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。     

X波段GW级长脉冲高功率微波源的设计与实验

通过理论分析指出,单模相对论返波振荡器内的平均场强正比于其工作频率,工作在高频段难以实现长脉冲运行。采用电磁场仿真方法,比较了X波段单模和过模慢波结构的场分布特点,结果表明:增加过模比能有效减小慢波结构表面的射频场强,但由于场分布变化导致场强的减小与过模比的增加相比并不显著。利用过模比约为3的慢波结构设计了一种X波段长脉冲高功率微波源。实验中,在单次运行条件下,输出微波功率达到2 GW、脉宽80 ns;在20 Hz重复频率运行条件下,输出微波功率达到1.2 GW、脉宽100 ns。器件产生的微波频率为9.38 GHz,主模为TM01,效率约24%。微波窗口和慢波结构表面的射频击穿是目前实验中限制微波功率和脉宽增加的关键因素。     

重频直线变压器长脉冲高功率微波驱动源研究

阐述了长脉冲高功率微波驱动源模块化的实现思想,分析了快直线变压器的铁磁损耗与激磁电流之间的关系,研究了系统输出波形畸变的主要因素,并通过工程实验取得了功率为数GW、重复频率为数十Hz、脉冲前沿约40ns的长脉冲电子束流输出,从而为重复频率长脉冲模块化高功率微波驱动源的研制提供了新思路.     

石墨阴极用于重频长脉冲高功率微波产生的初步实验

 选取两种不同成分的石墨材料（普通石墨和掺铜石墨）分别设计制作了用于电子显微镜实验的阴极样品和用于重频长脉冲高功率微波产生实验的阴极,并开展了初步实验研究。实验结果表明:掺铜石墨与普通石墨在微观结构方面存在明显不同,且掺铜石墨阴极在发射性能、微波脉冲宽度和微波脉冲后沿离散性等方面可能优于普通石墨阴极,但优势并不明显,还待在以后的实验中进一步验证。     

石墨阴极用于重频长脉冲高功率微波产生的初步实验

选取两种不同成分的石墨材料（普通石墨和掺铜石墨）分别设计制作了用于电子显微镜实验的阴极样品和用于重频长脉冲高功率微波产生实验的阴极,并开展了初步实验研究。实验结果表明:掺铜石墨与普通石墨在微观结构方面存在明显不同,且掺铜石墨阴极在发射性能、微波脉冲宽度和微波脉冲后沿离散性等方面可能优于普通石墨阴极,但优势并不明显,还待在以后的实验中进一步验证。     

高功率微波脉冲压缩技术实验研究

建立了利用储能切换法实现微波脉冲压缩的实验装置并进行了实验研究。在输入脉冲功率为2.7MW,脉冲宽度为1.4μs的情况下,脉冲压缩功率增益近40,输出微波脉冲功率为106MW,脉宽为13～14ns。实验结果表明输出功率增益与气压和气体成分没有明显的联系,气体击穿的分散性可能是导致输出功率增益波动的主要原因。     

高功率微波脉冲压缩技术实验研究

 建立了利用储能切换法实现微波脉冲压缩的实验装置并进行了实验研究。在输入脉冲功率为2.7MW,脉冲宽度为1.4μs的情况下,脉冲压缩功率增益近40,输出微波脉冲功率为106MW,脉宽为13～14ns。实验结果表明输出功率增益与气压和气体成分没有明显的联系,气体击穿的分散性可能是导致输出功率增益波动的主要原因。     

X波段高重频长脉冲高功率多注相对论速调管放大器的设计与实验研究

多注相对论速调管放大器向工程化和实用化方向发展,需要进一步提高其工作重频和使用寿命.针对高功率多注相对论速调管放大器在输出腔间隙电子束换能后,会出现电子返流轰击输出腔表面,以及输出腔间隙电场过高产生射频击穿导致输出腔表面出现烧蚀的问题,本文分析了强流相对论电子束在器件中的返流过程,在此基础上设计了四间隙扩展互作用提取结构以避免电子返流和降低间隙电场,并提高器件工作寿命.同时针对高工作频段高过模器件中常规水冷却通道会影响输出微波模式的问题,设计了同轴TEM模-扇形TE₁₀模-同轴TEM模-圆波导TM₀₁模的模式变换结构,模式转换效率大于99.9%,避免了收集极水冷却通道对输出微波模式的影响,以提高器件工作重频.在重频45 Hz工作条件下,实验实现X波段长脉冲GW级高功率微波稳定输出,器件累计运行约10000次,输出微波参数无明显下降.     

X波段百兆瓦级高功率微波合成器设计及实验研究

介绍了一种极化正交全耦合型高功率微波(HPM)合成器,其主要用途是实现两路HPM分时共用一个天线辐射.合成器主要由输入段、耦合段及输出段三部分组成,利用该合成器能够实现一个吉瓦级HPM脉冲序列和一个百兆瓦级HPM脉冲序列由一个公共端口共同输出.合成器输入段有与主通道及副通道相连的两个输入端口,合成器的主通道与公共输出口直接相连,副通道利用连续长缝结构将能量耦合进入主通道经公共输出口输出.利用数值模拟方法对合成器进行了优化设计,合成器主通道的能量传输效率可达99%以上,副通道的能量耦合效率可达96%以上.建 关键词： 高功率微波 合成器 耦合波     

高功率微波脉冲宽度效应实验研究

 根据部分高功率微波效应实验结果,初步总结了微波脉冲宽度与效应物扰乱阈值的关系,主要结论是：效应物的扰乱阈值在其它条件固定的情况下随脉宽的增加而降低,但存在一拐点区域,在拐点区域以后脉宽再增加则扰乱阈值不再发生明显变化。     

X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计

针对器件工程应用中的高功率高增益需求,设计了工作在X波段的高功率高增益多注相对论速调管放大器,建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型。设计双边对称耦合孔输入腔结构,降低了输入波导对输入腔间隙电场均匀性的影响以抑制非均匀干扰模式;设计采用多腔多间隙群聚结构,降低了输入微波功率的需求,提高了器件放大增益;并且分析设计了多间隙扩展互作用微波提取结构,提高了器件的功率转换效率以及降低输出结构表面电场强度。通过优化设计,粒子模拟仿真实现X波段多注相对论速调管放大器输出微波功率达到3.2 GW,器件放大增益约为60 dB,功率转换效率约为40%。器件验证实验在电子束电压550 kV,电流5.1 kA的情况下,输出功率为0.99 GW,放大增益约为53 dB,转换效率约为35%。     

X波段短脉冲相对论返波管设计与初步实验

 对基于短电子束脉冲超辐射机理的X波段相对论返波管进行了优化设计和粒子模拟,结果表明：在超辐射机理作用下,该器件能实现高峰值功率和高功率转换效率的微波辐射。在小型Tesla脉冲源基础上设计了阻抗变换段、二极管、磁场系统等装置,建立了一套小型窄脉冲电子加速器,以此为实验平台在低磁场条件下进行了器件的初步实验研究。在磁场0.73 T、束压约380 kV、束流约4.5 kA、脉宽3.1 ns条件下,实验获得的微波脉冲峰值功率约360 MW,脉宽1.10 ns,上升沿800 ps,频率9.15 GHz,功率转换效率为21%。     

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.     

X波段长脉冲多注相对论速调管放大器杂模振荡抑制

为进一步提高相对论速调管放大器(RKA)的工作频率和输出功率,开展了X波段GW级长脉冲多注RKA实验研究,对实验中出现的杂模振荡现象进行了模拟和实验分析。结果表明,电子回流是导致实验中出现杂模振荡的主要因素,采取了相应措施减少电子回流从而抑制杂模振荡,实现多注RKA输出微波功率约为0.98 GW,脉宽为95 ns,频率为9.405 GHz。     

High efficiency X-band relativistic backward wave oscillator with non-uniform slow wave structures

Backward wave oscillators (BWOs) driven by intense relativistic electron beams are very efficient means of producing high-power microwaves. However, the efficiency of conventional BWO is lower than 30%. An X-band oversized BWO with non-uniform slow wave structure is designed to improve RF output characteristics. In particle-in-cell simulation, a high power microwave with a power of 8.0 GW and efficiency of 40% is obtained, compared with that of 30% obtained in a conventional relativistic BWO.     

X波段同轴多注相对论速调管放大器的初步实验研究

为了提高相对论速调管放大器的工作频率和输出功率,结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点,设计了工作在X波段的同轴强流多注相对论速调管放大器,对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基波调制以及经过输出腔的微波提取过程进行了实验研究,得到了初步的实验结果.在输入微波功率30 kW,频率9.375 GHz,电子束电压670kV,束流5.3 kA,轴向引导磁感应强度0.8 T的条件下,得到了最大输出微波功率为420 MW,效率为12%,增益为41 dB,输出微波频率与输入微波一致.实验证实了采用同轴强流多注相对论速调管放大器实现X波段高功率微波放大的可行性,为后续更高功率研究打下了基础.     

阵馈抛物柱面天线合成超宽带高功率微波

在时域推导了超宽带脉冲空间功率合成的条件,得到了多路脉冲信号在极化方向相同,幅度、波形一致的条件下,可实现最大化功率输出的结论。基于此提出了一种阵馈的抛物柱反射面天线。采用10喇叭单元叠状排列形成一维馈源阵列放置于焦线上,照射抛物柱反射面后形成相干脉冲,在主轴方向合成超宽带高功率微波波束。仿真结果表明,该阵馈天线较最优口径的单馈源天线,远场辐射功率密度提高了87倍以上,且波束宽度由66°减为8°,实现了超宽带高功率微波的高效空间功率合成。     

X波段10 GW高功率返波管振荡器设计

设计了一个高效率的高功率返波管振荡器,通过添加内导体并采用过模慢波结构,实现器件的高效率、高功率运行. 当电子能量和束流分别为1.3 MeV和17 kA时,采用2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟得到频率为8.8 GHz,功率为10.4 GW的微波输出. 关键词： 内导体 相对论返波管 过模慢波结构