系统电磁脉冲综合环境中导线响应的计算

采用时域有限差分法(FDTD)、粒子模拟(PIC)方法和Holland细线算法,对圆柱腔体内带负载导线的系统电磁脉冲(SGEMP)综合环境响应进行了模拟。计算结果表明:导线负载上的响应电流从大到小依次由透射X射线、SGEMP场和前向电子产生;透射X射线和前向电子产生的响应电流极性相反;SGEMP场在导线负载上响应电流的极性与场分布有关;3种环境在负载上的综合响应中透射X射线的响应最大。对于腔体内的导线来说,SGEMP综合环境防护时透射X射线是重点考虑的因素。     

电磁脉冲对细线耦合的时域多分辨分析

 对利用时域多分辨分析(MRTD)方法计算电磁脉冲(EMP)与细线耦合的问题进行了研究。将传统Holland细线算法应用到时域多分辨分析当中，推导出了MRTD方法中对细线结构处理的一种算法，并给出了具体的计算步骤和相关参数的选取方法。计算表明，采用MRTD方法计算细线问题，可以取较大的空间步长，一般可以取到最短工作波长的1/4左右，有效地节约了计算资源；MRTD方法也可以较方便地处理细线位于大地附近的情况，为计算地面铺设较长细线的EMP耦合提供了一种途径。     

粒子模拟中的时偏FDTD算法

给出一种能自动对高频噪声进行过滤的时域有限差分(FDTD)算法,称为时偏FDTD算法.在中心差分FDTD算法的基础上,引入时间偏置和松弛迭代处理,得到该算法的计算公式,并进行稳定性与收敛性分析.通过对相对论磁控管的计算,与中心差分FDTD算法比较,验证了该算法的滤波特性.     

导线X射线瞬态响应的数值计算

 针对裸线和带保护层导线两种不同的物理结构,分别应用Holland细线模型和时域传输线模型,结合实验结论,计算了负载大小、导线半径、X射线能量以及保护层厚度等对导线X射线瞬态响应的影响。计算结果表明,负载较小时,负载变化对负载电压电流、负载功率和负载能量的影响不大,负载较大时,对响应的影响比较大;负载增大时,负载电流响应脉宽增加、幅度减小,负载功率存在最大值,但是,负载吸收能量却一直增大;负载响应与导线半径成正比、与X射线能量成反比;变化保护层厚度时,负载响应存在峰值;由于保护层内负电荷的影响,相同X射线和导线半径条件下,带保护层导线比裸线的响应至少小一个量级。     

交隐式BOR-FDTD在非核电磁脉冲导线耦合分析中的应用

 交隐式BOR-FDTD能将3维空间电磁问题转换到2维空间处理,具有节省计算时间和计算机内存的优点。运用该算法结合平面波的柱面波展开,通过总场/散射场连接边界条件引入入射平面波,计算了高功率微波和超宽带电磁脉冲作用下自由空间有限长导线上的感应电流,并对感应电流峰值和导线长度之间的变化关系进行了分析。计算结果表明:与传统3维FDTD算法比较,交隐式BOR-FDTD算法在节省大量计算机内存的同时可将计算速度提高数倍。     

任意形状金属腔体内电磁脉冲的三维计算

提出了模拟任意形状腔体中的内电磁脉冲的三维直角坐标系时域有限差分(FDTD)算法。该算法采用FDTD共形网格技术模拟任意形状腔体的边界,可以解决腔体内非对称的边界问题。推导了射线斜入射的差分方程,进行了三维数值计算,并采用直角坐标系FDTD算法和柱坐标系FDTD算法计算了射线斜入射圆柱腔体产生的内电磁脉冲,二者吻合很好,验证了直角坐标系FDTD算法正确性。     

分析端接频变负载的多导体传输线FDTD新方法

提出了一种新的有效求解端接频变负载的时域有限差分法（FDTD）.该方法将频域导纳经矢量匹配后以有理式表示,通过逆傅里叶变换将其转换到时域,基于分段线性递归卷积法,推导出该导纳两端的电压和电流关系,将其代入到传输线FDTD模型中,得到了求解端接频变负载多导体（MTL）传输线FDTD的一般公式.对一典型电路进行了仿真,和以状态变量法求解任意负载的结果进行了对比,两者基本重合,说明该方法用来求解频变负载是有效的. 关键词： 多导体传输线 分段线性递归卷积 时域有限差分法 任意负载     

基于FDTD的时域混合方法及其在天线前门耦合数值模拟中的应用

强电磁脉冲环境下的平台-机载天线一体化耦合计算属于典型多尺度时域电磁计算问题,采用传统的FDTD方法数值模拟时,由于精细结构的存在导致网格量巨大,计算效率低下。介绍了一种将非均匀FDTD方法与细导线FDTD方法以及多网格集总元件FDTD方法相结合的时域混合方法,能够有效降低计算开销,结合并行计算技术,快速计算得到天线端口上耦合产生的瞬态电压和电流响应,并将该方法成功应用于无人机平台-天线一体化前门耦合数值模拟中。     

互连导线串扰问题的人工神经网络预测

提出应用人工神经网络对互连导线间串扰问题进行预测的方法.选择对互连导线串扰响应有影响的相关参数作为输入预测因子,用基于误差反向传播的BP网络构造输入预测因子与串扰响应输出之间的映射关系,并用MTL和FDTD法计算获得的训练样本集对构造好的BP网络进行训练,建立基于BP网络的导线串扰的预测模型.最后,将串扰的BP预测结果和和测试样本进行比较,表明该方法有效.     

电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆蒙皮电流分布的时域计算方法研究

为克服传输线理论方法求解电磁脉冲电缆耦合问题存在的不足,对电磁脉冲电缆耦合问题进行了时域求解方法的研究。引入了适用于电磁脉冲电缆耦合问题数值求解的基于细线散射的时域有限差分(FDTD)法,将Gedney's PML进行了扩展,使其可以用于各向同性有耗计算域截断问题的处理。利用建立的数值方法,模拟了电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆引起的蒙皮感应电流分布规律及波形特征,并利用辐射波电磁脉冲模拟器对该问题进行了实验研究。计算与实验结果在误差范围内的一致性证明了数值结果的可靠性,以及该时域计算方法在处理电磁脉冲电缆耦合问题的可靠性。     

A STUDY OF HIGH POWER MICROWAVE AIR BREAKDOWN

This paper presents the results of research on microwave breakdown in air, it includes the experimental study and the theoretical analysis. The experimental study has been done in a waveguide with a frequency of 9.37GHz, the peak power up to 200kW, pulse width from 0.3 to 2.0μs. The repetition rate of microwave source is from single pulse to 970 pulse per second. The process of the breakdown of repetition pulse has also been recorded for a burst of ten pulses. A theoretical model for breakdown threshold is presented also. The theoretical are in good agreement with the experimental ones.     

集成电路器件微波损伤效应实验研究

 主要介绍了微波脉冲参数变化对集成电路器件微波易损性的影响。实验表明：集成电路器件损伤功率阈值随着微波频率的增加而增大，随着脉冲重复频率的增加而减小。随脉冲宽度的变化较为复杂，总体是随着脉冲宽度的增加损伤功率阈值逐渐降低，但存在一拐点区域（约100ns），在此区域后，脉冲宽度增加但器件损伤功率阈值变化不甚明显。器件损伤功率阈值基本呈正态分布，且方差较小，因此，器件的损伤概率近似于0~1分布。     

紧凑重频PFN-Marx脉冲发生器

研制了一台紧凑重频脉冲形成网络(PFN)-Marx脉冲发生器,由PFN-Marx发生器、脉冲充电单元、重频触发单元等组成。PFN-Marx发生器模块采用全电感隔离,直径为480 mm,长度为700 mm。脉冲充电单元采用中储电容加脉冲变压器方法,单次充电可以满足10次输出。重频触发单元采用变压器和磁开关一体化设计的全固态Marx发生器技术,输出电压大于50 kV,前沿小于100 ns。脉冲发生器早期输出电参数为单次10 GW,脉冲宽度100 ns,前沿10 ns,阻抗40 。重频工作时输出功率7 GW,频率5 Hz。后期调整后电参数更改为单次10 GW,脉冲宽度70 ns,前沿10 ns,阻抗50 。重复频率工作时稳定输出功率8 GW,频率10 Hz,单串10个脉冲。初步的应用研究中,利用改进后的平台,在5 GW条件下驱动磁控管获得了S波段约1 GW的微波输出。     

重复频率X波段类周期加载微波腔的实验研究

在CHP-01加速器上对我所提出的X波段类周期加载微波腔进行了实验研究. 在实验中,首先对加速器进行了调试,使其能够稳定运行;然后对磁场、电压等参数与微波输出的关系进行了研究; 最后在二极管电压约为790kV、电流约为6.7kA时得到了微波输出功率为1.4GW、微波频率为9.4GHz、微波脉宽为30ns、束波转换效率为26%的实验结果.     

X波段重复频率GW级超辐射相对论返波管

运用超辐射机理,通过粒子模拟设计了X波段超辐射相对论返波管,并在小型Tesla脉冲源平台上开展了实验研究。通过空间功率积分和直接对辐射微波时域波形的分析得到实验结果:在束压350 kV、束流4.8 kA、脉宽3.1 ns、引导磁场2.2 T条件下,产生的微波辐射功率1.4 GW,中心频率9.36 GHz,脉宽500~700 ps,辐射模式为TE11,能在重复频率100 Hz下稳定运行。功率转换效率超过80%。实验结果与粒子模拟结果比较吻合,成功实现了在短脉冲条件下产生重复频率、亚纳秒脉宽、GW级微波辐射。     

基于SOS和LTD技术的高重复频率脉冲发生器

提出了磁饱和直线变压器驱动源(LTD)泵浦半导体断路开关(SOS)产生高重复频率短脉冲的技术路线。利用LTD初次级线圈为单匝同轴结构和磁芯可饱和的特点,实现快速反向泵浦SOS,通过多级LTD模块叠加获得高电压输出。采用射频金属氧化物场效应晶体管(RF MOSFET)作为LTD初级电路的主开关,将SOS正向泵浦电流脉冲时间降至数十ns,泵浦电流脉冲重复频率最高可达MHz。最终研制出一台基于SOS的10级磁饱和LTD型脉冲发生器,输出电压约11kV,电流220A,脉冲宽度约2ns,重复频率为20kHz。实验验证了磁饱和直线脉冲变压器泵浦SOS产生高重复频率短脉冲的技术路线可行。     

Effect of air breakdown on microwave pulse energy transmission

The energy transmission of the long microwave pulse for the frequency of 2.45 GHz and 5.8 GHz is studied by using the electron fluid model, where the rate coefficients are deduced from the Boltzmann equation solver named BOLSIG+. The breakdown thresholds for different air pressures and incident pulse parameters are predicted, which show good agreement with the experimental data. Below the breakdown threshold, the transmitted pulse energy is proportional to the square of the incident electric field amplitude. When the incident electric field amplitude higher than the breakdown threshold increases,the transmitted pulse energy decreases monotonously at a high air pressure, while at a low air pressure it first decreases and then increases. We also compare the pulse energy transmission for the frequency of 2.45 GHz with the case of 5.8 GHz.     

利用波导截止特性测量微波源辐射功率

 对波导的截止特性作了理论分析，并分析了利用该特性进行高功率微波功率测量的可行性及准确性。在远场条件下，利用该特性对工作频率为1.75 GHz的磁绝缘线振荡器进行了微波功率测量。测量结果表明：微波源辐射功率2.3 GW，辐射模式为TM01主模，实测辐射模式方向图与模拟计算结果一致，微波脉宽大于40 ns，未发现明显的功率击穿现象；使用波导截止特性测量微波功率是可行的，有利于防止接收喇叭的功率击穿，测量精度较高。     

开放空间重复频率微波脉冲击穿概率理论与实验研究

综合考虑有效初始电子产生理论、雪崩电子击穿理论等过程中的击穿延迟时间,探讨了开放空间微波脉冲的击穿延时概率分布,提出了重复频率微波脉冲击穿概率模型,定义了基于概率模型的微波脉冲击穿阈值。利用S波段微波准光学反射聚焦系统对一定气压大气击穿过程进行了模拟,监测击穿放电发光时刻作为击穿时间,分别在铯137放射源存在与否情况下开展了系列实验。研究结果表明,提高种子电子产生率相较于提高电离率是增大脉冲击穿概率更有效的方法;重复频率过程中,若存在累积效应,击穿延时概率分布曲线将左移并趋于稳定,击穿后的气体在短时间内容易再次击穿。     

L波段微波脉冲对微型计算机的辐照效应实验

 在L波段使用1.3 GHz载波频率的微波脉冲辐照微型计算机主板，通过改变脉冲宽度、重复频率和脉冲串长度等参数，实验研究了微波脉冲辐照导致微型计算机失去响应的功率阈值的变化规律，讨论了L波段微波脉冲辐射的积累效应。实验结果表明：当微波脉冲宽度增加时，微波功率阈值下降；当微波脉冲重复频率升高时，微波功率阈值呈下降趋势；在固定重复频率的条件下，微波脉冲数目的增加也会导致微波功率阈值的下降；微波脉冲功率阈值始终小于连续波微波的功率阈值。当微波脉冲间隔时间较长或者脉冲宽度较宽时，微波功率阈值由单个微波脉冲的参数确定，与脉冲重复频率没有明显关系。利用假设的微波脉冲辐射积累效应，可以定性解释和分析微波脉冲辐照微型计算机实验中功率阈值变化的趋势。