宽带高功率贴片天线阵列辐射特性

 为提高宽带高功率微波辐射天线的总体功率容量和增益,研究了2×2宽带高功率贴片天线阵列的阵元互耦特性、馈电功分器设计及对宽带电磁脉冲的辐射特性。阵元采用宽带高功率双层贴片天线,分析了阵元反射和互耦系数随阵元间距的变化关系,结合增益变化曲线,选取阵元间距为30 cm。优化设计了1分4的同轴功分器,采用阻抗渐变方法,提高了功分器的带宽,使其在224~415 MHz时的反射系数小于0.1。模拟了带功分器的完整天线阵,结果表明天线阵带宽达到了57.4％,280~390 MHz频带范围内的增益大于12 dB,在360 MHz时达到最大增益14.23 dB,对中心频率320 MHz,带宽10％的宽带电磁脉冲辐射效率为868％,峰值功率增益大于11 dB。     

用于宽带高功率微波辐射的双层贴片天线特性

 研究了用于宽带高功率微波辐射的双层贴片微带天线输入阻抗带宽和辐射特性,提出一种适合于高功率微波辐射的圆锥传输线馈电结构以减小传统馈电探针的引线感抗,使天线的功率容量提高到百MW级,同时作为同轴线到径向传输线的过渡变换,使反射系数降低近50%。通过数值计算分析了不同的介质基底厚度组合和贴片尺寸对天线带宽的影响,优化参数后的天线带宽达到了34.9%(电压驻波比小于3),带内平均增益高于6.5 dB,最大增益8.3 dB,主辐射方向上的远场辐射因子与馈入宽带脉冲幅度比值大于1.3。分析了天线的功率容量,模拟计算表明该天线可用于辐射幅值300 kV的宽带高功率微波。     

特种电磁材料对非核电磁脉冲的屏蔽效能测试

 采用了窄带和超宽谱高功率微波源,在微波暗室和开阔试验场地中建立了多个典型波段的微波辐射场;并利用辐射场测量系统,对多种测试样片和屏蔽室模型试验样片的屏蔽效能进行了试验。结果表明：当测试窗样片厚度(屏蔽室模型试验样片壁厚)大于30 mm时,对窄带高功率微波的屏蔽效能可达到80 dB以上,对超宽谱高功率微波的屏蔽效能可达到50 dB以上。该特种电磁材料可广泛应用于三级屏蔽要求的工程中,当周围的电磁环境以窄带微波为主时,可谨慎应用于屏蔽要求较高的防护工程中。     

临近空间高功率微波辐照放电试验技术

随着高功率微波技术的发展, 电子设备面临强电磁辐射攻击的威胁越来越严重, 对电子设备的防护加固提出了更高要求, 临近空间飞行器及其放电效应是目前较少考虑的环节, 且缺少相应的环境试验条件。文章提出了一种将临近空间气体环境与高功率微波电磁环境相结合的方法, 在柱形真空罐内壁布置吸波材料, 使用MW级S波段微波源及辐射聚焦系统在腔室中心形成强电磁辐射区, 以便开展相关辐照放电试验研究。针对脉冲微波强场监测, 通过光纤电场探头测量小信号连续波的方式进行等效传递, 中心场强最高超过2kV/cm。利用该试验装置可开展临近空间电子学系统在高功率微波辐照下的放电击穿研究, 对薄弱环节分析及防护加固提供帮助。     

车辆线缆瞬态电磁脉冲耦合仿真与抑制技术

瞬态电磁脉冲可通过车辆互联线缆耦合至电子系统内部，造成电子设备受扰甚至损毁，研究瞬态防护器件对电磁脉冲的抑制特性可为车辆电磁防护设计与实施提供有力支撑。本文以发动机电控系统为研究对象，考虑关键金属结构、线缆与电子设备，建立发动机电磁仿真模型，计算获取了瞬态电磁脉冲作用下线缆端口耦合干扰特性；基于电磁脉冲注入方法设计并搭建了瞬态防护器件测试平台，获取了瞬态电压抑制器与压敏电阻两类典型瞬态防护器件的响应时间、钳位电压、尖峰泄露等响应特性；在仿真与测试结果的基础上，选取一型瞬态电压抑制器应用于凸轮轴位置传感器信号线的电磁防护。研究结果表明，该型瞬态电压抑制器对线缆瞬态电磁脉冲耦合干扰抑制能力接近20 dB，置于滤波器前端可有效抑制线缆耦合干扰，保护终端设备。     

一种基于油介质开关振荡器的紧凑宽带高功率微波源

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300 kV，辐射场rE值(距离和辐射电场峰值的乘积)达到125 kV；辐射场中心振荡频率为375 MHz，3 dB带宽为24%。     

X波段高功率宽带选模定向耦合器

过模圆波导在提高功率容量的同时,不可避免地会造成微波源中同时存在多种模式。为了监测X波段长脉冲高功率微波源TM₀₁模的输出功率和频谱,采用CST软件仿真设计了X波段高功率宽带选模定向耦合器,在耦合TM₀₁模的同时可实现对TM₀₂和TE₁₁模的抑制。波导腔体及耦合孔的尺寸以小孔耦合理论和相位叠加原理为基础并结合切比雪夫分布函数计算确定。仿真结果表明:该高功率宽带选模定向耦合器在9.0~9.8 GHz的带宽范围内,耦合度为(-59.08±1) dB,定向性大于30 dB,对TE₁₁模的抑制度大于15 dB,对TM₀₂模的抑制度大于30 dB,功率容量大于2.5 GW。     

孔缝对金属腔体强电磁脉冲耦合特性影响研究

核电磁脉冲和高功率微波等强电磁脉冲易造成电子设备功能失效甚至损毁,在实际工程实施中用金属腔体对电子设备进行屏蔽是常用的强电磁脉冲抑制手段。基于电磁仿真计算,对含矩形孔缝金属腔体的强电磁脉冲耦合特性进行了系统研究,阐述了孔缝宽长比、腔体尺寸等因素对多种不同类型强电磁脉冲（核电磁脉冲、宽带高功率微波、窄带高功率微波）作用下腔体内耦合场的影响;并以此为基础,重点分析了强电磁脉冲与含孔缝金属腔体之间的作用机制。研究结果表明:不同类型强电磁脉冲耦合信号差异明显,金属腔体对强电磁脉冲的响应是腔体谐振模式、孔缝谐振频率与强电磁脉冲共同作用的结果;当腔体谐振模式、孔缝谐振频率在强电磁脉冲的带内时,腔体内部的耦合场会出现增强效应;特别地,腔体与孔缝间的相互作用还可造成腔体与缝隙的谐振频率发生偏移。因此,在为电子设备设计金属屏蔽外壳时,应基于不同强电磁脉冲的频带范围,对腔体与孔缝的尺寸进行综合设计,抑制腔体、孔缝谐振及谐振频率偏移,提升其强电磁脉冲防护性能。     

级联式高功率微波限幅防护装置

针对单级等离子体限幅器在防护高功率微波时可能出现的功率泄漏问题,提出等离子体限幅器与PIN限幅器在矩形波导中级联的新型防护装置.以功率为10 GW、频率为1 GHz高功率微波为例,通过计算单级等离子体限幅器的泄漏功率,分析比较了单级等离子体限幅器和级联式防护装置的防护性能.结果表明:对于单级等离子体限幅器不同情况的泄漏(即入射高功率微波场强小于限幅器击穿阈值场强和限幅器响应时间较长两种情况),采用级联式防护措施后,其泄漏功率被抑制在0.40 W以下.     

X波段高功率微波选模定向耦合器

高功率、长脉冲是高功率微波技术发展的趋势,提高微波器件的功率容量成为一项重要的任务,使用过模器件可以有效提高微波源的功率容量,然而却会带来微波源中同时存在多种模式的问题。为了识别一个X波段长脉冲过模高功率微波源的输出主模TM01模式,设计了一种在线选模定向耦合器,进行了理论分析和模拟优化设计。当频率范围为9.2~9.6 GHz时,模拟结果显示该选模耦合器对TM01模的耦合度为-54 dB,在400 MHz带宽内定向性大于35 dB,对TM02模的抑制度大于15 dB,功率容量可达到3 GW以上。     

大功率宽频带G波段三次谐波放大器设计研究

针对G波段真空电子器件对大功率、宽频带信号源的需求,开展了G波段三次谐波放大器研究。该放大器利用E波段行波管非线性互作用中的三次谐波电流,通过级联谐波互作用段实现G波段电磁波放大。高性能、实用化G波段宽频带大功率源的设计方案采用非半圆弯曲波导边界折叠波导,利用微波管模拟器套装（MTSS）软件对G波段三次谐波放大器进行模拟优化,结果显示,器件在15 GHz范围内可实现谐波输出功率＞3.6 W,转换增益＞33.3 dB,电子效率＞0.36%。与其他工作在该频段的小型化太赫兹辐射源相比,谐波放大器在输出功率和带宽方面性能优越,为后续开展G波段三次谐波放大器的实际研制工作提供了设计基础。     

Gain compensated symmetric loaded transmission line exhibiting bidirectional negative group delay

A one-dimensional medium capable of bidirectional lossless negative group delay electromagnetic wave propagation is described. The medium is implemented as a microwave circuit comprising two symmetric resonator-loaded transmission lines, with active gain compensation and coupled through power combiners. We experimentally demonstrate the circuit is conditionally stable and is capable of lossless transmission of a finite bandwidth pulse in both directions. A measured group delay of ?600?ps with a gain of 1.12?dB in both directions is achieved for a Gaussian pulse with a bandwidth of 14?MHz modulated at a frequency of 280?MHz (NGD-bandwidth-product of 0.0084). This circuit demonstrates the possibility of constructing a one-dimensional spatial void.     

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。     

Design of a re-entrant double-staggered ladder circuit for V-band coupled-cavity traveling-wave tubes

The re-entrant double-staggered ladder slow-wave structure is employed in a high-power V-band coupled-cavity traveling-wave tube. This structure has a wide bandwidth, a moderate interaction impedance, and excellent thermal dissipation properties, as well as easy fabrication. A well-matched waveguide coupler is proposed for the structure. Combining the design of attenuators, a full-scale three-dimensional circuit model for the V-band coupled-cavity traveling-wave tube is constructed. The electromagnetic characteristics and the beam-wave interaction of this structure are investigated. The beam current is set to be 100 mA, and the cathode voltage is tuned from 16.8 kV to 15.8 kV. The calculation results show that this tube can produce a saturated average output power over 100 W with an instantaneous bandwidth greater than 1.25 GHz in the frequency ranging from 58 GHz to 62 GHz. The corresponding gain and electronic efficiency can reach over 32 dB and 6.5%, respectively.     

Design of a reentrant double staggered ladder circuit for V-band coupled-cavity traveling-wave tube

The reentrant double staggered ladder slow-wave structure is employed in a high-power V-band coupled-cavity traveling-wave tube. This structure has a wide bandwidth, a moderate interaction impedance, and excellent thermal dissipation properties, besides the easy fabrication. A well-matched waveguide coupler is proposed for the structure. Combining the design of attenuators, a full-scale three-dimensional circuit model for the V-band coupled-cavity traveling-wave tube is constructed. The electromagnetic characteristics and the beam--wave interaction of this structure are investigated. The beam current is set to be 100 mA, and the cathode voltage is tuned from 16.8 kV to 15.8 kV. The calculation results show that this tube can produce a saturated average output power over 100 W with an instantaneous bandwidth greater than 1.25 GHz in the frequency ranging from 58 GHz to 62 GHz. The corresponding gain and electronic efficiency can reach over 32 dB and 6.5%, respectively.     

高功率微波与等离子体相互作用理论和数值研究

研究高功率微波与等离子体的相互作用,对于微波放电和电磁兼容研究均具有重要意义.基于波动方程、等离子体的流体力学方程以及波尔兹曼方程,建立高功率微波脉冲与等离子体相互作用的理论模型,并结合等离子体的特征参数,采用时域有限差分方法分析了等离子体电子密度和高功率微波传输特性的变化.结果表明,由于高功率微波的电子加热作用,等离子体中的非线性效应明显,发生击穿使得等离子体电子密度增大,从而导致微波的反射增强,透过率降低.所提出的模型和相关结果对于高功率微波和电磁脉冲防护具有指导意义.     

大功率TEA CO2激光系统的电磁兼容设计

大功率TEA CO2激光系统工作时产生的强电磁干扰主要来源于激光主放电回路、脉冲火花开关和电源。这种强电磁脉冲干扰对激光系统内部及相关外部设备的电子系统具有很大的干扰和破坏作用。对大功率TEA CO2激光系统的电磁干扰进行了分析计算,在此基础上对大功率TEA CO2激光系统进行了EMC设计。硬件设计手段分别采用了对电磁干扰源和控制子系统进行屏蔽、系统合理布局与布线、滤波隔离,软件采用了数据冗余纠错、冗余化操作和数据鉴别等抑噪和纠错技术,有效地抑制了干扰电磁波在系统内外的传播,解决了大功率TEA CO2激光系统EMC问题。结果表明,对电磁干扰源和控制子系统进行屏蔽,系统合理布局与布线、滤波隔离等措施,是抑制电磁干扰,保证激光控制子系统硬件不受损坏的主要手段。软件抗干扰,是硬件抑制电磁干扰措施的补充和延伸,能使激光系统具有很高的可靠性。