基于圓柱諧振腔的高功率微波脈沖壓縮系統(tǒng)*

方進(jìn)勇 黃惠軍 張治強(qiáng) 黃文華 江偉華

1)(清華大學(xué)電機(jī)工程與電子應(yīng)用技術(shù)系，北京 100084)2)(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)(2009年10月21日收到;2010年6月29日收到修改稿)

基于圓柱諧振腔的高功率微波脈沖壓縮系統(tǒng)*

方進(jìn)勇1)2)黃惠軍2)張治強(qiáng)2)黃文華2)江偉華1)

1)(清華大學(xué)電機(jī)工程與電子應(yīng)用技術(shù)系，北京 100084)2)(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)(2009年10月21日收到;2010年6月29日收到修改稿)

提出了一種新型的基于圓柱諧振腔的高功率級波脈沖壓縮系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，給出了部分關(guān)鍵器件的數(shù)值模擬結(jié)果，對系統(tǒng)的功率容量及品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行了初步分析.對于高功率微波(HPM)脈沖壓縮系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的功率容量與最終獲取的HPM功率大小密切相關(guān)，諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)與系統(tǒng)效率密不可分，工程實(shí)踐表明，相對于基于矩形諧振腔的脈沖壓縮系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的基于圓柱諧振腔的脈沖壓縮系統(tǒng)功率容量可提高一個量級，諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)可提高5倍以上.

高功率微波，脈沖壓縮，諧振腔，功率容量

PACS:84.90.+a

1.引 言

高功率微波技術(shù)(HPM)是近年來得以快速發(fā)展的高新技術(shù)之一，產(chǎn)生高功率微波的方法很多，主要集中在相對論器件上，例如相對論返波管、相對論速調(diào)管及虛陰極振蕩器等［1—7］.脈沖壓縮方法則是當(dāng)前采用非相對論器件產(chǎn)生HPM的主要方法之一，其原理是將常規(guī)中大功率微波源產(chǎn)生的微秒級長脈沖壓縮成納秒級窄脈沖高功率微波，由于常規(guī)中大功率微波源的能量利用效率可達(dá)50%左右，而脈沖壓縮系統(tǒng)的效率可達(dá)40%以上，因此系統(tǒng)整體能量利用效率可以達(dá)到15%以上［8—10］.利用脈沖壓縮方法獲取HPM提出至今已有20余年的歷史，國內(nèi)外多年的研究均集中在基于矩形諧振腔的脈沖壓縮系統(tǒng)上，但自從上世紀(jì)90年代中期報(bào)道獲取了百M(fèi)W的微波功率后，近10年來，國內(nèi)外報(bào)道的獲取的微波功率再難突破，其原因是多方面的，主要原因在于矩形諧振腔的功率容量有限，另外，矩形諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)較低也制約了系統(tǒng)能量利用效率的進(jìn)一步提高［8—12］，國內(nèi)外曾有人對基于 TE01模及TE11模的圓柱諧振腔的脈沖壓縮系統(tǒng)進(jìn)行了探索［13—15］，但均未見有較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)道，其主要原因是難以找到一種合適的結(jié)構(gòu)形式將圓柱諧振腔的高功率容量及高品質(zhì)因數(shù)同時加以利用，本文提出了一種新型的基于圓柱諧振腔的高功率微波脈沖壓縮系統(tǒng)，可以較好地將兩者加以兼顧，利用該系統(tǒng)，有望獲取GW量級或更高功率的微波脈沖.

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

脈沖壓縮系統(tǒng)通常主要由四部分組成［10—12］，即輸入結(jié)構(gòu)、諧振腔主體、輸出結(jié)構(gòu)及開關(guān)等.外圍裝置包括初級微波源，環(huán)形器，傳輸波導(dǎo)及測量裝置等.近年來報(bào)道的兩種典型的基于圓柱諧振腔的脈沖壓縮系統(tǒng)如圖 1和圖 2所示［13—15］.

圖1，圖2所示的兩套裝置的儲能腔主體均為圓柱腔，圖1系統(tǒng)的工作模式主體為TEo01模式，圖 2系統(tǒng)的工作模式主體為TEo11模式，相對于基于矩形諧振腔的脈沖壓縮系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)均有較大提高，但由于系統(tǒng)輸出由矩形波導(dǎo)組成，與單純的圓柱腔相比，系統(tǒng)固有品質(zhì)因數(shù)仍有較大差距，另外整個脈沖壓縮系統(tǒng)的功率容量受矩形波導(dǎo)限制，圓柱腔功率容量較大的優(yōu)點(diǎn)并無法體現(xiàn).基于對以上系統(tǒng)的了解和認(rèn)識，本文提出了一種新型的基于圓柱諧振腔的脈沖壓縮系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.

由圖3可知，該系統(tǒng)的輸入結(jié)構(gòu)為TE10矩形波導(dǎo)—TE01圓波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，儲能裝置為圓波導(dǎo)，輸出裝置為 TE01圓波導(dǎo)—TE10矩形波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，開關(guān)為壁四周對稱開六小孔的帶可調(diào)短路活塞的圓波導(dǎo).事實(shí)上輸入結(jié)構(gòu)與輸出結(jié)構(gòu)所使用的模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)是相同的，只不過是前者將矩形波導(dǎo)中的TE10模式轉(zhuǎn)換成圓波導(dǎo)中的 TE01模式進(jìn)行能量存儲，后者則為前者的逆應(yīng)用，其作用是將儲能諧振腔存儲在圓波導(dǎo)中的 TE01模式微波轉(zhuǎn)換成矩形波導(dǎo)TE10模式進(jìn)行能量釋放，如果該模式轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換效率，則從理論上講整個脈沖壓縮系統(tǒng)將具有較高的輸入效率及輸出效率，該模式轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，數(shù)值模擬表明，該器件的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)96%以上，圖5是我們設(shè)計(jì)的X波段矩形波導(dǎo) TE10模至圓波導(dǎo) TE01模式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率隨微波頻率的變化曲線，可見該器件在較寬頻帶范圍內(nèi)均保持著較高的轉(zhuǎn)換效率.

圖1 一種工作于TE01模式的基于圓柱諧振腔的HPM脈沖壓縮裝置示意圖

圖2 一種工作于TE11模式的基于圓柱諧振腔的HPM脈沖壓縮裝置示意圖

圖3 一種完全基于圓柱諧振腔的HPM脈沖壓縮裝置示意圖

圖4 矩形波導(dǎo)TE10模至圓波導(dǎo)TE01模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)及場分布示意圖

如前所述，整個脈沖壓縮系統(tǒng)的四個主要部分均由圓波導(dǎo)構(gòu)成，因此系統(tǒng)的功率容量將僅由圓波導(dǎo)尺寸決定，同時系統(tǒng)的固有品質(zhì)因數(shù)也將會有一個較大提升.

3.系統(tǒng)功率容量及固有品質(zhì)因數(shù)簡析

圖5 X波段矩形波導(dǎo)TE10模至圓波導(dǎo)TE01模式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率隨微波頻率變化曲線

這里不對本文提出的基于圓柱諧振腔的脈沖壓縮系統(tǒng)的具體功率容量及損耗進(jìn)行量化分析，與基于矩形諧振腔的脈沖壓縮系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的功率容量及固有品質(zhì)因數(shù)將有一個較大提高，提高的幅度由具體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式而定，可以舉例進(jìn)行相對較為粗略的分析.例如條件為微波頻率工作于2.860 GHz，希望得到輸出脈沖寬度為10 ns的HPM脈沖，如果以基于矩形波導(dǎo)的脈沖壓縮系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，則通常選用BJ32的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，諧振腔的長約為1.0 m，寬為74.14 mm，髙為34.04 mm;如果選擇基于圓柱諧振腔為主體的脈沖壓縮裝置，則首先要確定諧振腔的半徑，其半徑要和矩形波導(dǎo)TE10模至圓波導(dǎo)TE01模式轉(zhuǎn)換器的半徑相當(dāng)，當(dāng)微波頻率確定后則模式轉(zhuǎn)換器在保持較高效率時圓波導(dǎo)的半徑選擇范圍也將確定，對于微波工作頻率2.860 GHz，選擇圓波導(dǎo)的半徑r約為80 mm可使模式轉(zhuǎn)換器的效率達(dá)到96%以上，圓波導(dǎo)半徑確定后，諧振腔的導(dǎo)波波長也將確定，根據(jù)輸出脈沖寬度的要求可進(jìn)一步確定諧振腔的長度，通過計(jì)算可知如果輸出脈沖寬度為10 ns，則諧振腔的長度約為0.9 m.對于矩形諧振腔，其工作模式為 TE10模式，最大場強(qiáng)處于寬邊的中間位置，最大距離d1為34.04 mm;對于圓柱諧振腔，其工作模式為 TE01模式，最大場強(qiáng)處于半徑的0.48倍處，最大距離d2=π×2×0.48r，約為241.1 mm;工作模式為TE10模式的矩形諧振腔及工作模式為TE01模式的圓柱諧振腔橫向切面電場分布如圖6所示，由圖可知，后者場強(qiáng)的最大容許距離為前者的8倍，如果諧振腔內(nèi)氣體成份相同且氣壓相同，則氣體的擊穿閾值相同，因此后者的功率容量理論上應(yīng)該為前者的64倍，即功率容量提高了一個量級以上.

圖6 工作模式為TE10模式的矩形諧振腔及工作模式為TE01模式的圓柱諧振腔橫向切面電場分布圖

下面對兩類諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行一個粗略比對.對于微波波導(dǎo)諧振腔，如果腔體內(nèi)填充介質(zhì)是近似無耗的，則其固有品質(zhì)因數(shù)可以由下式求?。?6］:

式中f0為諧振腔工作頻率;W為諧振腔平均存儲能量，其大小與諧振腔的腔體體積V成正比;Pc為諧振腔單位時間內(nèi)損耗的能量，即損耗功率，其主要由于腔體壁電阻引起的損耗，其大小與諧振腔的內(nèi)表面積S成反比.由此可知，Qc正比于V/S.

還是以以上兩個諧振腔為例，它們的工作頻率相同.對于基于矩形諧振腔的脈沖壓縮裝置，其腔體體積與內(nèi)表面積之比約為11.5;對于基于圓柱諧振腔的脈沖壓縮裝置，其腔體體積與內(nèi)表面積之比約為40;可以看到，后者約為前者的3.5倍，如果諧振腔壁損耗效率一致，則后者的固有品質(zhì)因數(shù)相對于前者應(yīng)提高3倍左右，另外諧振腔的工作模式對固有品質(zhì)因數(shù)有較大的影響，我們選擇的圓柱諧振腔的工作模式為TE01模，其在腔體內(nèi)壁上沒有軸向電流，內(nèi)壁損耗相對于工作于主模TE10模的矩形諧振腔為小，因此理論上講后者的固有品質(zhì)因數(shù)還應(yīng)當(dāng)更高.精確的數(shù)據(jù)還應(yīng)以實(shí)際測量為準(zhǔn).

4.初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)原則及結(jié)構(gòu)要求，我們設(shè)計(jì)加工了兩套基于圓柱諧振腔的脈沖壓縮裝置，分別工作于X波段及S波段，如圖7所示.

圖7 基于圓柱型諧振腔的脈沖壓縮裝置

X波段諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)約為2萬，S波段諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)約為5萬，與能夠提供相同輸出脈沖寬度的矩形諧振腔相比提高了約5—7倍［8—12］，X波段諧振腔固有品質(zhì)因數(shù)測試如圖8所示，通道1數(shù)據(jù)為諧振腔輸入口反射功率Pr與入射功率Pi之比，通道2數(shù)據(jù)為諧振腔輸出口泄漏功率Pl與輸入功率Pi之比，實(shí)際上是通過測量諧振腔的工作帶寬的方法來確定諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù).在X波段的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中，微波頻率9.3 GHz，系統(tǒng)輸入功率450 kW，脈沖寬度1 μs，獲得的輸出脈沖功率5—7 mW，脈沖寬度10 ns，功率增益10—16倍，能量效率大于10%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果部分優(yōu)于國際報(bào)道的最好結(jié)果［13—15］.實(shí)驗(yàn)波形如圖 9 所示.

圖9中示波器1通道為入射波形，2通道為反射波形，3通道為獲取的窄脈沖，從圖中可以看到，對應(yīng)于入射波形，輸出波形在輸入脈沖寬度為0.5 μs左右出現(xiàn)，說明開關(guān)擊穿在此時發(fā)生，因此，如果能夠進(jìn)一步提高諧振腔的功率容量，使開關(guān)擊穿盡量靠后，即達(dá)到諧振腔儲能最大值，則系統(tǒng)能量利用效率還有較大的提升空間.S波段利用基于圓柱諧振腔的脈沖壓縮系統(tǒng)獲取HPM的實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中，初步得到了400 mW的微波功率輸出，我們的目標(biāo)是利用該類裝置在S波段獲取1GW以上的HPM輸出.

圖8 X波段諧振腔固有品質(zhì)因數(shù)測試圖

圖9 X波段基于圓柱諧振腔脈沖壓縮系統(tǒng)獲取的典型實(shí)驗(yàn)波形

5.結(jié) 論

本文提出了一種新型的基于圓柱諧振腔的脈沖壓縮系統(tǒng)，建立系統(tǒng)的目的是將脈沖壓縮系統(tǒng)的功率容量在S及S以下頻段由百mW量級提高到GW量級，并進(jìn)一步減小系統(tǒng)損耗，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率獲取更高功率的HPM脈沖.初步實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在實(shí)踐上是可行的，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)采用的開關(guān)為自擊穿開關(guān)，下一步的工作是將激光觸發(fā)開關(guān)引入應(yīng)用，如果能夠較好地解決開關(guān)問題，則利用該類系統(tǒng)有可能獲取GW級以上功率的微波脈沖，使HPM脈沖壓縮技術(shù)成為未來獲取HPM的一種有效技術(shù)途徑.

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High power microwave pulse compression system based on cylindrical resonant cavity*

Fang Jin-Yong1)2)Huang Hui-Jun2)Zhang Zhi-Qiang2)Huang Wen-Hua2)Jiang Wei-Hua1)
1)(Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)2)(Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China)(Received 21 October 2009;revised manuscript received 29 June 2010)

High power microwave(HPM)pulse compression is a main method to obtain high power microwave with nonrelativistic devices.The mature HPM pulse compression systems are nearly all based on rectangular resonant cavity，and the pulse compression systems based on cylindrical resonant cavity are in progress.A new type pulse compression system based on cylindrical resonant cavity is proposed in this paper，and the structure of the system is different from those of all other HPM pulse compression systems ever reported.The structure and the numerical simulation results of the key parts are presented，and a preliminary analysis of the power capability of the system and the quality factor of the resonant cavity is also given.For a pulse compression system，the power capacity is a key factor for the output microwave pulse power，and the quality factor of the resonant cavity has a close relationship with the system energy efficiency.According to the experimental results，the pulse capacity of the pulse compression system based on cylindrical resonant cavity can be 10 times higher than that of the systems based on the rectangular resonant cavity，and the quality factor of the resonant cavity can be improved by a factor of 5.

HPM，pulse compression，resonant cavity，power capacity

*國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助的課題.

E-mail:fjy90@sina.com;fjy90@yahoo.com.cn

*Project supported by the National High Technology Development Program of China.

E-mail:fjy90@sina.com