随机相位微波功率的空间合成效率

 采用数值计算方法,将微波功率源输出信号的相位差视为等概率分布的随机事件,通过阵列天线平均增益定量计算了多微波源空间功率合成效率;分析了随机相位条件下,天线单元间耦合系数、极化方式和单元增益对合成效率的影响。计算结果表明：多微波源在随机相位条件下进行空间功率合成,阵列天线单元之间的相互耦合将造成合成效率严重下降;而天线类型、极化方式和天线单元增益对合成效率的影响较小。     

相位正态分布条件下的微波合成效率

针对多台高功率微波源组阵进行功率合成时相位离散分布的问题,基于数理统计方法对合成阵元相位误差呈正态分布情况下阵列合成效率进行了理论分析,提出了相位误差有界分布下其概率密度函数的表达式,修正了相位分布标准差较大时微波功率合成效率的理论计算公式。为验证修正后的理论公式正确性,使用数值模拟方法计算了合成阵列天线阵元激励信号相位误差呈正态分布下的空间功率合成效率,计算结果表明,数值模拟结果与理论分析给出的计算结果吻合得较好,修正后空间功率合成效率公式的预估精度得到有效提高。     

大功率调制气流声源阵列的相干合成实验研究

完成了调制气流声源阵列的相干合成实验. 提出了利用主动相位控制方法实现调制气流声源阵列相干合成的思路, 介绍了基于随机并行梯度下降算法的声源阵列相干合成的原理. 对利用该算法实现声源阵列的相干合成进行了数值模拟, 完成了双调制气流声源阵列在远场的相干合成实验, 并给出算法参数的合理设置方案. 实验结果显示, 基频成分的相干合成效果明显, 算法收敛时测点处的声压级相比单源发射增加了4 dB, 接近于各单源功率谱中基频成分相干合成、其他频率成分非相干合成的结果; 结果表明实验中算法能够有效控制各调制气流声源辐射声波的相位, 取得了明显的相干合成效果. 关键词： 调制气流声源 相干合成 随机并行梯度下降 高阶谐波     

高功率速调管双管功率合成可行性与技术方案研究

对由两支500kW高功率速调管功率合成得到1MW长脉冲低混杂波(LHCD)微波源的可行性进行了分析，并设计了双管功率合成的方案。在HL-2A装置低杂波实验平台上，利用兆瓦级功率合成器，结合相位反馈技术，对两支高功率速调管、四路250kW进行相干微波功率合成，从而得到1MW LHCD微波。经过可行性分析得到，双管相位偏离15^o时合成效率下降约1.8%，幅度偏差10%时合成效率下降约0.1%。由此可得到双管功率合成技术的具体实施方案。     

功率谱反演大气湍流随机相位屏采样方法的研究

从产生大气湍流随机相位屏的功率谱反演法原理出发,分析了均匀采样造成的随机相位屏大量低频信息泄漏的不足,提出利用非均匀采样方法对功率谱进行滤波产生随机相位屏.建立了非均匀采样模型,并分析比较了两种采样方法覆盖的采样频率范围和单边采样频率区域的湍流功率,理论证明了非均匀采样功率谱反演产生大气湍流随机相位屏的可行性和有效性.针对大气湍流的Kolmogorov谱,分别仿真计算了两种采样模型下功率谱反演生成的大气湍流随机相位屏.仿真结果表明,在不增加采样点和计算量条件下,非均匀采样方法生成的大气湍流随机相位屏具有丰富的低频和高频信息,有效改善了传统功率谱反演大气湍流随机相位屏时低频信息严重不足的缺陷.     

基于随机并行梯度下降算法光纤激光相干合成的高精度相位控制系统

随机并行梯度下降(SPGD)算法是实现大功率主振荡功率放大器相干合成的有效手段之一.分析了SPGD算法用于相干合成的基本原理,设计了基于SPGD算法的相位控制系统,给出了基于该SPGD控制器的相干合成实验结果.理论分析表明,SPGD算法控制器的迭代速率为200kHz,对于两路相干合成的平均控制带宽大于12.5kHz,最优控制精度可达1/179个波长.实验表明,SPGD控制器能够实现高速的相位控制.在相位噪声幅度大于1/10个波长、频率为3kHz的情况下,有效地实现了两路激光的相位锁定,相位残差控制在1/25个波长内.     

随机相位误差对空间功率合成效率的影响

采用数理统计方法分析了任意分布的随机相位误差对多台不等功率辐射源组成的天线阵空间功率合成效率的影响,得到了由多台不等幅馈电的阵元组成的天线阵空间功率合成效率期望值的解析表达式。通过该解析式可利用快速傅里叶变换(FFT)快速分析任意数目阵元组成的天线阵在目标点的期望合成效率,为空间功率合成系统的总体合成效率预估并合理分解各分系统随机相位抖动指标提供了一种高效的解析分析方法。作为算例,用得到的解析公式分析相位误差分布呈均匀分布、正态分布和三角形分布三种典型情况对合成效率的影响。     

基于随机并行梯度下降算法的多波长激光相干合成

由于受到受激布里渊散射(SBS)等非线性效应的限制,单频激光放大器的功率在百瓦量级,以非单频激光多波长激光作为种子源能够有效地抑制SBS并提高放大器功率.与单频激光相干合成相比,非单频率、多波长激光的相干合成有望将输出激光功率成量级地提高.基于随机并行梯度下降(stochastic parallel gradient descent,SPGD)算法,实现了四波长激光的相干合成.在系统闭环时,四路多波长激光合成后的主瓣能量能够提高3倍,达到理想值的75%.验证了多波长、非单频激光相干合成的可行性,为高功率相干合成的发展提供了新的途径.     

增益和相位一致性对功率合成效率的影响

发射机在功率合成的时候，由于各固态功率源模块间存在着增益和相位的差异，会导致功率合成效率的下降。针对这一问题，本文通过建立增益和相位的一致性对功率合成效率影响的模型，并结合MATLAB软件进行计算模拟，得到不同增益和相位分布下的最低合成效率分布，为发射机功率合成系统设计提供了具体的相位和增益指标，并为发射机的评估和验收提供了有力的理论依据。     

X波段新型低阻抗高功率微波源的模拟研究

提出了一种新型低阻抗高功率微波源,能在单个器件内产生两束锁相的相干高功率微波,对两束相干微波进行功率合成有望在单个高功率微波器件中实现更高的功率输出.粒子模拟结果显示,在电压687 k V、磁场0.8 T时,该微波源整体阻抗36?,两束微波的频率都为9.72 GHz,输出功率分别为1.20 GW和2.58 GW,功率效率分别为28%和30%;两束输出微波之间频率抖动小于±3 MHz,相位差抖动小于±3?.     

基于随机场照射的最优微波成像

近年来,电磁计算成像的理论和技术得到了广泛的研究和发展,其中基于随机场照射的微波成像引起了诸多关注.与传统成像方法的连续波照射不同,基于随机场照射的成像方法以随机照射的方式获取多组非相关的目标散射测量值,经过反演计算就能提取散射目标体的轮廓和形状等信息.基于阵列天线理论,本文理论分析并实验验证了一种最优的二维微波成像系统,能够使用最少的天线单元实现随机照射,通过最少的测量次数完成矩阵求逆并得到重建图像.该系统主要有以下两个创新点:完全随机照射的获取和成像系统最优参数的选取.与基于超材料的成像系统相比,本文通过对1 bit相位调制器随机相位调制的方式获取随机场照射,使得每个天线单元都处于工作状态,因此整个系统的能量效率更高.此外,所述单频成像系统还具有频谱效率高、结构简单、成本低等优点,在安检、室内定位等不同场景中具有潜在的应用价值.     

高功率微波管收集极的散热分析北大核心CSCD

利用欧拉两相流模型和沸腾换热模型计算了高功率微波管收集极的散热问题。在给出电子束能量沉积规律的基础上,得到了热源项在收集极及冷却水中的分布形式。利用CFD软件计算了脉宽为45ns、重频为5OHz、平均功率为27kW电子束作用下的收集极温度分布,重点研究了冷却水流速对散热效果的影响。研究结果表明,冷却水流速为1．5m／s时,内壁面稳态峰值温度超过了收集极材料的熔点,会导致一定时间后收集极损坏;散热峰值处对流换热大约占总换热量的71．7％,激冷换热大约占28．1％,相变换热占0．2％。冷却水流速小于5m／s时,收集极最高温度随流速增加快速下降;5～10m／s时,温度下降缓慢;超过10m／s后,温度下降速度增大。针对该电子束条件,收集极安全工作要求冷却水流速不得低于5m／s。     

Thermal regime of slotted channel with moving incompressible liquid under microwave conditions

The article studies mathematical simulation of microwave heating of flow in a slotted channel. The internal heat sources, which are proportional to the absorbed microwave energy, obey the Bouguer law. The stationary temperature distributions in the liquid, wall inner surface andmiddle of the wall along the channel have been found from the balance of heat supply and heat release. The maximum temperature values over channel cross sections have also been determined. The heat transfer to the flow was realized in the nonboiling convective regime. The microwave power was selected such that themaximum temperatures and heat fluxes did not exceed themaximumallowable values for the materials.     

Electrical breakdown of microwave plasma in water

The electrical breakdown of microwave plasma in water was investigated between 1 and 30 kPa. The dependency of the ignition power for generating plasma on the size of coaxial electrode was measured. The ignition power decreases with a decrease of the diameter of the inner electrode. The behavior of microwave plasma in water was observed using a high-speed camera. The plasma ignites in a bubble generated by microwave heating. The model for calculating the electric field was created on the basis of the captured images of the bubble just before plasma ignition. The method presented can be used to visualize the electrical field distribution in the bubble. The electric field breakdown was calculated using the measured ignition power. The electric field breakdown of plasma in water is of the same order as gas phase plasma.     

温度相关的微波频率下氯化钠水溶液介电特性

针对NaCl水溶液(0.001–0.5 mol/L)介电特性, 实验调查了频率(200–6.25 GHz), 温度(293–353 K)、 浓度相关复介电常数. 结果表明: 频率增大的过程中虚部呈逐渐减小的趋势, 高温使离子扰动增大, 破坏了溶液内部水分子四面体结构和氢键构象而使介电常数实部减小. 与纯水相比, 溶液的损耗角正切在高温353 K低频区下降明显. 同时发现2.45和5.8 GHz的复介电常数随温度变化的温度窗效应, 温度窗效应导致微波加热时耗散功率的振荡变化, 温度分布不均匀现象在实验中得以证实. 关键词： 微波 复介电常数 介电特性 高温探头     

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.     

微波射频场在微波管中产生爆炸电子发射特性初步分析

 对微波射频场在微波管内引起的场致发射和爆炸电子发射及等离子体的产生进行了分析,推导了等离子体产生强度与微波振幅、材料的电阻率、热传导系数、质量密度和比热容之间的关系,得到了晶须温度分布的表达式,通过数值解析的方式总结出在远大于微波周期的时间尺度上晶须温度提高随时间线性上升。在模型所述材料特性下,温度的上升率达到了3.22×10¹⁰ ℃/s,在100 ns量级就可以使晶须发生气化形成等离子体。     

Microstrip superheterodyne coherent microwave bridge

Reasons for unsatisfactory operation of the superheterodyne spectrometers at increased microwave power are considered. Recommendations for designing the superheterodyne microwave bridge of the EPR spectrometer working at the microwave power of about hundreds of milliwatt are given. These recommendations allow one to develop the spectrometer comparable to those with modulation of resonant conditions concerning reliability, stability and simplicity of operation. The experimental prototype of the coherent microwave bridge of the X-band superheterodyne EPR spectrometer with the intermediate frequency of 100 MHz is described. The microwave circuit of the bridge is assembled using microstrip hybrid integrated circuits and requires no adjustment in operation. The microwave Gunn-diode generators with the electronic tuning stabilized by dielectric resonators are used. The dynamic range of 54 dB at the maximum power of 40 mW is reached. As the microwave power increases up to the maximum value, no tendency to the degration of sensitivity equal to 5·10^?11 W at the 40 MHz band is noticed.