高功率微波测量用波导型负载的研究与设计

摘要

高功率微波通常工作于单脉冲或脉冲串模式下,具有峰值功率高、脉冲宽度窄等特点,在高能物理研究和国防科技领域有广泛应用,因此人们对高功率微波测量技术提出了越来越高的要求。高功率微波负载是测量系统的重要元件,用于吸收系统终端能量(X波段剩余功率可达100 kW),在系统中建立终端无反射或低反射状态,以保证测量准确性和可靠性。目前,常用“渐吸收”式波导负载很难做到尺寸紧凑与良好匹配的统一,难以满足高功率微波测量系统外场应用的小型化需求,并且高功率微波负载还需要考虑脉冲功率容量问题。因此,需要设计一种小型化、结构可靠、耐脉冲功率高的波导负载。
　　本文从微波与吸收材料相互作用的基本原理着手,分析了复介电常数和复磁导率等电磁参数对材料微波吸收性能的影响,在9.3 GHz附近测试了羰基铁、石墨、氧化铍、结晶硅等四种常见微波吸收材料的电磁参数,优选羰基铁作为波导负载的微波吸收材料。在此基础上,本文利用矩形谐振腔内插入微波吸收材料造成多次反射与吸收的物理现象进行小型化设计。从矩形谐振腔基本理论出发,详细研究矩形谐振腔的电场分布、谐振条件以及耦合状态对端口反射系数的影响,初步确定了波导负载长度和微波吸收材料放置位置。
　　本文还开展了高功率脉冲作用下的微波吸收材料吸收性能(即衰减量)变化规律和抑制方法研究,以优化和检验波导负载耐高功率脉冲的性能。本文搭建了由100 kW大功率微波源和多组定向耦合器组成的微波吸收材料大功率脉冲考核实验平台,实验研究给出了“渐吸收”楔形微波吸收材料在输入脉冲功率(2~100) kW范围内的衰减量变化规律——衰减量随输入功率的增大而下降(17.2 dB衰减量变化4.4 dB)并且衰减量越大其下降幅度越大;脉冲宽度(200~1000)ns和重复频率(10~500)Hz的改变对衰减量变化影响较小。针对楔形微波吸收材料大功率脉冲作用下的不稳定问题,根据趋肤效应,通过波导窄边插入棒状微波吸收材料增大微波和材料相互作用面积,以降低功率损失密度(Power Loss Density)表征的材料微波吸收率,从而有效提高波导负载的功率容量。实验结果表明:在上述功率变化范围内10 dB衰减量变化小于0.2 dB。
　　在上述研究工作的基础上,构建了一个波导窄边插入棒状羰基铁材料的波导负载模型。通过CST软件仿真分析了棒状羰基铁材料的半径、插入深度和距短路面距离等结构参数对端口反射系数的影响,优化仿真得到满足设计指标的波导负载结构参数并完成机械结构设计。最后,加工完成的波导负载长度为20 mm,约为“渐吸收”式波导负载的五分之一,低功率和大功率测试结果表明该波导负载端口驻波比(VSWR)小于1.20(9.0 GHz~9.47 GHz),在输入脉冲功率(2~100) kW范围内端口驻波比变化约1％,满足设计指标要求。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 课题目标、技术指标、主要研究内容和本文章节安排

第二章 负载设计理论简介

2.1 引 言

2.2 微波吸收材料

2.3 金属矩形波导内部场分布[54-56]

2.4 矩形谐振腔理论基础[57-58]

2.5 矩形波导谐振腔负载设计思想

2.6 本章小结

第三章 大功率脉冲作用下微波吸收材料衰减量变化规律和抑制方法研究

3.1 引言

3.2 材料在电场中的损伤[59,60]

3.3 负载常用微波吸收材料大功率脉冲作用下衰减量变化规律研究

3.4 衰减量随着功率变化原因探讨和抑制方法研究

3.5 本章小结

第四章 矩形波导负载设计与测试

4.1 引 言

4.2 传统干式负载

4.3 矩形波导负载结构设计、仿真与调试

4.4 负载机械设计及加工

4.5 波导负载测试

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究工作总结

5.2 创新点

5.3 工作展望

致谢

参考文献

作者在读期间的研究成果

附录A

附录B