折叠型平板Blumlein线的理论与实验研究

 对折叠型平板Blumlein线的特征参数进行了理论分析,采用模拟软件对传输线中的电磁场分布和波的传播过程进行了计算。根据理论分析和计算结果设计并制作了耐压600 kV、延时40 ns、特征阻抗为5 Ω的折叠型平板Blumlein线,该Blumlein线以Kapton薄膜为介质、以铜板为导体,腔体尺寸为1.2 m×40 cm×40 cm,初步实验在水电阻匹配负载上得到幅值为400 kV、脉宽36 ns的电压波形和幅值为40 kA的电流波形。在同样体积下进一步设计制作了耐压600 kV、延时150 ns、特征阻抗为15 Ω的折叠Blumlein线,得到幅值为450 kV、脉宽150 ns的电压波形和幅值为18 kA的电流波形。     

折叠型平板Blumlein线的特征阻抗

 计算了折叠型平板Blumlein线平板部分的特征阻抗;对折叠部分的特征阻抗,采用基于单位长度电感和电容概念的方法进行了理论分析,并基于等效能量概念进行了数值计算,两种方法计算得到的特征阻抗值基本一致,而且与平板部分的阻抗值相差不大。使用电磁场模拟软件计算模拟了不同折叠内半径的折叠部分的电场分布,从而确定了最佳折叠半径;采用等效电路分析方法对匹配负载上得到的电压电流波形进行了模拟。设计并制作了折叠半径为10 mm,耐压500 kV,延时100 ns,特征阻抗为4.773 Ω的折叠型平板Blumlein线。在二极管匹配负载上得到幅值为500 kV,脉宽100 ns的电压波形和幅值为50 kA的实验电流波形。结果表明平板部分和折叠部分的特征阻抗的差值对实验波形几乎没有影响。     

Tesla变压器与Blumlein线一体化装置设计

介绍了Tesla变压器与Blumlein线一体化装置的基本原理,设计了Tesla变压器及Blumlein线的参数。对装置中绝缘薄弱点进行了电场分析,结果表明:Blumlein线结构设计满足变压器油中绝缘的要求,可以保证装置安全稳定运行。最后对整个装置进行了全电路模拟,模拟结果表明:形成线充电电压可达1.37MV,此时,50Ω上可得到脉冲电压的辐值约为1.4 MV,脉宽约为40 ns,满足设计要求。     

宽谱窄脉冲高功率微波产生的初步研究

为了探索短电脉冲产生高功率微波技术,采用理论和粒子模拟方法分析了短电脉冲(脉宽不大于30ns)驱动S波段相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)产生高功率宽谱的技术可行性,开展了原理性的实验验证。采用Marx发生器产生的前沿15ns、后沿30ns、电压560kV、束流2.8kA的类三角形电子束脉冲激励REICO,模拟产生了410MW、脉宽8ns、相对瞬时带宽2.7%的微波,实验输出了160MW、脉宽10ns、中心频率2.75GHz、瞬时相对带宽2.8%的高功率微波。     

S波段锥形磁绝缘线振荡器长脉冲实验研究

 对一种由弱变和强变结构组成的锥形磁绝缘线振荡器进行了长脉冲实验研究。在二极管电压350 kV左右、电流约25 kA、脉宽约128 ns的条件下,获得了500 MW、脉宽约90 ns的高功率微波输出。对波形中出现的拐点进行了分析,研究表明：二极管电压波形好坏会对微波源的性能造成严重的影响,较好的电压波形是实现长脉冲运行的关键。同时对采用不锈钢平面负载、不锈钢丝网状负载以及石墨负载电子收集极进行了实验研究,研究表明采用石墨收集极可以输出较好的微波波形。     

一种基于油介质开关振荡器的紧凑宽带高功率微波源（英文）

紧凑宽带高功率微波源研制过程中,为了提高工作电压,开关振荡器采用变压器油作为绝缘介质。研制了一种具有较小几何尺寸和前向辐射方向图的组合振子天线作为辐射天线。在设计阶段,采用电磁仿真软件对开关振荡器和辐射天线的性能进行了仿真和预测。然后,对该宽带高功率微波源进行了实验研究,并对辐射场进行了测量。结果表明:开关振荡器的工作电压超过300kV,辐射场rE值(距离和辐射电场峰值的乘积)达到125kV;辐射场中心振荡频率为375MHz,3dB带宽为24%。     

低阻抗紧凑型Marx直接驱动高功率微波源北大核心CSCD

研制了一套紧凑型脉冲功率源系统,用于驱动低阻抗磁绝缘线振荡器(MILO)。脉冲功率源采用Marx发生器技术路线,由10级电容和开关组成,单级电容为100nF/100kV电容,开关采用环形轨道气体火花间隙开关,通过紧凑型结构设计,降低系统回路电感,采用电阻作为级间放电的隔离元件,整个Marx发生器系统放置于变压器绝缘油中,以实现高压绝缘。Marx发生器系统充电电压为±50kV,总储能5kJ,在12Ω的水负载上可以获得600kV,50kA的脉冲输出,脉冲上升时间小于100ns。系统尺寸为1.2m×0.5m×0.6m。基于该低阻抗脉冲功率系统,直接驱动低阻抗磁绝缘线振荡器。在二极管电压约450kV,电流约40kA条件下,测得辐射微波功率约400MW,微波脉宽约60ns,微波频率1.23GHz,辐射微波模式为TM01模。     

一种油介质开关振荡器研究

为了产生较高中心频率宽带高功率微波, 对一种填充变压器油作为绝缘介质的1/4波长开关振荡器进行了研究。首先对这种开关振荡器特性阻抗分布进行了分析;然后利用静态电场仿真结果和变压器油击穿实验数据, 分析了该振荡器的耐压能力;在此基础上, 利用CST软件对其瞬态工作特性进行了仿真, 考察了开关间隙击穿位置和间隙电压下降时间对产生阻尼正弦信号的峰值和频率的影响;最后介绍了该振荡器以一种方向系数为3的短螺旋天线作为辐射天线的实验测试结果, 结果表明, 该开关振荡器充电电压上升时间为15 ns时, 耐压达到-322 kV, 产生宽带高功率微波中心频率约360 MHz, 3 dB带宽约22%, 辐射因子170 kV。     

Blumlein双极脉冲形成线

 为了提高超宽带系统的辐射因子,对超宽带脉冲整形技术进行了深入研究,介绍了采用Blumlein线产生双极脉冲的高功率双极脉冲产生技术。对采用Blumlein线产生双极脉冲的原理进行了讨论,通过数值模拟分析了影响双极脉冲形成的主要因素。设计了一套Blumlein高功率双极脉冲形成线,在800 kV脉冲源上开展了高压实验研究,分析了开关及形成线长度对形双极脉冲的影响。在输入单极脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,Blumlein双极脉冲形成线可以产生负峰电压为571.9 kV、正峰电压为550.4 kV、半周期为740 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.72倍,辐射因子为4.54 MV。     

长脉冲高功率微波驱动源放电过程研究

从理论上分析了充放电时高功率微波(HPM)驱动源——水介质脉冲形成线(PFL)上的波过程,提出了形成线放电过程的等效分析方法,得到了输出脉冲波形平顶畸变与PFL充电电压波形的关系,并使用Pspice软件对等效分析的结果进行了模拟验证.开展了基于水介质脉冲形成线的高功率微波驱动源的实验研究,并依据等效分析法得出的结论,通过控制激光触发开关的导通时间,明显减小了输出脉冲波形平顶的畸变,得到了幅值数百kV、脉宽约150 ns、平顶约60 ns的脉冲电压. 关键词： 脉冲形成线(PFL) 高功率微波 等效分析 平顶畸变     

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。     

L波段双频磁绝缘线振荡器的设计与粒子模拟

 提出了利用角向分区来产生双频高功率微波的思想,并根据常规磁绝缘线振荡器的互作用主要在轴向而与角向无关的物理机制,通过在常规磁绝缘线振荡器内设置谐振腔深度的角向分区,建立了L波段双频磁绝缘线振荡器的模型,并利用电磁模拟软件,优化设计了L波段双频磁绝缘线振荡器。粒子模拟的结果为：在电子束电压为530 kV,电流为45.5 kA的条件下,得到了稳定的双频高功率微波输出,其微波频率分别为1.28 GHz和1.50 GHz,周期平均功率约为2.65 GW,功率效率约为11%,两个频率的频谱幅度相差约0.4 dB。     

一种改进型C波段磁绝缘线振荡器的数值模拟研究

 提出了一种改进型C波段磁绝缘线振荡器，并对其进行了优化设计。首先根据磁绝缘原理对慢波结构进行了理论分析，并选择了磁绝缘线振荡器阴极半径和主慢波结构的基本参数，然后用2.5维全电磁PIC方法研究了输出功率与其它参数之间的关系。模拟表明，优化结构可以在输入约21GW电功率（工作电压约500kV）的条件下，得到频率3.91GHz、平均功率2.71GW的微波输出，其饱和时间为10ns，平均效率为12.9%。     

C波段磁绝缘线振荡器的理论设计与实验

 通过理论分析与计算，设计加工了一个C波段磁绝缘线振荡器（MILO），并进行了实验研究。在二极管电压为437～464 kV、二极管电流为36～39 kA的条件下，从实验上获得了功率为1.60～1.68 GW、频率为3.60～3.66 GHz、脉宽为33～38 ns的TEM模高功率微波辐射，功率转换效率大于9%。     

A Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator with overmoded slow-wave-structure

In order to enhance the power capacity, an improved Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator(MILO) with overmoded slow-wave-structure(SWS) is proposed and investigated numerically and experimentally. The analysis of the dispersion relationship and the resonant curve of the cold test indicate that the device can operate at the near π mode of the TM01 mode, which is useful for mode selection and control. In the particle simulation, the improved Ku-band MILO generates a microwave with a power of 1.5 GW and a frequency of 12.3 GHz under an input voltage of480 k V and input current of 42 k A. Finally, experimental investigation of the improved Ku-band MILO is carried out. A high-power microwave(HPM) with an average power of 800 MW, a frequency of 12.35 GHz, and pulse width of 35 ns is generated under a diode voltage of 500 k V and beam current of 43 k A. The consistency between the experimental and simulated far-field radiation pattern confirms that the operating mode of the improved Ku-band MILO is well controlled inπ mode of the TM01 mode.     

三阴极强流加速器研制

 研制了一台能同时产生3电子束的高功率强流加速器,该加速器主要由初级储能部分、线绕式脉冲变压器、水介质形成线和三阴极二极管组成,3根阴极分别伸入3个独立的漂移管,对3个电子束之间相互作用的电磁力起屏蔽作用。当该加速器二极管接单个阴极时,产生的电功率超过50 GW;当该加速器二极管同时接3个阴极时,产生3个电子束的电功率分别超过10 GW;当该加速器被用于驱动3个高功率微波管时,能产生L波段1.0 GW,S波段1.0 GW和C波段300 MW的微波输出。     

P波段混合型MILO的粒子模拟

 结合负载限制型磁绝缘线振荡器(MILO)和渐变型MILO的特点提出并设计了P波段混合型MILO的结构,主要以负载限制型MILO结构作为雏形,将其内部仅含有的1根提取叶片用3根长度渐变的慢波叶片组成的渐变段替换。该结构可更好地实现束波相互作用,并使提取间隙电场与MILO输出同轴结构处的电场达到更好的匹配,增加微波输出功率。器件纵向总长度为47 cm,外筒直径为44 cm。优化后的2.5维全电磁粒子模拟结果表明：在二极管工作电压550 keV、电流约57 kA的情况下,输出微波的中心频率为640 MHz,平均功率为4.27 GW,束波转换效率为13.6％,器件4 ns时起振,6 ns达到饱和,且微波输出功率十分稳定,最终输出微波模式为TEM模。     

Investigation of an X-band magnetically insulated transmission line oscillator

An X-band magnetically insulated transmission line oscillator （MILO） is designed and investigated numerically and experimentally for the first time. The X-band MILO is optimized in detail with KARAT code. In simulation, the X-band MILO, driven by a 720 kV, 53 kA electron beam, comes to a nonlinear steady state in 4.0 ns. High-power microwaves （HPM） of TEM mode is generated with an average power of 4.1 GW, a frequency of 9.3 GHz, and power conversion efficiency of 10.870 in durations of 0-40 ns. The device is fabricated according to the simulation results. In experiments, when the voltage is 400 kV and the current is 50 kA, the radiated microwave power reaches about 110 MW and the dominating frequency is 9.7GHz. Because the surfaces of the cathode end and the beam dump are destroyed, the diode voltage cannot increase continuously. However, when the diode voltage is 400 kV, the average power output is obtained to be 700 MW in simulation. The impedance of the device is clearly smaller than the simulation prediction. Moreover, the duration of the microwave pulse is obviously shorter than that of the current pulse. The experimental results are greatly different from the simulation predictions. The preliminary analyses show that the generations of the anode plasma, the cathode flare and the anode flare are the essential cause for the remarkable deviation of the experimental results from the simulation predictions.     

L波段硬管磁绝缘线振荡器的研制

 对L波段磁绝缘线振荡器(MILO)的二极管进行了研究,优化了器件的设计,以及辐射天线一体化的设计,研制出了L波段硬管 MILO。硬管MILO的实验结果是：在电压为450 kV、电流为35 kA的条件下,L波段硬管 MILO的输出微波频率为1.22 GHz,功率大于1.5 GW,微波脉宽半高宽约20 ns,功率效率约10%;硬管MILO的保真空时间超过了5 h。