局限性, 导致设计结果并不理想. 通过理论计算与模拟仿真相结合的方法, 对影响谐振腔谐振频率的因素进行分析, 得出了填充介质的材料属性与谐振腔谐振频率的关系. 理论计算显示: 当用“左手介质”作为谐振腔的填充物质时, 可以在不改变谐振腔尺寸的基础上提高谐振频率. 高频结构仿真器(high frequency structure simulator)的仿真数据也证明了以上结果, 从而得出谐振腔的谐振频率可以不受谐振腔尺寸的限制. 相较于传统理论而言, 研究结论有进一步的发展, 为探索和设计新颖的谐振腔提供了理论依据.