X波段脉冲压缩装置的数值模拟及优化设计

 利用有限元方法,通过调节X波段脉冲压缩装置的腔体长度、输入膜片宽度、输出耦合口位置等参量,研究了这些参量对谐振频率和品质因数的影响关系。研究表明：通过微调腔体长度并优化结构参数,可以将该装置的工作频率限制在规定的范围内;输入膜片缝隙由宽变窄的过程中,驻波比由大变小,达到临界耦合后,驻波比又由小变大,且谐振频率略有升高;品质因数与H-T分支的T形输出口的微波泄露密切相关,而该输出口泄露的大小随短路面到H-T分支中线的距离周期性变化。模拟得到的膜片距输出口中线长度为1 133.75 mm,分支中线到短路面的长度为95.25 mm,输入膜片宽9 mm,本征频率为9.387 2 GHz,输入耦合系数为1.15,品质因数为8 000。根据数值模拟结果,优化设计了一套脉冲压缩装置,实测得到的工作频率为9.388 4 GHz,输入耦合系数为1.03,品质因数为5 500。由于该装置输出口微波泄露较大,因此实测的品质因数比模拟的要小一些,这一点可以通过改进终端滑动短路面的调节方式来改善。     

横向电感膜片微波矩形波导的传输特性

以微波传输线等效二端口网络模型等效电路理论近似分析了含有横向电感膜片矩形波导的结构。计算发现,矩形波导内置一对膜片时膜片的宽度会影响散射参数的相位和振幅,而膜片放置的位置对散射参数的幅值及带宽没有影响。根据微波无反射传输的条件,研究了微波矩形波导内置两组横向电感膜片结构的转移矩阵。采用Matlab编程计算,得到在插入衰减最小时两组膜片在波导中的最佳间距。等效电路理论计算结果与用CST软件仿真的结果相符。研究发现,在膜片间距取最佳值时,两种方法得到的相对带宽差值仅为0.59%。     

石英晶振的储能特性

针对微弱环境能量难以直接快速存储的问题, 采用石英晶振作为储能元件设计了一种高效储能瞬放电路. 石英晶振的高品质因数特性使其能在较小的输入电压下产生剧烈的机械振动, 从而将微弱的电能转换成机械能存储在石英晶振中. 通过对石英晶振的储能原理与能量释放特性进行理论分析, 推导出石英晶振充放电过程中输出电压与时间的关系式, 以及石英晶振释放能量时最大瞬时输出功率与负载的关系式. 并对石英晶振的储能特性进行了实验验证. 结果表明: 实验与理论相符, 且在输入电压幅值为100 mV, 谐振频率f=1 MHz石英晶振的条件下, 石英晶振的储能效率可以达到77%, 能量释放效率为71.4%.     

扩展互作用谐振腔的模拟分析

 分析了扩展互作用谐振腔的工作原理、特点以及工作过程,并利用PIC粒子模拟程序对其进行了数值模拟,分析了阴极电压、电子注半径、谐振腔个数以及谐振腔周期长度对输出功率、频率及转换效率的影响。结果表明：当阴极电压为28.5~30.0 kV时,谐振腔能正常工作;当电子注半径为1.4 mm,谐振腔个数为4,阴极电压为29 kV时输出功率和转换效率最大,输出功率为128 kW,频率12.9 GHz,转换效率达37.93%;输出频率随谐振腔周期长度的变小而增大。     

基于双负介质与负介电常数介质交叠结构的谐振腔研究

通过探讨双负介质与负介电常数介质交叠结构的谐振特性,实现了一种能够同时缩小长度和宽度的改进的小型化谐振腔(IMCR). 对IMCR谐振特性进行了数值仿真,结果表明,IMCR能够在10.3GHz上稳定谐振,但其长度和宽度却分别只有4.58和5.08mm,相比于普通金属谐振腔的长度和宽度均缩短了一半. 这些结果对基于双负介质的小型化谐振腔的发展具有理论意义. 关键词： 双负介质 负介电常数介质 改进的小型化谐振腔 各向异性     

群时延时间法求解速调管输出腔的特性参数

以微波传输线理论和谐振腔等效电路理论为基础,分别对速调管滤波器加载谐振腔输出回路的间隙阻抗实部和端口群时延公式进行了推导,通过简化两公式的比值因子,得到了利用端口群时延特性来分析输出腔间隙阻抗-频率特性的原理和方法。利用3维电磁计算软件CST分别对X波段和Ku波段两个滤波器加载输出回路进行模拟计算,结果表明:群时延时间法与其他已有方法计算结果一致,验证了此方法的正确性。基于模拟计算软件强大的后处理功能,群时延时间法使速调管输出回路的计算步骤更加简捷直观     

计算波导加载谐振腔谐振频率的新方法

基于边界元法,提出了一种新的简单有效的计算速调管输出系统波导加载腔的谐振频率、场分布的方法。计算了一种矩形波导加载矩形谐振腔的常见结构。利用主模TE10波激励,在波导的端口处采用推导出的Robin-type边界条件,通过扫频的方式,观测选定场点的值,极值对应系统的谐振频率。数值结果表明:波导加载谐振腔的谐振频率要低于同尺寸谐振腔的频率,谐振腔内的电场分布也受到耦合孔的影响。利用边界元法计算波导加载腔这样的半开放系统,具有实现简单、计算精确度高、数据输入少、计算时间短等优点。     

无工质微波推力器推力测量实验

基于经典的电磁学理论, 本文建立了一套新概念空间推进装置-----无工质微波推力器系统, 这套装置可以直接把微波辐射能转换为推力而不需要任何推进介质. 与传统的空间推进装置不同, 该系统可以避免携带庞大的推进剂储箱并消除羽流对航天飞行器的污染. 该系统由集成在一起的圆台微波谐振腔、 微波源和负载组成, 其中微波源产生的微波辐射能被输入到圆台微波谐振腔内并形成纯驻波与电磁压强梯度, 从而沿圆台微波谐振腔轴线方向形成净推力. 本文根据随遇平衡原理, 通过克服推力器本身的自重和刚性阻力, 成功地测量出无工质微波推力器产生的净推力. 结果表明: 基于经典电磁学理论建立的无工质微波推进系统可以产生净推力; 当微波源输出2.45 GHz, 80---2500 W的微波功率时, 推力器产生的推力分布在70---720 mN范围内, 测量总误差小于12%.     

等效电路计算同轴输出腔TM310模式的间隙阻抗

设计了外Q值较小,工作于高阶横磁TM310模的X波段速调管单间隙同轴输出谐振腔。用微波等效电路理论计算了高阶横磁TM310模情形六个漂移管的等效间隙中心位置,由此计算腔内等效间隙中心到输出波导内横向膜片的等效长度。以MATLAB编程计算得到同轴谐振腔TM310模式加载矩形波导滤波器输出回路的间隙阻抗,其结果与传统冷测模拟法计算结果吻合。验证了等效长度计算方法的正确性,用于圆柱腔基模的传统微波等效电路理论能用于分析同轴谐振腔高阶横磁模式输出回路,且比传统的冷测模拟法及场分析法更为快捷。     

强流相对论环形电子束自调制振荡研究

 主要研究了强流相对论环形电子束在等位谐振腔内的非线性自调制振荡，用小信号理论分析了电子起振的条件，得出了电子起振的扰动频率。基于该理论分析，又提出了一种不外加磁场的新型高功率微波器件，该器件主要由一个圆柱谐振腔和一个同轴波导输出腔构成。用2.5维MAGIC粒子模拟软件对该非线性过程进行数值模拟，分析了输入电压、电流对输出微波功率的影响。模拟结果表明这种结构中确实存在非线性不稳定性，自调制的扰动频率则由电子束的初始能量、电荷密度和电子束的半径以及谐振腔的空间结构给定。利用谐振腔长为4.7 cm、二极管电压为2.8 MV、电流为20 kA的电子束，可以得到频率为4.29 GHz、功率为6 GW的微波输出，束-波转换效率约为11%。     

基于圆柱谐振腔的高功率微波脉冲压缩系统

提出了一种新型的基于圆柱谐振腔的高功率级波脉冲压缩系统,介绍了该系统的结构形式,给出了部分关键器件的数值模拟结果,对系统的功率容量及品质因数进行了初步分析.对于高功率微波(HPM)脉冲压缩系统来说,系统的功率容量与最终获取的HPM功率大小密切相关,谐振腔的固有品质因数与系统效率密不可分,工程实践表明,相对于基于矩形谐振腔的脉冲压缩系统,本文设计的基于圆柱谐振腔的脉冲压缩系统功率容量可提高一个量级,谐振腔的固有品质因数可提高5倍以上. 关键词： 高功率微波 脉冲压缩 谐振腔 功率容量     

非线性光纤光栅在禁带内对光脉冲压缩的机制

研究了非线性光纤光栅在禁带内对光脉冲的压缩机制，结果表明这是一介储能－调出禁带的过程，入射脉冲首先在光纤光栅中激发能量密度波包，它是有限长光纤光栅中的准孤立波，其在光纤光栅输出端的能量损失形成输出脉冲，并决定了输出脉冲的脉宽和峰值功率。在脉冲压缩过程中，自振荡效应可以导致输出脉冲的分裂，利用这种效应可以提高脉冲压缩比。     

微波谐振器系统的调谐实验研究

圆台谐振腔和微波产生及传输装置可以形成一套和外界独立的微波谐振器系统.由于壁面上电磁压强差的作用,圆台谐振腔可能产生净电磁力,这需要从实验上给予证明.为此首先应对独立的微波谐振器系统进行调谐实验研究,使系统时刻处于谐振状态,这是实验证明净电磁力存在的重要保证.为此,本文对圆台谐振腔进行低信号调谐实验,同时配合调谐元件,准确地调试2.45 GHz频率下的谐振状态,分析温度对谐振状态的影响.实验结果表明该微波谐振器谐振频率2.44895 GHz、品质因数117495.0823,而且当腔体壁温升高时谐振频率减小、品质因数出现周期性振荡.     

一种220 GHz分布作用速调管的高频系统模拟

对一种基于双排矩形波导慢波结构(SDRWS) 结构的3腔EIK进行了详细计算机模拟计算, 通过对基于SDRWS结构的EIK用输入输出腔的S11的模拟计算及对分布作用速调管用中间腔的本征频率的模拟计算, 初步确定了EIK用输入输出腔及中间腔的结构参数, 进而对EIK进行了PIC互作用模拟计算, 结果表明: 该EIK的3dB工作频带为219.5~220.5GHz, 3dB带宽为1GHz, 最大功率为456 W, 最大增益为40.06dB。在此基础上, 通过调整中间腔的波导头宽度以进行参差调谐, 用PIC互作用模型模拟计算研究了中间腔谐振频率对EIK整体性能的影响。结果表明, EIK的3dB工作频带主要由输入输出腔的通频带决定, 而中间腔的谐振频率也具有重要影响。当中间腔的谐振频率分别处于输入输出腔的通频带的低频端或高频端时, 可以使EIK的3dB工作频带向低频端或高频端得到一定程度展宽; 当中间腔的谐振频率高于输入输出腔的通频带的高频端时, EIK的增益在其3dB工作频带内较为平坦, EIK的输出信号在其3dB工作频带内比较稳定, 频谱的纯净程度较好。参差调谐的最终结果表明, 当中间腔的波导头宽度为0.747mm时, EIK获得了接近最优的性能, 3dB工作频带为219.5~220.0GHz, 3dB带宽扩展到1.2GHz, 最大功率为630W, 相应的最大电子效率为11.3%, 最大增益为47dB。     

Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5% conversion efficiency and 1.0 W peak power

We report a new photoconductive switch having an average output power of 44 microW, an instantaneous bandwidth of approximately 300 GHz, an output pulse width of approximately 2.2 ps, a peak output power of approximately 1.0 W, and an optical-to-electrical conversion efficiency of approximately 0.5% when pumped by a palm-sized mode-locked free-space laser at lambda=780.6 nm with an average power of 8.7 mW and an optical pulse width of approximately -230 fs. The switch is made from an ErAs:GaAs epitaxial layer inside a resonant optical cavity and coupled to a planar three-turn square spiral antenna.     

LaMgAl11O19:Co2+被动调Q铒玻璃激光器研究

综述了被动调Q铒玻璃激光器的发展概况,推导了被动调Q铒玻璃激光器输出脉冲能量、脉宽的解析表达式,数值模拟了腔内损耗与输出脉冲能量、脉宽及峰值功率的关系以及输出脉冲能量与输入抽运能量的关系.设计了一台LaMgAl11O19:Co2 被动调Q铒玻璃激光器,实验验证了数值模拟分析结果.结果表明,腔内损耗增加将导致输出脉冲能量下降,脉宽变大,从而峰值功率降低.输入能量低于12 J时,输出只有单脉冲,当输入能量大于12 J时,输出会出现双脉冲.在8 J的电输入下,获得了峰值功率50 kW,2.7 mJ的1.535 tm激光输出.最后讨论了提高单脉冲能量的方法.     

双激光二极管阵列侧面交错抽运的电光调Q Nd:YAG激光器

采用双激光二极管阵列(LDA)侧面交错抽运Nd:YAG晶体,通过电光调Q的方式获得1064 nm动态脉冲激光输出.这种抽运结构可以使晶体内的增益场与谐振腔基模实现良好的匹配,易于得到良好的光束质量和大能量输出.抽运源采用峰值功率为100 W的准连续LDA,采用直接贴近抽运的方式,KD*P晶体作为电光Q开关.并应用高斯光束传输的ABCD定律,计算了谐振腔稳区范围,给出了较为合理的谐振腔参数.所设计的激光器在重复频率20 Hz,抽运能量1200 mJ时,获得了最大输出能量151 mJ,脉宽8.48 ns的1064 nm动态激光输出,光-光转换效率为12.6%.     

Passively Q-switched 1.32-μm Nd:YAG laser with a V:YAG saturable absorber

By using a new saturable absorber V³⁺:YAG, a flash-lamp-pumped passively Q-switched Nd:YAG laser at 1.32 μm has been realized. The single-pulse energy and the pulse width of the output laser versus the pump energy are measured. With a cavity length of 440 mm and a pump energy of 43.4 J, the obtained single-pulse output energy and pulse width are 10 mJ and 86.9 ns, respectively, corresponding to a peak power of 115 kW.