抑制地面反射影响的高功率微波辐射场测量方法

在对空气-地面分层媒质中微波传播与反射理论分析的基础上,研究了地面反射对测点处不同垂直高度电场分布的影响,推导得到了电场分布随垂直高度变化曲线的振荡周期理论计算公式,针对高功率微波源总功率测量,提出了一种双天线阵列抑制地面反射影响的高功率微波辐射场测量方法,通过数值计算、低功率连续波实验、大功率短脉冲实验等进一步验证了理论公式的正确性,以及双天线阵列抑制地面反射影响方法的可行性。结果表明,与单接收天线相比,双天线阵列法可将地面反射影响由原有的4dB降低至0.6dB以下,从而有效减小了高功率微波辐射场的测量不确定度,为高功率微波源总功率准确测量奠定了基础。     

开口波导有效接收面积的测量

高功率微波功率测量的基本思想是将高功率降为低功率来进行测试，空间辐射场测量方法是基于该思想的功率测量方法之一。空间辐射场测量方法是通过测量接收天线接收的辐射场功率来测量微波源的功率，该方法需要已知接收天线在特定频率下的有效接收面积，以便计算出辐射源的功率。对于标准接收天线的有效面积，可以采用近似值来代替接收天线的有效面积，但是测量结果误差较大，因此，为了准确测量辐射源的功率，     

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。     

一种小型化高功率微波辐射场功率密度测试系统

为解决现有高功率微波辐射场功率密度测量系统测量环节多、系统复杂以及长电缆无法适应复杂电磁环境测量等问题,研制了一款小型化、一体化辐射场功率密度测量系统。系统采用天线-耦合器-转换器作为接收前端,后端采用同轴信号处理单元,在屏蔽箱内完成信号衰减、功率探测及电光转换,可实现系统远程测量与监控,可用于连续波、单次脉冲、连续脉冲辐射场功率密度测量。同时,系统采用模块化校准,可有效降低测量系统不确定度。该系统具备30 dB动态,最小可测脉宽50 ns,可测辐射场功率密度100 MW/m^2,系统结构紧凑,简便易携,采用光纤传输,抗电磁辐射,可实现X波段GW级高功率微波辐射场功率密度快速测量。     

X波段高功率微波馈源辐射总功率阵列法测量技术

 分析了采用阵列法测量高功率微波(HPM)馈源辐射总功率的相关技术环节。仿真计算了某型X带HPM馈源辐射场分布,设计了积分法测量辐射总功率的参数,并对积分总功率与端口注入功率的关系以及积分方法引入的测量误差进行了计算。设计了由8路HPM辐射场功率密度测量系统组成阵列,对馈源辐射场功率密度进行测量,保证功率密度测量结果一致性和重复性。测量结果表明：多路测量系统测量波形相同,单路系统多次重复测量偏差在±0.1 dB内,多路测量系统对同一点辐射场功率密度测量偏差在±0.3 dB内,馈源热测E面方向图与冷测结果基本符合,积分总功率与等效辐射功率测量结果吻合较好。     

一种远程HPM测量数据采集系统的设计与实现

为获取某型高功率微波辐射系统辐射至空中靶目标处(数十m至数百km处)的微波脉冲参数,基于某升空平台无线数传链路,设计了一种结构简单、紧凑的远程无线高功率微波辐射场测量数据采集系统。该系统具备运行状态动态指示、测量参数远程设置以及波形数据实时显示等功能,质量小于2 kg,瞬时动态范围大于15 dB。试验结果表明:测量系统具备高重频微波脉冲参数测量能力,能实时有效捕获辐射场微波波形,运行稳定可靠,可满足百km级距离上的空中辐射场测量需求。     

0.14 THz高功率太赫兹脉冲的参数测量

给出了0.14 THz高功率单次脉冲信号的频率和功率的测量方法及实验结果。针对高功率太赫兹脉冲频率高、峰值功率高和脉宽短的特点,实验中采用了截止波导滤波法与谐波混频法相结合的方式准确测定了脉冲信号频率,利用辐射场功率密度积分法获取了辐射脉冲的远场功率分布,并给出了单次脉冲的辐射功率。某实验条件下的测量结果表明,0.14 THz高功率太赫兹脉冲的频率为0.146 3 THz,脉宽约为1.5 ns,功率不小于0.5 MW。     

一种紧凑型高功率宽带微波源

 设计了一种高功率宽带微波辐射装置,谐振器采用传输线型谐振器,其中,天线采用单锥喇叭。整个宽带微波产生装置具有结构紧凑、谐振频率较低的特点。用时域有限差分对该装置进行了数值模拟,模拟结果为：辐射场中心频率272 MHz,带宽13.5%。装置与高压脉冲源联试,开关内充电电压为71 kV时,辐射场中心频率为197 MHz,辐射场带宽达到24%,峰值辐射因子为28.3 kV。     

36单元高功率双层径向线螺旋阵列天线功率容量

 对36单元高功率双层径向线螺旋阵列天线的功率容量进行了研究。讨论了真空状态下的微波击穿和真空与大气交界面的微波击穿，以这两种状态下的击穿阈值为依据，论证了阵列天线实现1 GW高功率微波辐射的可行性。采用有限元软件数值模拟了中心频率为4.0 GHz的阵列天线的功率容量，给出了模拟结果并分析了功率容量降低的原因；提出了提高阵列天线功率容量的技术途径。结果表明：改进的高功率双层径向线螺旋阵列天线可以实现1 GW高功率微波的发射。     

高功率速调管双管功率合成可行性与技术方案研究

对由两支500kW高功率速调管功率合成得到1MW长脉冲低混杂波(LHCD)微波源的可行性进行了分析,并设计了双管功率合成的方案。在HL-2A装置低杂波实验平台上,利用兆瓦级功率合成器,结合相位反馈技术,对两支高功率速调管、四路250kW进行相干微波功率合成,从而得到1MW LHCD微波。经过可行性分析得到,双管相位偏离15^o时合成效率下降约1.8%,幅度偏差10%时合成效率下降约0.1%。由此可得到双管功率合成技术的具体实施方案。     

X波段新型低阻抗高功率微波源的模拟研究

提出了一种新型低阻抗高功率微波源,能在单个器件内产生两束锁相的相干高功率微波,对两束相干微波进行功率合成有望在单个高功率微波器件中实现更高的功率输出.粒子模拟结果显示,在电压687 k V、磁场0.8 T时,该微波源整体阻抗36?,两束微波的频率都为9.72 GHz,输出功率分别为1.20 GW和2.58 GW,功率效率分别为28%和30%;两束输出微波之间频率抖动小于±3 MHz,相位差抖动小于±3?.     

高功率微波作用下热载流子引起n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管特性退化研究

高功率微波(HPM)通过使半导体器件特性退化和功能失效,从而干扰电子系统无法正常工作. 针对金属氧化物半导体(MOS)器件的HPM效应, 建立了高功率微波引起n型金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOSFET)特性退化的物理过程与模型. 器件仿真结果中nMOSFET的输出特性曲线显示栅极注入HPM引起器件特性退化,包括阈值电压正向漂移、 饱和电流减小、跨导减小等;结合物理模型分析可知, HPM引起的高频脉冲电压使器件进入深耗尽状态, 热载流子数目增多,热载流子效应导致器件特性退化. MOS器件的HPM注入实验结果显示,器件特性曲线、器件模型参数变化趋势与仿真结果一致, 验证了HPM引起nMOSFET特性退化的物理过程与模型.     

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。     

新型高功率微波探测器

 通过对半导体材料中载流子迁移率的特性分析，在原HPM探测器的基础上，提出了探测器中半导体传感器的新设计，使探测器的检测灵敏度提高一个量级；同时研制成功S波段HPM探测器。在传感器的加工方面采用了新的工艺，并对电源进行了改进，使之功能完善、使用简单、具有实用性。其电源偏压在40V时，X波段的探测器在60kW时输出检测脉冲信号幅度高达9V，S波段的探测器在600kW时输出检测脉冲信号幅度高达10V，可适用于10～500ns脉宽的HPM功率测量。     

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。     

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。     

高功率微波天线增益测试方法研究

介绍了几种天线增益的测试方法,并根据高功率微波(HPM)天线的特殊性,提出了一种窄脉冲激励下HPM天线增益测试方法。利用直接功率测量方法,将窄脉冲信号源作为发射信号源,通过标定不同脉冲宽度下接收天线的最大接收功率,开展实验研究,测得窄脉冲条件下天线的增益值。测试结果表明:在脉冲宽度大于25 ns的微波脉冲激励HPM天线时,天线增益测试结果与连续波条件下天线增益测试结果相同。     

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。