PIN限幅器的高功率微波单脉冲效应研究

基于PIN限幅器的等效电路模型,构建了PIN限幅器HPM效应ADS等效电路仿真模型,利用HPM注入实验和等效电路仿真相结合的方法,研究了单个微波脉冲作用下PIN限幅器的响应规律,获取了HPM作用结束后限幅器限幅持续时间与注入脉冲功率、脉宽的对应关系,并对限幅器的限幅持续过程进行了分析。仿真与实验结果表明:PIN限幅器限幅持续时间随着微波脉冲功率和脉宽的增大而变大,实验和仿真结果趋势一致,该研究使用的ADS等效电路模型可以应用于PIN限幅器的高功率微波瞬态响应特性分析研究。     

多级PIN限幅器高功率微波效应研究

基于PIN二极管电热自洽耦合模型,构建了两级PIN限幅器高功率微波(HPM)效应电路模型。根据模拟模型设计加工了两级限幅器实验样品,限幅器输入、输出特性注入实验数据与模拟计算结果基本一致,验证了多级限幅器模型的有效性,表明该多级PIN限幅器模型能够应用于HPM效应模拟。针对不同HPM波形参数进行了HPM效应模拟,计算结果表明:随着注入功率的增大,脉宽增宽,前级厚I层PIN二极管结温升比后级薄I层PIN二极管结温升要高,因此厚I层PIN二极管更易受到损伤;而频率和前沿参数对结温升影响较小。     

PIN限幅器PSpice模拟与实验研究

 从PIN二极管基区双极载流子扩散方程出发，通过拉普拉斯变换求解得到PIN二极管子电路模型，从而通过PSpice软件瞬态数值模拟得到了PIN限幅器的尖峰泄漏、平顶泄漏与脉冲功率、上升时间关系。对于I层厚度一定的限幅器，模拟与实验表明脉冲前沿越大，尖峰泄漏功率插入损耗越大，脉冲前沿过缓则可能没有尖峰泄漏现象；尖峰泄漏功率随着输入功率的增加而变大，但尖峰泄漏功率插损也随之增大；尖峰脉冲宽度与I层厚度、输入功率及脉冲前沿均有关系。限幅器尖峰泄漏与平顶泄漏模拟结果与实验数据基本一致。     

强电磁干扰对达林顿管的损伤效应与机理（英文）

建立了PNP型达林顿管的二维电热模型,对处于有源放大区的达林顿管的集电极注入高功率微波(HPM)和强电磁脉冲(EMP)时的瞬态响应进行了仿真。结果表明:HPM注入下,器件内部的峰值温度呈周期性的"下降-上升",温度升高过程发生在信号的正半周,靠近达林顿管发射极的晶体管发射结边缘是最易毁伤处;EMP注入下,其损伤机理与HPM注入时的正半周时相似,器件内部峰值温度一直上升,易毁伤部位与HPM注入时相同。得到了损伤功率阈值和损伤能量阈值与损伤脉宽的关系,这两种干扰注入下的损伤能量阈值-脉宽关系和损伤功率阈值-脉宽关系公式相似,并且在相同脉宽下,HPM注入下的损伤能量阈值大于EMP注入下的损伤能量阈值。     

强电磁干扰对达林顿管的损伤效应与机理

建立了PNP型达林顿管的二维电热模型,对处于有源放大区的达林顿管的集电极注入高功率微波(HPM)和强电磁脉冲(EMP)时的瞬态响应进行了仿真。结果表明:HPM注入下,器件内部的峰值温度呈周期性的“下降-上升”,温度升高过程发生在信号的正半周,靠近达林顿管发射极的晶体管发射结边缘是最易毁伤处;EMP注入下,其损伤机理与HPM注入时的正半周时相似,器件内部峰值温度一直上升,易毁伤部位与HPM注入时相同。得到了损伤功率阈值和损伤能量阈值与损伤脉宽的关系,这两种干扰注入下的损伤能量阈值-脉宽关系和损伤功率阈值-脉宽关系公式相似,并且在相同脉宽下,HPM注入下的损伤能量阈值大于EMP注入下的损伤能量阈值。     

PIN限幅二极管结温对尖峰泄漏的影响

 建立了PIN二极管的Pspice子电路模型和热模型,模拟了PIN限幅器的瞬态特性。应用FORTRAN语言调用Pspice的仿真数据,计算了PIN二极管结温随输入脉冲变化的情况,讨论了PIN二极管的物理参数与温度的关系,结合结温的升高修改了Pspice软件中PIN二极管的子电路模型参数,模拟得到了不同结温下的瞬态响应曲线以及尖峰泄漏功率与脉冲频率、上升沿、结温的关系。模拟结果表明:输入脉冲的幅度越大,结温增长越快;在不同脉冲频率和上升沿情况下,升高的结温会导致限幅器尖峰泄漏功率增大。     

大功率PIN二极管限幅器对电磁脉冲后沿响应的分析

 利用PSpice电路模型数值计算了阶跃电磁脉冲后沿作用下大功率PIN二极管限幅器的瞬态响应。发现大功率限幅器在阶跃脉冲后沿作用下会输出反向脉冲,其幅度可能与限幅器尖峰泄漏的幅值相当甚至更大,这可能是一种新的影响限幅器性能的安全隐患。分析发现:反向脉冲幅度在一定范围内随激励脉冲持续时间的增加、幅度的加大、后沿时间的变短而变大;随射频扼流电感值的增加而减小。     

X波段长脉冲高功率微波产生的实验研究

 获得长脉冲高功率微波（HPM）输出是HPM源技术追求的重要目标之一。从物理机理上分析了影响慢波结构HPM器件实现长脉冲HPM输出的因素,并利用长脉冲脉冲功率源和过模慢波结构HPM器件,开展了X波段长脉冲HPM产生实验。实验中,采用介质-铜阴极,并在慢波结构表面镀Cr,在导引磁场约0.7 T、二极管电压约400 kV、电流约10 kA、束流脉宽200 ns的条件下,获得了功率500 MW、脉宽约100 ns、主模为TM₀₁的X波段长脉冲HPM输出。对实验结果的分析表明,脉冲功率源与HPM器件的阻抗不匹配,是导致HPM器件输出微波脉宽比电子束脉宽短、以及HPM器件输出微波功率效率较低的主要原因。     

受激布里渊散射介质CCl_4中脉冲传输与功率限幅特性

分析了受激布里渊散射介质CCl4 对纳秒激光脉冲的传输特性及功率限幅特性 .结果表明 :透射脉冲波形随抽运光能量增加而压缩变形 ,脉冲前沿保持高斯型 ,后沿被压缩成功率“平台” ,功率“平台”随抽运脉冲能量增加而逐渐变宽 ,但功率水平不变 ,表明该光学系统具有的功率限幅特性 .详细分析了功率限幅特性随抽运能量的变化规律和时间响应特性规律 ,采用脉宽为 10ns、波长为 1 0 6 μm的Nd :YAG激光脉冲进行实验验证 ,理论与实验结论相符合 .     

电磁脉冲对CMOS与非门的干扰和损伤效应与机理（英文）

利用Sentaurus-TCAD建立了CMOS与非门电路的二维电热模型,仿真研究了在电磁脉冲注入下,CMOS与非门电路产生的扰乱和损伤效应及其机理。结果表明,在EMP注入下,电路输出电压、内部的峰值温度呈周期性的"下降-上升",当注入功率较大时,EMP撤销后输出电压停留在异常值,PMOS源极电流增加,温度不断上升,最终烧毁在PMOS源极,这是因为器件内部产生了闩锁效应。随着脉宽的增加,损伤功率阈值减小而损伤能量阈值增大,通过数据拟合得到脉宽与损伤功率阈值和损伤能量阈值的关系。该结果可对EMP损伤效应进行评估并对器件级EMP抗毁伤加固设计具有指导作用。     

磁绝缘线振荡器脉宽及效率与三角波电压关系

采用数值模拟与实验相结合的方法,在没有功率容量不足问题的情况下,研究了磁绝缘线振荡器(MILO)的输出微波脉宽和功率效率与类似三角形二极管电压的关系,研究结果表明:在相同宽度的电压条件下,随着电压幅度的增大,输出微波的底宽和半高宽相应增大,功率效率先增大,当达到饱和后功率效率逐渐降低;在相同电压幅度条件下,随着二极管电压上升沿(斜率不变)的增大,输出微波的半高宽略有增大,但功率效率略有降低。因此,在有限脉宽的类似三角形二极管电压条件下,通过增大二极管电压上升沿的方法,可以有效地增大输出微波脉宽;而在有限电压幅度条件下,通过减小电压上升沿的方法,可以有效地增大输出微波的功率。选择适当的二极管电压参数,可以解决MILO器件在类似三角形二极管电压条件下的输出微波功率和脉宽两个指标相匹配的问题。     

相对论返波管中击穿现象粒子模拟

随着相对论返波管(RBWO)输出功率的提高,RBWO内部击穿问题日益突出。击穿过程中产生的等离子体,会降低输出功率并导致脉冲缩短,大大限制了RBWO的输出单脉冲能量。采用3维粒子模拟,在反射器、慢波结构、提取腔局部区域产生等离子体,建立了RBWO单点击穿及多点击穿模型,获得了等离子体产生的区域和密度对微波输出性能的影响规律。模拟结果表明,输出微波功率随等离子体密度增加而迅速降低,多点击穿相对于单点击穿情况更容易引起输出微波脉冲提前终止,且发射器击穿产生的等离子体效应更为明显。     

长脉冲X波段多注相对论速调管放大器的初步实验研究

设计了工作在长脉冲的X波段同轴强流多注相对论速调管放大器, 对长脉冲强流多注电子束在多注器件结构中的传输、电子束经过输入腔和中间腔后的束流调制以及经过输出腔的微波提取等过程进行了实验研究, 采用了相应的设计措施以减轻实验中出现的脉冲缩短现象, 得到了初步的长脉冲实验结果. 在输入微波功率60 kW、频率9.378 GHz、电子束电压700 kV、束流4.2 kA、轴向引导磁感应强度1 T的条件下, 重频5Hz输出微波功率为670 MW, 脉宽89 ns, 效率为23%, 增益为40 dB, 输出微波频率与输入微波一致. 从实验上验证了几十千瓦级输入微波驱动X波段同轴多注RKA输出几百兆瓦长脉冲高功率微波的可行性, 为后续更高功率研究打下了基础.     

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。     

S波段多注相对论速调管放大器长时间运行研究北大核心CSCD

为了实现高功率微波源低磁场及长时间稳定运行,开展了S波段GW级多注相对论速调管放大器(RKA)的理论模拟设计与实验研究。首先,采用一维大信号非线性理论软件优化设计了S波段4腔多注RKA,找到了器件工作的最佳参数:采用电压550 kV、束流4.7 kA的14注RKA,获得功率1.1 GW、效率43%的输出微波。随后,采用粒子模拟软件对理论设计的束波互作用参数进行了验证,获得了输出功率992 MW,器件效率为37%。最后,根据模拟参数开展了器件重频长时间运行实验研究。采用紧凑同轴Marx功率源驱动S波段四腔多注RKA,在电压530 kV、束流5.4 kA、重频20 Hz、运行时间1 s、引导磁场强度0.39 T、注入微波功率1.7 kW的条件下,获得了功率934 MW、脉宽69 ns的输出微波,束波转换效率33%。在器件重频20 Hz、运行时间10 min条件下,坚实了平均功率889 MW、平均脉宽42 ns的输出微波。该研究结果为S波段RKA的低磁场和长时间运行打下了的技术基础。     

螺旋波导压缩频率调制脉冲的初步研究

利用螺旋波导对频率调制脉冲进行压缩可大幅度提高脉冲峰值功率。利用所编Matlab程序对螺旋波导的色散特性进行了计算和分析,获得了波纹幅度和纵向周期长度等结构参数对其色散特性的影响规律;给出了脉冲功率压缩比的计算公式,对不同脉宽和频带宽度、不同频率调制形式的微波脉冲通过螺旋波导后的功率压缩比进行了计算和分析。计算表明:脉冲的频率调制形式对功率压缩比影响较大;相同频率调制形式下,脉冲长度越长,工作频带越宽,功率压缩比越高。为了获得尽可能高的功率压缩比,需对脉冲的频率变化方式进行调节,使其与螺旋波导色散特性匹配。同时还需要在高的功率压缩比和高的压缩效率之间做出权衡。计算得到,当注入脉冲的脉宽为40ns、工作频带为8.8~9.5GHz、频率调制形式与螺旋波导色散特性匹配时,功率压缩比达到了15,压缩效率约为40%。     

宽谱窄脉冲高功率微波产生的初步研究

为了探索短电脉冲产生高功率微波技术,采用理论和粒子模拟方法分析了短电脉冲(脉宽不大于30ns)驱动S波段相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)产生高功率宽谱的技术可行性,开展了原理性的实验验证。采用Marx发生器产生的前沿15ns、后沿30ns、电压560kV、束流2.8kA的类三角形电子束脉冲激励REICO,模拟产生了410MW、脉宽8ns、相对瞬时带宽2.7%的微波,实验输出了160MW、脉宽10ns、中心频率2.75GHz、瞬时相对带宽2.8%的高功率微波。     

带阻性负载细导线对电磁脉冲响应的有限差分算法

在原始的FDTD细线算法基础上，把带负载细导线模型分成导线、电阻和吸收三个部分，分别用不同的偏微分方程描述，使其可以处理两端带有纯电阻性负载细线电磁脉冲散射问题，进而得到电阻负载上消耗的总能量及对应的功率消耗。用该方法计算得到的结果与文献结果进行了比较，证明了该方法的有效性。最后用此方法对一种典型情况进行了计算，并对结果进行了分析。该方法是对FDTD方法中细线算法的补充和提高，经过修改也可以用于非阻性负载的情况。     

PIN限幅器电磁脉冲效应数值模拟与验证

基于电磁脉冲对半导体器件效应的电-热多物理场模型,利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了PIN限幅器电磁脉冲效应数值模型,研究了不同峰值功率的电磁脉冲作用下限幅器的输入/输出特性,以及大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系。模拟与实验结果表明:基于器件热效应影响载流子输运过程的电-热多物理模场型,模拟限幅器在大功率电磁脉冲注入下输入/输出功率的结果与实验结果吻合较好;模拟大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系式,与Wunsch-Bell半经验关系式符合较好。