加工工艺对微波窗材料介电性能的影响

聚四氟乙烯、聚乙烯、有机玻璃等介质材料因其良好的透波性能和优异的机械性能被广泛用作高功率微波的输出窗口,但关于窗口加工处理工艺对材料介电性能的影响却少有研究。利用高压电桥及高阻计对不同介质材料不同工艺下的基本介电参数进行了测量,利用静电感应法对不同介质材料表面0.8~0.9 eV浅能级的电子陷阱密度分布进行了测试,利用波导口开展了S波段800 MW、百ns微波脉冲作用下的介质击穿实验,考察了材料表面粗糙度、划痕对介质窗表面击穿的影响。结果表明:烘烤工艺在一定程度上降低了材料的耐击穿性能,增加了介质损耗;平行于电场方向的划痕形成了材料表面击穿的通道,而该通道的存在又进一步加剧了击穿的发生。     

真空高功率微波介质窗表面击穿破坏现象的研究进展

综述了国内外真空中高功率微波(HPM)下介质窗表面击穿问题的研究现状和进展。在介质窗表面击穿实验研究方面,介绍了国外最具代表性的研究成果,给出了介质窗材料表面及内部的破坏发展规律,并提出相应的理论模型。在理论仿真方面,重点介绍了国外在运用蒙特卡罗(Monte Carlo)程序和PIC模型对认识HPM下介质窗表面倍增放电机理上做出的突出贡献,给出了HPM下介质窗表面电子在不同影响因素下的运行状态,并提出了一个理论模型,从本质上解释了倍增电子数目和表面静电场以微波频率的2倍振荡的原因。介绍了目前几种可有效抑制介质窗表面微波击穿的技术手段。     

均压环在高功率微波辐射天线窗中的应用

为提高高功率微波（HPM）辐射天线的功率容量,设计了带均压环的HPM微波辐射天线窗。均压环嵌入介质窗表面后介质窗表面电场分布发生改变,电子运动轨迹也随之发生改变,改变电子运动轨迹能有效抑制二次电子倍增造成的介质窗击穿。当均压环与辐射场电场垂直时,CST模拟表明,均压环的加入基本不影响天线的辐射性能。将其应用于返波管振荡器（BWO）实验中（输出微波为TM01模）,结果表明:在束压3 MV、束流10 kA、效率30%时,普通天线窗输出脉宽为45 ns,而加入均压环的天线窗输出脉宽100 ns。     

高功率微波介质窗表面矩形槽抑制二次电子倍增

为深入研究高功率微波(HPM)作用下介质窗沿面击穿破坏的物理机制,探索提高闪络场强阈值的方法和途径,开展了介质窗表面矩形刻槽抑制电子倍增的理论与试验研究。首先根据动力学方程建立了介质窗表面电子倍增模型并分析了介质窗槽内电子运动轨迹,考虑了矩形槽结构对表面微波电场的影响,理论分析表明在闪络击穿的起始和发展阶段矩形槽可有效抑制电子倍增。在S波段(2.86 GHz,脉宽1μs)下开展了介质窗表面矩形刻槽的击穿破坏试验,试验结果发现表面矩形刻槽可大幅度提高微波传输功率,在槽深(1.0mm)一定时不同的刻槽宽度(0.5 mm和1.0 mm)对应的微波功率抑制范围不同。采用PIC-MC仿真模拟槽内倍增电子的时空演化,仿真结果很好地验证了试验现象。     

介质窗口材料对高功率微波传输特性的影响

运用光学方法,分析平面波通过无限大介质平板的传输特性,进而分析单层介质窗口的引入对微波传输性能的影响。在S波段微波源上对聚四氟乙烯材料进行了真空环境下的微波放电击穿实验,通过长时间的表面放电,在聚四氟乙烯材料表面出现电痕和电树枝。在100 ns脉冲宽度下,未发生大面积表面放电前,通过光学照相,在介质表面观测到局部放电现象,认为局部放电仍能导致材料表面破坏。作为对比,进行了聚苯乙烯材料的电老化实验,实验结果表明聚苯乙烯材料具有良好的耐电痕、耐电树枝老化特性。     

真空条件下介质窗表面微波击穿实验

介绍了介质表面真空微波击穿研究实验装置的设计以及介质表面刻凹槽实验。微波源为S波段速调管,中心频率2.86 GHz,脉宽1μs。为确保击穿发生在后端介质样品处,而前端用于和速调管源隔离的陶瓷微波窗不击穿,实验装置采用先分后合的方法,利用两个陶瓷窗,每个陶瓷窗传输总功率的一半。为了抑制三相点带来的效应,采用凹形的圆柱介质,三相点处于电场强度弱的位置,有效消除了三相点的影响。在此实验装置上做了表面刻凹槽实验,初步实验结果表明,与光滑表面击穿阈值相比较,刻凹槽可使功率容量提高2倍以上。     

高功率微波沿面闪络击穿机制粒子模拟

针对高功率微波介质沿面闪络击穿物理过程,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、二次电子发射, 以及电子与气体分子蒙特卡罗碰撞模型、电子碰撞介质表面退吸附气体分子机制;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别针对真空二次电子倍增、高气压体电离击穿和低气压面电离击穿过程,运用该程序仔细研究了电子和离子随时间演化关系、电子运动轨迹、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、碰撞电子平均能量、碰撞电子数目随时间演化关系、电子能量分布函数、平均二次电子发射率以及能量转换关系。研究结果表明:真空二次电子倍增引发的介质表面沉积功率只能达到入射微波功率1%左右的水平,不足以击穿;气体碰撞电离主导的高气压体电离击穿,是由低能电子（eV量级）数目指数增长到一定程度导致的,形成位置远离介质表面,形成时间为s量级;低气压下的介质沿面闪络击穿,是在二次电子倍增和气体碰撞电离共同作用下,由于数目持续增长的高能电子（keV量级）碰撞介质沿面导致沉积功率激增而引发的,形成位置贴近介质沿面,形成时间在ns量级。     

快脉冲下有机玻璃击穿特性实验

基于CKP1000脉冲源建立了实验平台,实验获得了单次脉冲、不同脉宽、均匀电场下有机玻璃的击穿场强和击穿时延,对有机玻璃的击穿过程进行了分析。实验脉冲的幅值约为230 kV,前沿760~960 ps,脉宽2.3~4.0 ns（FWHM）,试样的平均厚度为1.1 mm。实验结果表明,随着脉冲宽度从2.3 ns增加至4.0 ns,有机玻璃的平均击穿场强从301 kV/mm降至276 kV/mm,平均击穿时延则基本保持不变,其中前沿760 ps,脉宽约2.3 ns时对应击穿时延的分散性增大。     

强流电子束二极管绝缘子分析与设计

对应用在Tesla型强流加速器中的电子束二极管绝缘子进行了仿真,发现电场增强区域与实际发生击穿区域基本一致。从绝缘子沿面电场分布、电力线和绝缘子表面所成角度分布以及材料缺陷等方面分析了击穿发生的原因。认为材料中存在缺陷是导致绝缘子发生击穿的主要原因,局部场增强和非最优化结构设计促成了击穿的发生。对影响绝缘子沿面电场分布的同轴线关键位置进行了设计,得出了阳极倒角半径和阴极屏蔽环半径两个参量的最佳取值范围。     

微波磁场和斜入射对介质表面次级电子倍增的影响

分别研究了微波磁场和斜入射微波电场对介质表面次级电子倍增的影响.利用particle-in-cell/Monte Carlo方法,获得了微波磁场和斜入射微波电场条件下电子数量、介质表面直流场、电子平均能量和介质表面吸收功率的时间变化图像.模拟结果表明,斜入射和微波磁场虽然会显著影响电子的平均能量,但对电子数量和介质表面吸收功率的影响并不大,因此不会对微波介质表面击穿产生太大作用.     

高功率微波介质窗表面电子倍增二维粒子模拟

基于第一性原理的粒子模拟方法,对高功率微波器件中介质窗表面电子实际形成和发展的变化情况进行了研究。使用VORPAL粒子模拟软件,建立一个简单的TEM波垂直入射介质窗表面的二维模型,采用Vaughan二次电子发射模型,利用蒙特卡罗碰撞方法处理电子与背景气体之间的弹性碰撞、激发碰撞和电离碰撞,获得了介质窗表面电子倍增的图像。模拟结果表明,介质窗表面电子数量在一定的时间内达到饱和状态,其振荡频率是入射射频电场频率的两倍。改变初始发射种子电子的数量、入射射频电场的幅值以及背景气体的压强等关键性参数,可得到不同条件下介质窗表面电子数量的变化规律。     

高功率微波输出窗内侧击穿动力学的PIC/MCC模拟研究

高功率微波在受控热核聚变加热、微波高梯度加速器、高功率雷达、定向能武器、超级干扰机及冲击雷达等方面有着重要的应用.本文针对高功率微波输出窗内侧氩气放电击穿过程,建立了二次电子倍增和气体电离的一维空间分布、三维速度分布（1D3V）模型,并开发了相应的PIC/MC程序代码.研究了气压、微波频率、微波振幅对放电击穿的影响.结果表明：在真空情况下,介质窗放电击穿只存在二次电子倍增过程;在低气压和稍高气压时,二次电子倍增和气体电离共存;在极高气压时,气体电离占主导.给出了不同气压下电子、离子的密度和静电场的空间分布.此外还观察到,在500 mTorr时,随着微波振幅或微波频率的变化,气体电离出现的时刻和电离产生的等离子体峰值位置有较大差异,尤其是当微波频率（GHz）在数值上是微波振幅（MV/m）的2倍时,气体电离出现的较早.     

高功率微波作用下介质窗表面电子运动2维仿真

建立了真空中高功率微波作用下介质窗表面电子运动2维仿真模型,充分考虑了微波电磁场及介质表面静电场等影响因素。通过对不同电子出射初始角度和微波场参数(电场幅值、频率及电子出射时电场相位)对电子运动状态影响的仿真分析,得到了二次电子倍增过程中电子在复合场下的运动轨迹、电子重新返回介质表面的撞击能量及返回时间等状态参数,获得了电子运动状态参数随电子出射角度和微波场参数的变化规律。研究发现:电子出射角度对其运动状态有显著影响,电子存在运动轨迹最大的某一出射角度,该角度下电子拥有最大的撞击能量;微波电场幅值的增加将使电子撞击能量增加,返回时间减小,微波电场相位的变化使电子的撞击能量和返回时间呈周期振荡,这从本质上解释了电子数量在二次电子倍增过程中以微波频率两倍周期振荡的原因;随着微波频率的增加电子将由简单的类抛物线运动转变为复杂的振荡运动。     

Multipactor discharge on a dielectric surface in the field of circularly polarized plane waves

The secondary-emission discharge (multipactor) on a dielectric surface irradiated by a plane TEM wave of circular polarization is analyzed theoretically. It is shown that interaction of electrons with the electromagnetic wave field can provide their return to the emission surface, which makes a multipactor possible even without any external static fields. Multipactor conditions for different reflection coefficients of the incident wave are found. The obtained results are used to estimate the throughput of the output window of a high-power vacuum microwave device. Specifically, it is established that decreasing the high-frequency field amplitude on the window surface when the mode of a partially standing wave is realized in the vicinity of the window does not always help raise its electric strength.     

Microwave dielectric properties of Ba(Zn<Subscript>1/3</Subscript>Ta<Subscript>2 / 3</Subscript>)O<Subscript>3</Subscript> for application in high power waveguide window

Higher dielectric constant, low dielectric loss and good transmission characteristicshave been the goal for developing the ceramic waveguide window for high power windowapplications. The choice of materials having high k with low dielectric lossand reduced window size is key parameters to achieve maximum microwave transmissionwithout unleashing microwave dissipation. The microwave dielectric properties ofsynthesized Ba(Zn_1/3Ta_{2 /3})O₃ (BZT) ceramics have been studied for high power windowapplications. The structural studies are correlated with microwave dielectric propertiesof BZT. The maximum values of dielectric constant ?_r =30, Q ×f₀ = 102 THz and near zero temperaturecoefficient of resonance frequency were obtained for BZT ceramics sintered at thetemperature of 1550 °Cfor 4 h. The measured results are used to design a tapered transition from air filledwaveguide to narrow (reduced width and height) dielectric filled waveguide using Heckenslinear taper at a specific frequency. The simulation result shows that the lowerreflection loss is obtained for the tapered transition of the narrow BZT window ascompared to the standard waveguide BZT window. The return loss of –34 dB is obtained forS-bandwaveguide window with a bandwidth of 675 MHz. The return loss observed in the narrow BZTwindow is –46 dB with a bandwidth of 570 MHz at a center frequency of 3.63 GHz. Most ofthe disadvantages in conventional windows will be rectified using the design of the tapertransion employing narrow waveguide window in high power applications.     

Microwave magnetic field effects on high-power microwave windowbreakdown

Microwave window breakdown in vacuum is investigated for an idealized geometry, where a dielectric slab is located in the center of a rectangular waveguide with its normal parallel to the microwave direction of propagation. An S-band resonant ring with a frequency of 2.85 GHz and a power of 60 MW is used. With field enhancement tips at the edges of the dielectric slab, the threshold power for breakdown is observed to be dependent on the direction of the microwaves; i.e., it is approximately 20% higher for the downstream side of the slab than it is for the upstream side. Simple trajectory calculations of secondary electrons in an RF field show a significant forward motion of electrons parallel to the direction of microwave propagation. Electrons participating in a saturated secondary avalanche on the upstream side are driven into the surface, and electrons on the downstream side are driven off the surface, because of the influence of the microwave magnetic field. In agreement with the standard model of dielectric surface flashover for dc conditions (saturated avalanche and electron-induced outgassing), the corresponding change in the surface charge density is expected to be proportional to the applied breakdown threshold electric field parallel to the surface     

高功率微波馈源输出窗的研究

 结合物理光学和几何光学，讨论了高功率微波馈源真空输出窗的形状和厚度的设计方法，给出了一个X波段、脉冲功率容量1.5 GW、外径548 mm、高83.4 mm、厚33.4 mm的高斯馈源聚四氟乙烯碟形真空输出窗的设计实例。在中心频率9.3 GHz时测试输出窗的驻波系数为1.07,驻波系数小于1.24的频带为9%,带介质窗的馈源方向图与不带介质窗的馈源方向图基本一致。应用一维传热学理论对介质窗内部的温度分布进行了分析。冷测结果与理论结果基本一致。