基于宽波束磁电偶极子天线的宽角扫描线性相控阵列

设计并加工了两款基于宽波束磁电偶极子天线单元的宽角扫描线性阵列.首先,通过加载磁偶极子的方法拓展了天线单元的3-dB波束宽度.然后,基于该宽波束天线单元设计了两款具有良好宽角扫描特性的一维阵列天线.实测结果表明,天线单元的E面方向图3-dB波束宽度在9GHz—12 GHz均大于107°,H面方向图3-dB波束宽度在7GHz—12 GHz均大于178°.E面阵列中心单元的有源驻波比在9GHz—13 GHz小于2,相对阻抗带宽为36.36%.H面阵列中心单元的有源驻波比在9.6GHz—12.6 GHz小于2.5,相对阻抗带宽为27.03%.E面阵列在9GHz—12 GHz可实现±70°的有效宽角扫描.H面阵列在9GHz—GHz可实现±90°的有效宽角扫描.与传统的扫描阵列相比,设计的阵列可实现有效宽带宽角扫描,在X波段相控阵雷达方面具有广阔的应用前景.     

高功率微波辐射场远场测量方法北大核心CSCD

数值模拟并给出了测量距离、积分角度范围和E面、H面等化性对辐射场积分功率的影响。基于X波段大功率微波源、20dB标准喇叭以及680mm辐射喇叭,开展了测量布局对辐射场积分功率的影响大功率验证实验研究。此外,基于X波段9.3,9.7GHz相对论返波管,开展了测量布局的高功率应用实验研究。研究结果表明:尽管测量距离不满足远场条件,但只要辐射喇叭E面、H面的等化性较好,通过足够的积分角度范围控制,也可以得到较为准确的辐射场功率测量结果。     

超宽带时域天线阵列延时控制扫描实验

超宽带(UWB)冲激雷达目标探测中时域天线阵列波束延时控制扫描是通过天线阵列单元间精确的延时控制实现的。在介绍UWB时域波束延时控制扫描原理的基础上,研制了用于UWB天线时域波束扫描的延时控制器,其延时步进为50 ps,延时精度可达10 ps。利用该延时控制器对单元间距42 cm的4单元UWB天线阵列H面方向进行了单元间延时控制波束扫描测量,扫描步进角度小于2°。结果显示,在0°,10°,20°和30°扫描时,实际扫描角度分别为-0.5°,10.5°,20°和29.5°,与理论计算值之间误差小于1°。     

X波段馈源输出窗高功率微波击穿实验装置

为了开展高功率微波(HPM)馈源输出窗介质击穿实验研究,设计了一种组合型X波段高功率微波(HPM)喇叭馈源击穿实验装置。装置采用变张角喇叭与可移动介质输出窗组合的结构,通过调节变张角喇叭口面与输出窗间的距离,使得介质输出窗内表面电场强度可调。数值模拟结果表明:在满足馈源喇叭驻波比小于1.15,E面和H面基本等化的情况下,当调节变张角喇叭口面与介质输出窗距离在0~400 mm范围内变化时,HPM馈源输出窗上的电场强度变化为32.6~87.0 kV.cm-1,满足了在真空度3×10-3Pa、脉冲宽度20 ns条件下,HPM介质击穿对电场强度变化的要求。根据数值模拟结果,设计加工了HPM介质击穿实验装置,并成功地应用于GW级HPM馈源输出窗介质击穿实验研究。     

0.22 THz二维电磁带隙波导和阵列天线设计

基于二维电磁带隙（EBG）结构,设计了工作在0.22 THz的直波导传输线和90弯波导传输线。数值模拟结果显示:直波导和弯波导的S21参数在0.22 THz处均大于10-5 dB,20 GHz模拟频带内的S21参数分别大于-0.001 dB和-0.003 5 dB。EBG结构很好地阻止了电磁波在电磁带隙内部的传播。基于EBG结构波导,设计了3 dB功分器和H面扇形喇叭阵列天线。数值模拟结果显示:功分器的S21参数在0.22 THz处为-3 dB,阵列天线方向性为17.1 dBi,具有较小的旁瓣和后瓣,E面和H面方向图均具有良好对称性。     

超宽带折线型TEM喇叭天线实验研究

基于功率容量和口径匹配的考虑,设计了一种超宽带折线型TEM喇叭天线。相比传统恒阻抗TEM喇叭,主要改进在于采用了同轴到平板过渡的馈入结构,辐射极板改为两段折线形式。通过理论模拟和实验研究对两种天线的输入、辐射特性进行了比较和分析。结果表明:采用960ps宽度的高斯脉冲激励,同轴平板过渡峰值功率传输效率达到85%;相比于恒阻抗喇叭,折线TEM喇叭辐射峰值电场提高30%,H面方向图主瓣宽度由80°压缩至60°,同时改善了700 MHz频带内的传输辐射特性,瞬态脉冲峰值功率容量达到15GW。     

一种新型的树枝状负磁导率材料微带天线

基于树枝状金属结构单元模型的电磁特性,设计了一种双面刻有树枝状金属结构单元阵列的负磁导率介质材料,并将这种介质材料作为微带天线的基板,制备了中心工作频率为2.64GHz的树枝状负磁导率材料微带天线.仿真和测量结果都表明：相比普通微带天线,树枝状负磁导率材料微带天线的性能得到了明显改善,定向性得到了提高,E面和H面的3dB角分别收缩了18°和13°,增益提高了2.19dB,相当于有效辐射功率提高了65%.说明利用负磁导率材料作为微带天线的基板,可以明显改善微带天线的性能. 关键词： 树枝状结构 微带天线 负磁导率 增益     

TE1n /TM1n激励圆锥喇叭辐射功率测量方法

研究了TE1n /TM1n模式激励的圆形口径喇叭天线的辐射场特征,导出了根据辐射场计算天线辐射总功率的方法:通过测定天线E面和H面的辐射场功率密度分布,分别进行球冠积分,其平均值即为天线的辐射总功率;并进行了数值仿真验证。分析了测量角度范围和测量点数目对测量功率的影响,提出了通过数据拟合来降低测量误差的一种方法;给出了测量角度范围和测量点数的选取原则,功率测量可在15 dB或18 dB波束宽度范围内进行,测量点数一般选15个左右。     

带状注行波管E面和H面宽带耦合器

设计和分析了应用于W波段带状注行波管的E面多孔输入输出耦合器和H面多孔输入输出耦合器。研究表明,采用多孔耦合,不仅可以实现电磁场与电子注的汇聚和分离,还可以实现极宽工作带宽。HFSS仿真分析结果表明:E面多孔定向耦合器1dB相对带宽达43GHz,且隔离度优于20dB的相对带宽达到40GHz;H面定向耦合器在E面耦合器的10个耦合孔数的基础上,通过增加2个耦合孔数,1dB相对带宽提升到30GHz,且隔离度大于15dB的相对带宽达到32GHz。两种新型耦合器在极宽的工作带宽内实现低反射、高隔离的性能。与E面耦合器相比,H面耦合器易于加工和利于与周期永久磁体的封装集成。     

渔业声学回波散射测量系统的宽频带换能器

针对目前渔业声学宽频带回波散射测量系统采用多个不同频带的换能器合成、结构复杂且不方便携带的缺点,本文提出一种使用低机械品质因数、高谐振频率的积层压电致动器作为核心压电元件的"朗之万"型宽带水声换能器。测试结果表明,该换能器适用的频率范围为20 kHz~150 kHz,在三个渔业声学常用频率38 kHz、70 kHz、120 kHz下的-3 dB波束宽度分别为20.0°、11.5°、5.0°,可以满足对常见渔业资源种类的宽带声学回波散射特征的测量要求。     

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。     

高功率超宽谱双反射面天线优化设计与实验

对高功率超宽谱双反射面天线系统进行了优化改进设计,兼顾辐射性能、馈入反射和功率容量。采用沿能流线设计的粗胖实体结构代替板状TEM喇叭极板结构,增加低频电流的回流通道,从而改善天线馈入反射特性。将副反射面设计为尼龙箱体内、外两部分,使其与尼龙箱体之间的连接螺钉不再突出于高压电场中,优化后最大场强下降了约70%,功率容量达到59 GW,通过Taguchi优化算法对组合馈源喇叭结构进行整体优化,天线辐射因子rE(辐射场峰值与观测点距离乘积)提高了1.2倍。优化后的天线系统进行了高功率实验,实验结果表明:天线系统功率容量达到30 GW,辐射因子超过8 MV。     

X波段高功率微波选模定向耦合器

高功率、长脉冲是高功率微波技术发展的趋势,提高微波器件的功率容量成为一项重要的任务,使用过模器件可以有效提高微波源的功率容量,然而却会带来微波源中同时存在多种模式的问题。为了识别一个X波段长脉冲过模高功率微波源的输出主模TM01模式,设计了一种在线选模定向耦合器,进行了理论分析和模拟优化设计。当频率范围为9.2~9.6 GHz时,模拟结果显示该选模耦合器对TM01模的耦合度为-54 dB,在400 MHz带宽内定向性大于35 dB,对TM02模的抑制度大于15 dB,功率容量可达到3 GW以上。     

圆波导TE11主模辐射方向性系数的误差分析

 对不同尺寸圆波导TE₁₁模，以及TE₁₁和TM₀₁不同比例混合模式的辐射情况进行了模拟研究，得到了E面、H面功率方向图，通过高功率微波远场测量常采用的假设方向图对称的方法，计算出E面、H面方向性系数，并与模拟得到的方向性系数进行对比。结果表明：TE₁₁单模及TE₁₁模与功率占5%，10%的TM₀₁模混合情况下，H面方向性系数与模拟得到的方向性系数最大差值小于0.8 dB，E面方向性系数与模拟值最小差值大于1 dB。因此，在这些情况下，H面方向性系数更接近于方向性系数，采用H面方向性系数计算功率结果更接近实际值。     

低功率驱动的高功率微波放大器实验研究

在器件设计上,针对低功率驱动的高功率微波放大器或高增益放大器中的高次模激励和自激振荡问题,采取了降低电子束同器件前端结构耦合等措施,来保证器件在工作区间完全处于放大状态,通过PIC模拟,设计了低功率驱动的S波段高功率微波放大器(电子束:流强7.5 kA,电子能量750 kV),注入微波6.8 kW时,模拟微波输出功率1.7 GW,增益53.9 dB.在Sinus加速器平台上开展了相应的实验研究: 注入微波62 kW时,微波输出功率达到2.04 GW(电子束:流强8 kA,电子能量800 kV), 输出频率 关键词： 高功率微波 微波器件 高增益 模式控制     

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.     

运用模匹配法设计高功率高效率多模馈源

 在高功率微波天线系统中，要求馈源具有高功率容量和良好的辐射特性，内壁光滑的变张角结构多模馈源能够满足这一要求。在单级模匹配理论的基础上，给出了多个突变结构级联S参数矩阵的实现方法，并编制了数值计算程序。运用程序分析了各种不同结构光壁喇叭馈源，得到了其中各个模式之间的耦合关系及其口面辐射特性的变化。在大量计算的基础上，得到了Φ400 mm口面直径的高功率高效率多模馈源设计方案，理论功率容量大于1.5 GW，同时具有良好的轴对称辐射特性。实验与理论分析结果具有良好的一致性。     

L波段相对论返波振荡器初步实验研究

设计了一个紧凑型L波段相对论返波振荡器(RBWO),利用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束-波作用的物理过程。模拟结果表明:在二极管电压700 kV、电子束流10 kA、导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.23 GW高功率微波输出,平均效率约为31.8%。为验证模拟结果,在高阻加速器平台上进行了初步实验:当二极管电压为703 kV、电流10.6 kA、导引磁场为0.8 T时,实验获得了峰值功率1.05 GW、频率1.61 GHz、脉宽38 ns的高功率微波输出,其功率效率为14.4%。     

L波段小型化同轴扩张型天线设计

为了减小常规L波段高功率微波测量接收天线的结构尺寸及增益,设计了一种基于轴向缝隙馈电的小型化同轴扩张型天线。通过理论分析和数值模拟,选择了较优的结构尺寸,得到天线的增益及方向图特性:在1.3~1.6 GHz范围内,增益从-2.0 dBi变化至0.8 dBi;天线最大辐射方向在物理结构轴向。基于矢量网络分析仪E8362B的天线特性测量结果与数值计算结果基本一致:工作频率从1.3~1.6 GHz变化时,增益从-2.3 dBi变化至1.2 dBi;E面方向图主瓣宽度大于60,轴向轴比大于35 dB,结果表明设计的天线能够满足L波段高功率微波测量天线低增益小型化要求。