Validity of the two-term Boltzmann approximation employed in the fluid model for high-power microwave breakdown in gas

The electron energy distribution function （EEDF）, predicted by the Boltzmann equation solver BOLSIG＋ based on the two-term approximation, is introduced into the fluid model for simulating the high-power microwave （HPM） breakdown in argon, nitrogen, and air, and its validity is examined by comparing with the results of particle-in-cell Monte Carlo collision （PIC/MCC） simulations as well as the experimental data. Numerical results show that, the breakdown time of the fluid model with the Maxwellian EEDF matches that of the PIC/MCC simulations in nitrogen; however, in argon under high pressures, the results from the Maxwellian EEDF were poor. This is due to an overestimation of the energy tail of the Maxwellian EEDF in argon breakdown. The prediction of the fluid model with the BOLSIG＋ EEDF, however, agrees very well with the PIC/MCC prediction in nitrogen and argon over a wide range of pressures. The accuracy of the fluid model with the BOLSIG＋ EEDF is also verified by the experimental results of the air breakdown.     

基于流体模型和非平衡态电子能量分布函数的高功率微波气体击穿研究

用流体模型研究高功率微波气体击穿时, 电子能量分布函数常被假设为麦克斯韦分布形式, 此假设可能将给模拟结果带来较大的误差. 通过求解玻尔兹曼方程, 得到非平衡状态下的电子能量分布函数. 分别将上述两类分布函数引入到流体模型中, 对氩气击穿进行了数值模拟. 结果表明, 基于非平衡分布函数得到的击穿时间与粒子模拟结果符合得很好, 而当平均电子能量较低时, 麦克斯韦分布函数的高能尾部导致了较短的击穿时间. 最后, 采用非平衡分布函数计算了不同压强下的氩气击穿阈值, 发现其与实验结果基本符合. 关键词： 微波气体击穿 电子能量分布函数 流体模型 玻尔兹曼方程     

适用于隧道环境的二元相控阵天线系统

为了满足在隧道环境中实现高速率、高质量无线通信的迫切需求,研究了适用于隧道环境的高增益天线,提出了利用二元相控阵天线系统提高隧道内信号传输质量的新方法。相控阵天线系统由两个高增益天线单元及一个移相器组成,通过移相器调整其中一个天线单元的相位,使隧道内合成电场的最小值幅值达到最大,提升信号的平均场强。仿真结果表明:与单个天线发射信号相比,在3000 m隧道轴向传播范围内,相控阵天线系统发射信号合成电场的最低电平最少提升了19.6 dB;与两个天线同时发射信号相比,最低电平最少提升了12.4 dB,取得较好分集优化效果,消除多径效应导致的深度衰落,解决了隧道环境中存在的通信问题。     

基于空频时间反演的空间功率合成技术

采用天线组阵辐射的方式实现空间功率合成,是获取高功率微波的有效途径。利用奇异值分解空频矩阵获取时间反演后向传输信号,天线阵列再次发射这些信号,能完成目标探测,同时在目标位置处实现空间功率合成。基于相同的峰值发射功率,频率提高后的空频时间反演方法合成功率达到了理想合成功率的87.39%;而TD-DORT方法仅为理想合成功率的19.55%。频率提高后的空频时间反演方法具有功率合成方面的高效性,探测目标的同时在目标位置处合成高功率微波,为空间功率合成提供了一种新的方法与途径。     

C/Ku波段共口径宽角度扫描相控阵天线

设计了一款具有高功率容量与宽角度扫描特性的C/Ku双频段共口径平面相控阵天线。在同一辐射口径内,相控阵天线包含有基于平面偶极子单元的C波段4×4阵列,以及基于混合零阶谐振贴片单元的Ku波段8×9阵列。所设计的相控阵天线的宽角度扫描性能归功于双频段阵元天线的宽波束辐射特性。下层混合零阶谐振贴片天线既能作为Ku波段的宽波束辐射单元,又能够为C波段的偶极子天线提供零反射相位,进而基于镜像原理拓宽偶极子天线的波束宽度。并且,对天线进行了介质埋入式设计,避免了空气击穿以提高天线系统功率容量。全波仿真结果表明,所提出的共口径相控阵天线在C和Ku双频段均实现了±45°的波束扫描,增益波动小于3 dB,天线阵列在各单元输入功率之和为1 W时功率容量达18.9 MW。