合肥光源40kW高频固态发射机的研制进展

介绍了用于合肥光源800 MeV电子储存环高频系统的204 MHz,40 kW固态发射机的研制进展。该发射机为双塔结构,由130个330 W功放模块进行三级合成。其关键部件的样件包括10路功放和2.5kW八合一,20 kW八合一以及40 kW二合一功率合成器各1件的制作和测试已完成。测得各合成器输出端驻波比不超过1.05,功放模块的增益达到26 dB,幅相偏差小于0.1 dB和5°,达到设计要求。     

1.3 GHz 20 kW固态微波功率源的测试和运行（英）

北京大学3.5-cell直流超导(DC-SRF)光阴极注入器需要一台连续波功率20 kW的1.3 GHz微波功率源。为此北京大学和北京北广科技股份有限公司联合研制了一台由88个放大模块组成的固态微波功率放大器,这是国内首台L波段连续波大功率固态功率源。在简要介绍这台微波功率放大器设计的基础上,主要描述其调试过程和重要参数检测并着重讨论了全反射问题。测试结果显示这台功率源的各项参数均达到设计指标,在输出功率20 kW时的效率为34%,增益大于85 dB;在整个功率输出范围其增益和相移的变化分别为1.6 dB和9.5。目前这台功率源已在DC-SRF光阴极注入器调试运行中稳定工作超过2000 h。     

一种大功率窄脉冲半导体激光器测试台的研制

大功率窄脉冲半导体激光器主要光电性能参数为:输出峰值光功率、阈值电流、正向电压、上升时间、峰值波长、光谱半宽、半强度角.根据激光制导系统对大功率窄脉冲激光器参数的特殊测试要求,研制一种大功率窄脉冲激光器测试平台,将小型化大功率激励器功放模块、大范围可调DC-DC模块、信号源板、激光器座、光学准直镜集成在一个平台上,与峰值功率计、光谱仪、CCD摄像机等仪器配合,可测出大功率窄脉冲激光器的峰值功率、峰值波长及波长随温度变化的漂移特性、发光芯均匀性等参数.介绍了大功率窄脉冲激光器测试台的特点,并对测试结果作了论述.     

强流RFQ的固态功率源模块故障分析

用于中科院近代物理研究所的ADS项目中的射频四极加速器(RFQ) 的新RF系统在2017年初升级,原来的电子四极放大器被两个新的固态功放(SSA) 所替换,它们是两台相同的额定功率为80 kW的功率源,通过两个相同的耦合器在腔内合成至少100 kW的功率。但是对于SSA来说,为了功率组合,太多的功率模块的振幅和相位进行了调整和优化,一个或几个损坏的环形器(包括吸收负载) 可能导致整个射频系统的失效。特别是,根据实验和仿真,发生失配问题后,如果两级合成器之间的传输线电长度满足某一特定条件时,系统的散射参数会有很大的波动,甚至切断。详细介绍了北京北广科技股份有限公司用于模拟多级合成放大的模拟方法、放大链路的故障分析及相关实验情况。     

1.3GHz 20kW固态微波功率源的测试和运行（英文）

北京大学3.5-cell直流超导(DC-SRF)光阴极注入器需要一台连续波功率20kW的1.3GHz微波功率源。为此北京大学和北京北广科技股份有限公司联合研制了一台由88个放大模块组成的固态微波功率放大器,这是国内首台L波段连续波大功率固态功率源。在简要介绍这台微波功率放大器设计的基础上,主要描述其调试过程和重要参数检测并着重讨论了全反射问题。测试结果显示这台功率源的各项参数均达到设计指标,在输出功率20kW时的效率为34%,增益大于85dB;在整个功率输出范围其增益和相移的变化分别为1.6dB和9.5°。目前这台功率源已在DC-SRF光阴极注入器调试运行中稳定工作超过2000h。     

射频等离子体光源高效固态功率源的设计

针对射频等离子体光源(LEP)开发了一种较高抗负载失配能力的高效驱动功率源。采用三次谐波开 路和偶次谐波短路,并利用集总参数和分布参数相结合的拓扑结构,实现了谐波控制的高效 F 类功率放大器;利 用单片机控制固态源的工作频率,使其与光源谐振频率的变化一致,减小功放输出的驻波比,提高长期可靠性。 对高效固态功率源进行连续波满功率测试和等离子体光源的匹配性测试。结果表明,末级 F 类功放在 435~445MHz 频段内输出功率大于 200W,漏极效率 80.7%以上,功率源在等离子体光源工作频段内整体效率为 77.5%;与等离 子体光源谐振器的联合热测试中,系统光效为 86.21m·W⁻¹。     

界面工程调控GaN基异质结界面热传导性能研究

GaN以其宽禁带、高电子迁移率、高击穿场强等特点在高频大功率电子器件领域有着巨大的应用前景.大功率GaN电子器件在工作时存在明显的自热效应,产生大量焦耳热,散热问题已成为制约其发展的瓶颈.而GaN与衬底间的界面热导是影响GaN电子器件热管理全链条上的关键环节.本文首先讨论各种GaN界面缺陷及其对界面热导的影响;然后介绍常见的界面热导研究方法,包括理论分析和实验测量;接着结合具体案例介绍近些年发展的GaN界面热导优化方法,包括常见的化学键结合界面类型及范德瓦耳斯键结合的弱耦合界面;最后总结全文,为GaN器件结构设计提供有价值参考.     

耦合带状线定向耦合器大功率合成器的设计

介绍了直线加速器高频全固态功率源中大功率合成器件-3 dB定向耦合器的理论计算和工程设计过程, 该合成器工作频率80.5 MHz, 输出连续波功率大于20 kW。 分析了合成器的功率容量, 并对相应的理论计算结果、 CST (Computer Simulation Technology)软件模拟计算结果和实际功率合成器件测量结果进行了比较。 通过比较得出, CST仿真结果与测试结果基本一致, 隔离度和电压驻波比等实测指标优于设计指标, 只有耦合度与设计指标有些偏差, 总体上达到了预期的设计要求。 在输出功率20 kW时, 取样波形无失真, 合成器无明显温升, 满足固态功率源大功率稳定运行的要求。 The principle of design and calculation of the power synthesis in the solid state amplifier are described in this paper. The working frequency of the synthesizer is 80.5 MHz. The output continuous wave power is more than 20 kW; The synthesizer power capacity is analyzed. The theoretical calculation results, Computer Simulation Technology (CST) simulated results are compared with the measured results of the actual 3 dB couplers. The analysis of the measured results and CST calculated results shows that the simulation is in agreement with the measurement results which meet the design requirements of the solid state amplifier. Except the coupling coefficient, the isolation, the VSWR and other parameters are better than the design target. When the output power is 20 kW, the sampling waveform has no deform and the temperature of the synthesizer is stable.     

大功率GaN基发光二极管等效串联电阻的功率耗散及其对发光效率的影响

由于自加热效应的存在,大功率GaN基发光二极管(LED)的芯片温度有可能高出环境温度很多,实验中,芯片温度超出环境高达147 K.从实验测量的大功率LED电流电压特性曲线中,将p-n结和等效串联电阻上的电压降落分离出来,得到了大功率LED等效串联电阻随芯片温度的变化情况.在输入电功率自加热效应的影响下,大功率GaN基LED等效串联电阻呈现出剧烈的变化,其阻值由低输入功率时的1.2 Ω降低到0.9 Ω,然后再升高到1.9 Ω,等效串联电阻的功率耗散在输入功率中所占的比例也随着输入功率的增加迅速增加,最高时接 关键词： 自加热 等效串联电阻 发光二极管 流明效率     

在强激发下GaN中的新辐射线

近来有几个作者研究了低温下GaN的发光情况,其主要的特征是在禁带(Eg=3.50eV)附近有一个很强的发光线,这发光线属于束缚于中性施主(I_2-线)的激子衰减和位于3.00-3.30eV的对的复合带。在本工作中我们着重研究近禁带发光与激发强度的关系。激发是用一个脉冲N_2气体激光器(100kW峰功率)给出的。GaN晶体是在蓝宝石上用气相外延生长的,与以前的工作相同,所用的晶体是不掺杂的但弄成不寻常的高导电性。     

HL-2Mװ��LHCDϵͳ3.7GHz΢������Դ���

介绍了HL-2M装置低混杂波系统中3.7GHz微波激励源的设计。微波激励源设计为模块化形式,由3.7GHz点频固态源单元、功率分配器单元、功率放大器单元和现场控制器单元等组成。微波激励源有8路输出端口,每个端口的输出功率在0~10W范围内连续可调,并可以实现远程控制输出功率;采用取样鉴相锁相环技术使微波输出信号具有相位噪声低、频率稳定度高、杂散抑制好等优点。频偏1kHz时,相位噪声是-115dBc/Hz,频偏10kHz时,相位噪声是-117dBc/Hz,频偏100kHz时,相位噪声是-122dBc/Hz;输出频率稳定度≤0.03ppm/30min;杂散抑制≤-80dBc。     

高功率跨波段相对论速调管放大器模拟设计

设计了一种能在S波段和C波段实现稳定输出的高功率相对论速调管放大器,并使用电磁粒子PIC程序进行了模拟研究。模拟结果表明:采用700 kV,4 kA的电子束,在注入微波功率340 kW、注入微波频率分别为2.8 GHz和3.2 GHz的条件下,通过合理选择输入腔和中间腔的结构和工作模式、调节器件输出腔的腔长,模拟实现了S波段（3.2 GHz）和C波段（5.6 GHz）分别为1 GW和490 MW的微波输出,束波转换效率分别约为35%和17%。     

kW级功率驱动的锁相高功率微波发生器

针对kW级微波驱动的锁相GW高功率微波,设计了一个高增益(大于50 dB)四腔相对论速调管放大器(RKA)。模拟表明,在此条件下高次模振荡严重影响器件的锁相实现。由此,将RKA结构与正反馈振荡电路结合起来,建立相应的等效电路来研究这种高次模激励的物理过程(即高次模的激励与中间腔之间耦合强度的相关性)。在高次模振荡的等效电路(即正反馈振荡电路)中,用衰减电阻代替结构中的微波吸收层来研究高次模振荡的抑制机理,衰减电阻通过对反馈过程的控制,提高了电路的自激振荡起振电流。在结构上按照衰减电阻要求设计了微波吸收层,将高次模振荡的起振电流提高到大于器件的工作电流,实现了高增益(约60 dB)条件下高次模激励的抑制。模拟获得了4 kW微波功率驱动的2.3 GW锁相高功率微波,增益接近60 dB。在LTD加速器平台的实验结果表明:注入微波由固态RF种子源提供(功率10 kW),输出功率达到1.8 GW,增益为52.6 dB,90 ns内输入和输出微波的相对相位差小于±10°,实验上实现了kW级注入微波对GW高功率微波的相位锁定。     

A High-Gain, 28GHz, 200kW Gyroklystron Amplifier

A design study of a high efficiency/gain gyroklystron amplifier is performed to demonstrate amplified radiation power of 200kW operating at 28GHz. A key design feature of the present gyroklystron amplifier is that the amplifier is designed to be high gain so that it can be saturated by a low power solid state power amplifier. A non-linear, time-dependent, large signal numerical code is used to predict tube performance. Simulations predict that a stable amplifier radiation power of 214kW is produced with a saturated gain of 54dB, an electronic efficiency of 37%, and a frequency bandwidth of 0.3% from a five-cavity gyroklystron amplifier. The amplifier gain is found to be very sensitive to a beam velocity spread.     

高增益相对论速调管放大器相位特性的模拟与实验研究

为实现高功率微波的相干功率合成, 开展了S波段高增益相对论速调管放大器输出微波相位特性的粒子模拟和实验研究, 粒子模拟与实验结果均表明电子回流是影响输出微波相位特性的主要因素. 在有效控制电子回流的情况下, 实验实现输出微波相位抖动小于± 10°, 锁相时间达90 ns. 以此计算, 若相位抖动在± 10° 内满足均匀分布, 十台该高增益相对论速调管放大器的功率合成效率将大于99%.     

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.     

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.     

Design of a high-efficiency C-band backward wave oscillator

For practicability of the high power microwave source,a C-band backward wave oscillator(BWO)which has high conversion efficiency is designed.When the axial guiding magnetic field is 0.83 T,the electron energy and the beam current of the diode are respectively 80 keV and 2.1 kA,a microwave output power of100 MW at 7.4 GHz microwave frequency with 65% conversion efficiency is achieved in simulation.     

X波段高功率相对论速调管放大器研究

为进一步提高X波段相对论速调管放大器的输出功率,采用理论分析与粒子模拟的方法对双群聚腔级联式相对论速调管放大器进行了研究。分析了提高注入腔对注入微波吸收效率的方法,分析了群聚腔调制能力与腔体模式、Q值等参数的关系,分析了输出腔提取效率与Q值的关系。在三维粒子仿真中,设计了模式反射器抑制TEM模式泄露与杂模振荡,得到了功率超过2.5 GW,频谱纯净,频率锁定为8.40 GHz,输出输入微波相位差稳定,抖动不超过2°的高功率微波输出。