有孔矩形腔屏蔽效能的传输线法分析

 首先介绍了用传输线法（transmission line method,TLM）分析有孔矩形腔屏蔽效能的基本原理，然后将基本公式作进一步扩展，使其能计算圆孔、多孔洞以及在任意极化方向时的情形。仿真结果表明：当频率低于主谐振频率时，离孔缝越近，耦合进的电磁能量越大；当处于谐振频率时，屏蔽腔与孔形成共振，屏蔽效能很低甚至为负，而且腔体内任何空间都如此；屏蔽效能随极化角度的递增而递减，低频段的屏蔽比高频段要好；对于相同面积的孔洞，单孔洞的屏蔽效能比多孔洞的屏蔽效能要差，孔洞越多，屏蔽效果越好，而圆形孔（等同于方形孔）的屏蔽效果最好。     

装有电路板孔阵矩形腔对快上升前沿电磁脉冲的屏蔽效能

 介绍了快上升前沿电磁脉冲的特性,用传输线法分析了孔阵矩形腔屏蔽效能的基本原理。将基本公式作进一步修正,使其能计算矩形腔内装有印刷电路板（PCB）的情形。对修正的传输线模型计算公式进行了扩展,使之能计算任意极化方向时的情况。计算和仿真结果表明: 当频率低于主谐振频率时,测量点离孔阵越近,屏蔽效能越差,同时低频段的屏蔽效能比高频段的要好;孔阵的屏蔽效能比相同面积单孔的要好;装有PCB腔体的屏蔽效能比空腔的要好,这在谐振区域内尤为突出;PCB板尺寸越大,屏蔽效能越好;屏蔽效能随极化角度的递增而增加;屏蔽体越小,屏蔽效果越好。     

有孔矩形金属腔体屏蔽效能的估算

 使用模式匹配法和基于矩量法求解的混合位积分方程预估了有孔缝金属屏蔽腔体的屏蔽效能,该算法考虑了孔缝厚度、孔缝形状、入射波极化方向及高次模等因素对屏蔽效能的影响。通过对经典孔缝电磁耦合模型的数值仿真,验证了该算法具有较高的准确性和计算效率。数值仿真表明：当屏蔽腔体上的孔缝为矩形且入射波的电场极化方向平行于矩形缝隙的短边时,对应于该极化方向的腔体屏蔽效能是所有极化方向中最差的;当频率低于主谐振频率时,测试点距离缝隙越近,该点的耦合场越强,屏蔽效能越差;在孔缝面积相同的情况下,正方形孔缝的屏蔽效能要优于矩形孔缝的屏蔽效能。     

带缝隙矩形腔的屏蔽效能传输线法修正及扩展分析

为研究入射电磁波与缝隙参量对矩形腔体屏蔽效能的影响,提出基于透射定律结合等效传输线方法对腔体的电磁屏蔽特性进行分析。详细推导了经缝隙透射进腔体内的电场,将透射电场作为等效电压源并对传统的传输线模型进行了修正,使之能计算任意方位入射的电磁波及缝隙偏离体壁中心时的情况;并对此方法的计算公式进行了扩展,使其能分析不同形状、孔阵、孔距及损耗等参量对腔体屏蔽效能的影响。研究表明:缝隙位于体壁中心时的屏蔽效能比靠近体壁边沿时差;相对入射角和方位角而言,极化角对腔体的屏蔽效能影响较大;在保持孔阵总面积不变的情况下,通过减小孔径来增加孔的数目或增大孔间距都可提高腔体的屏蔽效能;屏蔽体内损耗因子越大,则对腔体内的谐振频率抑制效果越明显。通过与腔体内谐振频率理论值、数值方法结果的比对分析表明,修正和扩展的解析方法结果可信,且利于各参量对腔体屏蔽效能的分析,适用范围更广。     

有孔双层屏蔽腔体的宽频带屏蔽效能

 用扩展为可分析腔内高次模的传输线方法研究了有孔双层屏蔽腔体的屏蔽效能,该方法可以考虑腔内较宽的频带范围。计算了双层屏蔽腔内电场的屏蔽系数,与单层屏蔽腔内屏蔽系数的比较表明,采用双层屏蔽使得腔体的屏蔽效能大为提高。分析了双层屏蔽腔体孔缝耦合的共振效应、腔内的谐振。结果表明：满足共振效应成立条件时双层屏蔽腔内也发生共振现象,屏蔽效能在共振频率附近明显降低;在腔内的谐振点屏蔽系数出现极小值,此时屏蔽效果较差;在0.1~4.5 GHz的范围内,屏蔽系数随着频率的增加总体上呈下降趋势。     

内部窗口结构对开孔矩形腔体近场屏蔽效能的影响

针对开孔屏蔽腔体内置窗口的结构特点,采用扩展的传输线方法理论,建立了电偶极子天线照射下计算近场屏蔽效能的等效电路模型,推导了近似计算解析式,并计算分析了内部窗口结构对开孔腔体近场屏蔽效能的影响.结果表明:含内置窗口结构腔体的近场电场屏蔽效能小于远场屏蔽效能,腔体屏蔽效能随窗口宽度的减小而增大,电感窗口使得腔体谐振频率向上偏移,电容窗口使其谐振频率向下偏移.分析结果与CST仿真结果进行了对比,证实本文采用的等效电路方法是有效的.     

频率选择表面结构的电子系统K/Ka波段电磁屏蔽分析

电子设备和无线技术不断向K/Ka波段发展以及电子系统集成度的不断提高给电子系统的电磁屏蔽设计带来了严峻挑战。提出一种将频率选择表面（FSS）用于电子系统屏蔽的新方法,可以替代传统散热孔阵,在满足通风散热性能的同时确保电子系统在5G毫米波段的电磁屏蔽性能。基于金属腔中心点屏蔽效能和全局屏蔽效能,分析了FSS孔阵排布方式、电磁波极化与入射角度对金属外壳电磁屏蔽效能（SE）的影响。结果表明:FSS孔阵排布方式对金属腔屏蔽性能的影响较小,并且SE不受入射电磁波极化方式影响;含FSS通风孔阵的金属外壳在23.0～25.5 GHz范围内屏蔽效能约为30 dB,比含传统散热孔阵金属腔屏蔽效能提高15 dB。     

建筑墙体对电磁脉冲响应的FDTD分析

 采用时域有限差分法和傅里叶变换对电磁脉冲作用于建筑墙体后发生的反射和透射进行了比较全面的研究分析。采用周期边界实现了不同建筑墙体对电磁脉冲响应的数值计算，对计算的结果进行了讨论分析，研究结果表明：钢筋阵对低频段的屏蔽效果很好，当频率增加时，屏蔽效果变差。混凝土墙的频域波形具有明显的周期性，存在许多谐振频率，谐振时透过很大，谐振频率由墙的厚度、磁导率和介电常数决定，要提高墙的屏蔽效果必须增加墙的电导率，以达到一个比较好的屏蔽效果。钢筋混凝土墙的屏蔽效果和反射特性由钢筋和混凝土墙共同调制决定。     

电磁脉冲斜入射时对孔缝耦合效应的数值分析

 利用时域有限差分法（FDTD）研究了电磁脉冲对不同孔洞的耦合规律。分别分析了电磁脉冲对正方形、长方形和多孔洞的耦合效应，讨论了不同极化方向的电磁脉冲对孔洞的耦合能量的规律。研究表明：电磁脉冲对正方形孔洞的耦合能量较小；而对长方形，当脉冲极化方向与长方形短边平行时，耦合能量最大；在孔洞面积相同的条件下，对多孔洞的能量耦合要比单孔洞小。     

有孔双层矩形金属机壳屏蔽效能

为了分析带有孔缝双层金属机壳的屏蔽效能,采用广义散射矩阵级联的思想,将多层金属腔体近似等效为若干个能够传输多个模式的波导级联,提出了一种使用模式匹配法和基于矩量法求解混合位积分方程的全波混合算法。该算法考虑了腔体结构、孔缝排列形式、入射波极化方向以及高次模等因素对屏蔽效能的影响。通过将数值仿真结果与经典算法仿真结果进行对比,验证了其具有较高的准确性和有效性。研究结果表明:双层金属腔体的屏蔽效能要优于单层金属腔体的屏蔽效能,适当地增加双层金属腔体上孔缝所在侧壁之间的距离可以提高屏蔽效能,当双层金属腔体侧壁上的孔缝平行排列时,平行极化下的屏蔽效能要优于垂直极化下的屏蔽效能,而当孔缝交叉排列时,平行极化和垂直极化下屏蔽效能的优劣则并不明显。     

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。     

平面磁绝缘线振荡器的作用机理及模拟设计

针对当前高功率微波(HPM)中的热点器件磁绝缘线振荡器(MILO) 频率低、效率低等问题,提出了一种可以沿x方向平面展开的平面MILO。该器件也是一种低阻抗高功率微波器件,通过一个低外加磁场来代替常规MILO中的磁绝缘电流,辅助实现器件的磁绝缘,从而实现器件效率的提高。结合PIC模拟,建立一个外加低磁场的C波段平面MILO,并根据其慢波结构(平面折绉表面)特点给出相应的色散曲线,确定微波器件工作点,利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,在输入为4.0 GW电功率(工作电压约800 kV)的条件下,模拟得到频率为6.56 GHz的微波输出,通过优化外加磁场,使得模拟微波输出功率达到1.22 GW,功率效率在C波段条件下超过30%。     

双频磁绝缘线振荡器二维周期结构研究

推导了双频磁绝缘线振荡器（BFMILO）慢波结构的本征方程,并研究了其色散特性和场分布.通过研究发现,通过引入角向分区,使BFMILO慢波结构表现出二维周期性的特点,在该慢波结构中,不同电磁模式集中在角向不同区域,传统磁绝缘线振荡器（MILO）中呈现竞争关系的两个不同电磁模式可以同时独立稳定地参与束-波换能,从而产生双频输出.该分析方法可以适用于多频磁绝缘线振荡器的研究. 关键词： 磁绝缘线振荡器 高频特性 双频 高功率微波     

X波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 在对磁绝缘线振荡器（MILO）慢波结构色散特性进行理论分析的基础上,结合负载限制型和渐变型MILO的特点,对X波段MILO慢波结构、阴极和中心阳极进行了设计。利用2.5维全电磁PIC程序进行粒子模拟,研究了输出功率与结构参数之间的关系,进一步优化MILO结构。在外加电压为510 kV,束流43 kA情况下,模拟得到平均功率2.83 GW的微波输出,中心频率为8.2 GHz,功率转换效率12.9%。     

一种改进型C波段磁绝缘线振荡器的数值模拟研究

 提出了一种改进型C波段磁绝缘线振荡器，并对其进行了优化设计。首先根据磁绝缘原理对慢波结构进行了理论分析，并选择了磁绝缘线振荡器阴极半径和主慢波结构的基本参数，然后用2.5维全电磁PIC方法研究了输出功率与其它参数之间的关系。模拟表明，优化结构可以在输入约21GW电功率（工作电压约500kV）的条件下，得到频率3.91GHz、平均功率2.71GW的微波输出，其饱和时间为10ns，平均效率为12.9%。     

高功率离子束在漂移管中的中性化传输

介绍了“闪光二号”加速器产生的高功率离子束在漂移管中的传输实验。对比了采用中性化措施前后的传输情况，分析了中性化措施对离子束束斑半径、束流均匀性的影响。根据实测的二极管电压模拟得到了传输一定距离后的束流波形，与实测结果符合较好。采取适当的中性化措施后，高功率离子束可以有效传输80 cm以上，束流发散得到抑制，束流均匀性得到改善。     

轴向分区双频磁绝缘线振荡器的数值模拟

 为了便于模式变换器的设计,达到双频微波都能集中辐射的目的,提出一种轴向分区的双频磁绝缘线振荡器,该器件束波互作用区为中间隔开、两端不同周期、不同深度的慢波结构,使电子在上下游与不同频率特性的慢波结构进行束波互作用,得到稳定的双频微波输出。使用2.5维全电磁粒子模拟软件进行数值模拟,在工作电压450 kV,电流40 kA条件下输出微波功率为1.4 GW,功率效率约为7%,输出的微波频率分别为1.25 GHz和1.65 GHz,两者频谱幅度相差约为1.5 dB,模式为TEM模。     

利用负载电流产生微波的新型MILO

 为了进一步提高MILO产生微波的功率和效率，提出了其负载电流能量全部利用来产生微波的新思想。设计并运用二维全电磁PIC方法模拟了基于此思想的新型MILO，它是传统MILO与VCO的有机结合(简称MVO)。模拟结果表明MVO中MILO部分与作为MILO负载的VCO部分各自工作正常，VCO部分产生微波的主频受MILO部分产生微波的牵引。在输入25GW电功率（工作电压约500kV）下，与相应传统MILO相比，MVO的微波平均输出功率提高了500MW，效率从6%提高到了8%。     

L波段紧凑型TEM-TE11模式转换器

设计了一种适用于窄带高功率微波源系统的紧凑型TEM-TE11模式转换器。该结构首先将同轴波导沿角向分区使微波在各分区内相位传播常数不同,然后将相位传播常数较大的分区进行横向折叠设计以缩短系统轴向长度。分区传播的微波在模式转换器末端相位差达到180时,合成同轴波导中TE11模式。为L波段磁绝缘振荡器设计了模式转换器,并采用数值仿真程序进行计算,在1.31 GHz中心频率上,模式转换器转换效率为95%;在1.23~1.40 GHz频率上,模式转换器效率大于90%,相对带宽13%。将模式转换器应用于磁绝缘振荡器,并测量了天线的定向辐射能力,所得结果与设计一致。     

Magnetically insulated transmission line oscillator oscillated in a modified HEM11 mode

This paper puts forward a novel magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) for the first time which takes a modified HEM11 mode as its main interaction mode. The excitation of the oscillation mode is made possible by carefully adjusting the arrangements of each resonant cavity in a two-dimensional (2-D) slow wave structure. The high frequency characteristics are analyzed and a PIC simulation is carried out; the detailed results are discussed to get a better understanding of this new MILO. Employing an electron beam of about 441 kV and 39.7 kA, it finds that the modified HEM11 mode MILO generates a high power microwave output of about 1.47 GW at 1.45 GHz. The power conversion efficiency is about 8.4% and the generated microwave is in a TE11-like circularly polarized mode; its polarization direction is decided by the rotation direction of the SWS.