微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体耦合的数值模拟研究

利用时域有限差分(FDTD)方法对微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体的耦合过程进行了数值模拟研究.如果孔缝填有介质,则预期对微波耦合进入腔体的物理过程有重要影响,研究了微波与带介质孔缝矩形腔体耦合的过程中影响介质孔缝耦合共振峰和共振频率点的因素,包括孔缝长度、宽度和介质相对介电常数等物理量的影响.通过大量不同孔缝尺寸的模拟研究,发现孔缝的介质对孔缝耦合共振频率有明显影响,我们对微波与带介质孔缝耦合发生共振的公式进行了拟合,最后得出了微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体耦合的共振条件.     

微波脉冲与不同形状带矩形孔缝腔体耦合的数值模拟

 利用时域有限差分法对微波脉冲与带矩形孔缝的矩形和圆柱形腔体两种系统的线性耦合过程进行了研究。首先用数值方法分析了耦合过程中的场增强现象、脉宽展开现象和腔体调制现象,并发现了耦合过程中微波脉冲存在频谱分离现象。当微波脉冲的电场与孔缝窄边平行时,借助耦合函数对两个系统内部耦合场的分布特性进行了研究,结果表明在与孔缝窄边垂直的平面内,越靠近腔体壁,耦合场越弱。此外,两种腔体内部的耦合场在腔体截面内均呈现准周期振荡分布,矩形腔体内部耦合场振荡的幅值较均匀,而圆柱形腔体内部耦合场幅值在其截面中心附近区域最大;除了孔缝附近区域外,圆柱腔体轴线两端的耦合场远大于矩形腔体相应的耦合场。最后,研究了孔缝耦合共振频率与孔缝尺寸的关系,结果表明系统耦合共振频率不只与孔缝尺寸有关,而是由孔缝尺寸和腔体形状及其对微波脉冲的反射特性共同决定。     

微波脉冲与孔阵矩形腔体耦合的数值模拟研究

利用时域有限差分(FDTD)方法对微波脉冲与孔阵矩形腔体的耦合过程进行了数值模拟研究. 当孔缝阵中的孔缝长边垂直于入射电场方向时, 详细分析了微波脉冲与孔缝阵矩形腔体的耦合过程中孔阵面上各个孔缝中心点的电场分布情况. 结果表明, 在平行于入射电场方向上排列的孔缝中, 处在中心的孔缝场增强效应最弱, 孔缝场增强效应由中心向两侧依次对称的增强; 在垂直于入射电场方向上排列的孔缝中, 处在中心的孔缝场增强效应最强, 孔缝场增强效应由中心向两边依次对称的减弱. 同时, 讨论了孔缝孔阵中孔缝个数、间隔等因素对各孔缝中心点的场增强效应和腔体内的耦合场分布的影响.     

微波脉冲与孔阵矩形腔体耦合的数值模拟研究

利用时域有限差分(FDTD)方法对微波脉冲与孔阵矩形腔体的耦合过程进行了数值模拟研究.当孔缝阵中的孔缝长边垂直于入射电场方向时,详细分析了微波脉冲与孔缝阵矩形腔体的耦合过程中孔阵面上各个孔缝中心点的电场分布情况.结果表明,在平行于入射电场方向上排列的孔缝中,处在中心的孔缝场增强效应最弱,孔缝场增强效应由中心向两侧依次对称的增强;在垂直于入射电场方向上排列的孔缝中,处在中心的孔缝场增强效应最强,孔缝场增强效应由中心向两边依次对称的减弱.同时,讨论了孔缝孔阵中孔缝个数、间隔等因素对各孔缝中心点的场增强效应和腔体内的耦合场分布的影响.     

不同形状孔缝微波耦合的实验研究

 探讨了椭圆、圆环、方环、十字交叉形、圆形、正方形、正三角形及双矩形孔缝在2～18GHz频率范围内的耦合系数，并与矩形孔缝的耦合特性进行了比较。结果表明: 各种不同形状孔缝微波耦合的共振特性与其纵横比有关, 纵横比较大的孔缝耦合共振现象比较明显，纵横比较小的孔缝耦合特性趋于高通；各种孔缝的共振频率与孔缝长度有密切关系。     

不同形状孔缝微波耦合的实验研究

探讨了椭圆、圆环、方环、十字交叉形、圆形、正方形、正三角形及双矩形孔缝在2～18GHz频率范围内的耦合系数，并与矩形孔缝的耦合特性进行了比较。结果表明: 各种不同形状孔缝微波耦合的共振特性与其纵横比有关, 纵横比较大的孔缝耦合共振现象比较明显，纵横比较小的孔缝耦合特性趋于高通；各种孔缝的共振频率与孔缝长度有密切关系。     

内孔缝位置对嵌套腔体微波耦合特性的影响

 利用时域有限差分（FDTD）方法计算了不同内孔缝位置情况下微波脉冲与带缝嵌套圆柱形腔体系统的耦合过程；分别分析了内孔缝位置对外部带缝腔体和内部带缝腔体耦合特性的影响。结果表明:除了内孔缝附近区域以外，内孔缝位置对外腔耦合特性的影响很小，可以忽略不计；但内孔缝位置对内腔耦合特性的影响较大，而且内腔的屏蔽性能由外腔内的耦合场分布以及内孔缝的位置共同决定。     

超宽带电磁脉冲对典型引信的耦合效应研究

为明晰超宽带电磁脉冲对典型无线电引信的干扰和损伤影响,应用时域有限积分法对典型无线电引信腔体耦合效应进行了数值模拟研究。以典型无线电引信腔体及其低频电路板实际结构为对象进行建模,仿真研究了超宽带电磁脉冲对该引信腔体的耦合特性,分析了引信高低频电路间连线过孔参数和脉冲参数对耦合效应的影响规律,研究了加装印刷电路板对耦合效应的影响。结果表明:与圆形和正方形孔缝相比,矩形孔缝的耦合系数受极化方向的影响显著;脉冲上升时间越小,耦合系数越大;加装印刷电路板后,腔体相同位置处耦合系数下降,谐振频率改变。     

孔缝对金属腔体强电磁脉冲耦合特性影响研究

核电磁脉冲和高功率微波等强电磁脉冲易造成电子设备功能失效甚至损毁,在实际工程实施中用金属腔体对电子设备进行屏蔽是常用的强电磁脉冲抑制手段。基于电磁仿真计算,对含矩形孔缝金属腔体的强电磁脉冲耦合特性进行了系统研究,阐述了孔缝宽长比、腔体尺寸等因素对多种不同类型强电磁脉冲（核电磁脉冲、宽带高功率微波、窄带高功率微波）作用下腔体内耦合场的影响;并以此为基础,重点分析了强电磁脉冲与含孔缝金属腔体之间的作用机制。研究结果表明:不同类型强电磁脉冲耦合信号差异明显,金属腔体对强电磁脉冲的响应是腔体谐振模式、孔缝谐振频率与强电磁脉冲共同作用的结果;当腔体谐振模式、孔缝谐振频率在强电磁脉冲的带内时,腔体内部的耦合场会出现增强效应;特别地,腔体与孔缝间的相互作用还可造成腔体与缝隙的谐振频率发生偏移。因此,在为电子设备设计金属屏蔽外壳时,应基于不同强电磁脉冲的频带范围,对腔体与孔缝的尺寸进行综合设计,抑制腔体、孔缝谐振及谐振频率偏移,提升其强电磁脉冲防护性能。     

矩形孔缝耦合特性实验研究

 对矩形孔缝在微波频率为2～18GHz范围内的耦合系数进行了实验研究；建立了实验方法和实验装置。实验结果表明：对于矩形孔缝，当入射电场方向垂直于孔缝长边时，在微波波长约等于2倍孔缝长度时，发生共振效应，在该频率附近一定带宽内耦合系数最大，并且在共振频率处存在着场增强效应。     

反馈调制型同轴虚阴极振荡器

 对反馈调制型同轴虚阴极振荡器进行了理论分析和数值模拟研究,结果表明:该器件通过增加同轴谐振腔结构并引入反馈可以对入射电子束形成明显的调制效果,从而使得器件具有高束波转化效率和频率单一稳定的特性;同时输出微波的频率被器件结构中的同轴谐振腔锁定,调节腔参数可以在一定范围内对输出微波频率进行调谐;在二极管电压约为600 kV,电子束功率26.2 GW条件下,可以得到平均功率3.6 GW的微波输出,转换效率达到13.7%,主频为5.5 GHz,模式为TM₀₂模。     

Model of a microwave beam coupling to CO2 laser plasma

We have designed a transmission line model of the microwave coupling mechanism for a microwave pumped CO₂ laser. The model is a total loss ridge waveguide transmission line having nonuniform impedance. The laser plasma is modeled as a frequency-dependent lossy dielectric and acts as a distributed resistance in the length of the microwave cavity. The coupling structure of the microwaves is designed not to be resonant at the microwave source frequency of 2.45 GHz at 1 kW and propagating the total microwave field energy to be absorbed without internal reflection. An exact solution to this general transmission line propagation constant for a shunt resistance along length of the guide is found. The measurements and predictions of the parameters of the plasma conductivity as a function of the attenuation constant agree closely.     

基于宽度可调节的线缺陷平板型光子晶体的空气槽微腔

研究了一种空气槽光子晶体微腔,这种腔是由在平板型光子晶体上引入一条宽度可以调节的线缺陷空气槽形成的,腔模的电场被强烈局限在空气槽中,由于介电常量的不连续性,电场得到很大的提高,同时模体积被大大地降低.数值模拟与分析了微腔的能带结构和场分布,考虑到腔模的谐振频率和对称性,发现一阶偶膜同时具有较高的品质因子和较小的模体积;应用有限时域差分法,得到腔模的品质因子可以高达106,模体积仅为0.02(λ/n)3.计算了一阶偶模谐振波长随空气槽宽度以及空气孔半径的变化,发现随着宽度的增加,波长越来越短.而随着空气孔半径的增加,波长近似线性地减小;当空气孔半径为170 nm时,可以获得最高的腔品质因子.     

基于宽度可调节的线缺陷平板型光子晶体的空气槽微腔

研究了一种空气槽光子晶体微腔,这种腔是由在平板型光子晶体上引入一条宽度可以调节的线缺陷空气槽形成的.腔模的电场被强烈局限在空气槽中,由于介电常量的不连续性,电场得到很大的提高,同时模体积被大大地降低.数值模拟与分析了微腔的能带结构和场分布,考虑到腔模的谐振频率和对称性,发现一阶偶膜同时具有较高的品质因子和较小的模体积;应用有限时域差分法,得到腔模的品质因子可以高达10⁶,模体积仅为0.02(λ/n)³.计算了一阶偶模谐振波长随空气槽宽度以及空气孔半径的变化,发现随着宽度的增加,波长越来越短.而随着空气孔半径的增加,波长近似线性地减小;当空气孔半径为170 nm时,可以获得最高的腔品质因子.     

Resonant frequencies of a rising-sun gyrotron cavity

New resonant frequency calculations for a tunable gyrotron cavity with a magnetron-like rising-sun cross-section give results that are measurably different from those found by the traditional method, especially as the wavelengths become short enough for the radial slots to support higher-order modes. Moreover, in many instances a large fraction of the microwave field energy resides in these slot modes and as a result any gyrotron interaction is expected to be small.