对相对论返波管的慢波结构中横磁模-TM₀₁模的空间谐波系数进行了理论计算.理论上证明采用所述的4种方法构造的有限长度的慢波结构谐振腔,其一些电动力学特性可以等效为无限长结构的特性.根据慢波结构内场分布的特点和计算机数值模拟结果,提出为了提高相对论返波管的转换效率,一般选择慢波结构的起始端从波纹最深处开始.

设计了S波段的MILO,工作频率为2.33 GHz,器件不容易产生模式竞争,适合于单模运行.进一步对MILO进行改造:阴极加入端面发射,使磁绝缘效果更好;收集极采用金属薄膜,利用磁绝缘电流形成虚阴极,充分发挥负载电流的磁绝缘作用,利用负载电流参与波束能量转换,使输出功率和效率进一步提高.通过优化设计的虚阴极MILO,在输入电压为450 kV,电流为45 kA时,最终得到2 GW的周期平均输出功率,效率高达10%.

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%.

高峰值功率速调管因其作为高功率微波源而受到各国的重视.采用单电子注方案的高峰值功率速调管存在许多难以克服的问题,如工作电压很高,输出效率偏低,系统体积偏大等.对高峰值功率多注速调管进行了初步的研究,重点研究了S波段50 MW多注速调管的电子光学系统和高频互作用系统.研究表明,在与单注速调管相同的功率电平下,多注速调管的工作电压明显降低,输出效率明显提高,同时,这种管型也存在结构复杂、电子注聚焦和消除非工作模式困难等技术问题.

对于矩形栅这一经典的慢波结构,采用场匹配法来分析其慢波特性,进而得到其耦合阻抗.其中对槽区内的场处理,保留其高次项,表示为一无限本征驻波之和的形式.然后通过数值实例具体分析了矩形栅的两种典型结构:浅槽栅和深槽栅.当增大槽深后,色散增强,系统通带变窄,同时耦合阻抗有明显增大,工作点移向前向波区,适合用在放大器的慢波结构上.

从描述电子束运动的基本方程出发,引入一定条件下的近似,获得了一种实用的同轴二极管电流、电压与几何参数关系的近似解析解.给出了同轴二极管阻抗、间隙电压分布与二极管外加电压以及结构参数之间的关系式,并与1维模型精确数值解进行比较分析.采用了PIC数值模拟方法对该理论分析结果在常用参数范围内的准确性进行了验证,获得了一致的结果.与相对论条件下的实验结果数据相比,在二极管电压为300～700 kV时实验结果与该理论估算值非常接近.

集合准光腔型虚阴极振荡器和同轴虚阴极振荡器的优点,设计了一种新型的准光腔同轴虚阴极振荡器.采用自由电磁振荡理论分析了3反射镜准光学谐振腔中的场分布,并用2.5维全电磁PIC程序对该器件进行了粒子模拟.在输入电压为600 kV,二极管电流为50 kA的条件下,得到主频为7.0 GHz,峰值功率超过6 GW的功率输出,其平均功率达2.5 GW,平均束波转换效率为8.3%.

对几种用3维MAFIA仿真软件以及利用其准周期边界条件和后处理模块计算耦合腔行波管慢波结构的色散和耦合阻抗等冷测特性的方法进行了讨论,另外还对两种阻抗总阻抗和Pierce耦合阻抗的定义进行了充分讨论.考虑到休斯结构耦合腔行波管的电子是与耦合腔慢波结构的负一次谐波发生作用和耦合阻抗应该是电子注截面上的平均值等,指出总阻抗和Pierce耦合阻抗之间相差一个因子,考虑了这个修正因子之后,其结果将更接近实际情况.用这些方法计算耦合腔行波管的冷测特性,得到了与实验冷测值十分接近的结果.

在以10腔旭日结构为方案的可调谐相对论磁控管中,分析了热腔下对磁控管性能有重要影响的零模成分与模式隔离因素,结合零模成分的形成原因以及轴向频率分量对调谐范围的影响,提出了调整大、小腔等效阻抗和体积,开放阳极端面,从而减小零模分量及增加调谐带宽的措施.CST模拟表明,通过这些优化,可调谐相对论磁控管的调谐带宽从最初的380 MHz提高到900 MHz.

提出采用大口径、浅褶皱和短周期分段式慢波结构作为高功率毫米波绕射辐射振荡器的高频系统.采用通用理论对器件的色散特性进行了分析,用PIC方法对整体器件进行了模拟.在此基础上,开展了实验研究工作,测试了器件输出微波功率和频率.初步实验结果与理论分析和PIC模拟结果的趋势基本吻合.

在SPARK-04强流相对论电子束加速器上,对轴向反馈式虚阴极振荡器进行了实验研究,并采用远场测量方法对其激励的高功率微波辐射进行了测量,测得了微波辐射主模及辐射功率.结果表明:微波辐射主模为TM₀₁模,辐射功率大于500 MW,微波转换效率大于3%,辐射频率约3.6 GHz,微波脉宽大于20 ns.同时,采用单反射面Vlasov天线,实现了该器件所激励高功率微波的定向传输.

对8 mm基波回旋行波管放大器进行了研究.通过稳定性分析,选定了放大器的工作参数.利用PIC粒子模拟程序对放大器中的电子注-波互作用过程进行了详细的分析和讨论,获得了回旋行波管稳定工作的物理图像,完成了8 mm基波回旋行波管放大器高频系统的初步设计.模拟结果表明,在优化设计条件下,放大器可以获得大于450 kW的输出功率、50 dB增益、22.5%的效率和大约5%的3 dB带宽.

用KARAT-3D全电磁PIC程序,对多注速调管设计模型波束相互作用的物理过程进行3维数值模拟,给出了输出功率、电流等基本的物理参数.在输入电压14 kV,电流20.8 A时候,得到了128 kW的峰值输出功率,峰值效率是43.8%.考察了电子在高频场的运动和电流调制,分析了电流在各互作用腔中的调制,并对多注速调管不同发射度时电子传输进行了研究.结果表明:电子均匀发射时高频场的调制对电流传输效率影响不大,电流和电场调制随着腔的增加而增加.电子能量在输出腔的位置减小很多,电子有一部分能量转化为微波.

研究了铁电材料的电子发射特性,根据实验和数值模拟结果给出了铁电发射特性的定性解释,并指出目前的几种铁电发射理论都不足以完备地解释各种实验现象.设计了Pierce型铁电阴极电子枪,实现了束流的二级压缩,其总束流大于100 A.在此基础上,分析和设计了具有盘荷波导慢波结构的相对论行波管,得到了带宽500 MHz,增益约25 dB的X波段行波放大输出.

研制了高功率超宽带脉冲辐射实验装置.该装置主要由脉冲充电电源、超宽带脉冲产生装置、超宽带脉冲发射天线三部分组成.达到的主要指标为:脉冲电源输出电压600 kV、重复频率100 Hz;脉冲压缩输出峰值功率约10 GW、脉宽1.2 ns;在辐射天线轴上220 m处,辐射峰值电场16.1 kV/m、等效辐射功率0.42×10¹² W;辐射场E面方向图半功率宽度为8°,H面方向图半功率宽度为9°.

利用有限元方法对无穷大平板二极管中阴极表面金属微凸起的微观电场增强因子进行了计算研究,给出了微凸起微观电场增强因子随凸起参数的变化规律,拟合得到了微观电场增强因子的简单实用的经验表达式,并与文献中的近似公式进行了比较.模拟的结果表明,对锥状球头微凸起的电场增强因子,文献给出的近似公式误差较大,应避免使用.

介绍了MC55低阻抗强流脉冲电子加速器的结构及主要技术参数,给出了加速器的初步调试结果.该加速器由Marx发生器、10 Ω水介质单筒形成线、高压自击穿气体开关、水介质传输线和真空二极管组成.经过初步调试,该加速器可以产生电压500 kV,电流50 kA,脉冲宽度50 ns的强流电子束.目前MC55加速器已应用于同轴虚阴极振荡器高功率微波源的实验研究.

分析了螺旋线脉冲形成线脉宽加宽的原理,利用程序对Blumlein型螺旋脉冲形成线进行了模拟研究,模拟结果与理论分析得到的脉宽表达式吻合较好,并可以给出螺旋线中筒的电场和磁场分布.加工了一套Blumlein型螺旋脉冲形成线,并开展实验研究,解决了绝缘支撑耐压问题,得到充电电压550 kV,二极管电压500 kV,电流28 kA,半高宽128 ns的脉冲输出.

研制了基于SOS的胡杨200和胡杨700脉冲功率源.给出了胡杨200和胡杨700的电路原理、组成结构和实验波形.介绍了在SOS脉冲功率源上开展的高重复频率强流电子束产生、长寿命阴极实验、绝缘介质的高重复频率击穿实验和低引导磁场无箔二极管等实验研究进展.经测试,胡杨200在2 kHz重复频率、负载阻抗200 Ω下,输出电压200 kV,脉冲宽度约35 ns,平均输出功率大于10 kW;在300 Hz条件下可连续运行.胡杨700同样为全固态脉冲功率源,其设计指标:输出电压700 kV,电流5 kA,脉冲宽度约40 ns;经初步调试在150 Ω电阻负载上单脉冲输出指标达到660 kV,4.4 kA,脉宽约70 ns.

采用同轴电极实验装置,在μs级充电时进行了加压乙二醇/水混合液正电极击穿实验,并对实验结果进行了分析和解释,得出结论如下:击穿场强随静压以1/8次幂的关系而增加;击穿场强系数随乙二醇浓度的增加而增加;加压和添加乙二醇对于提高水介质耐高电压击穿的能力具有可叠加性,加压比添加乙二醇更有效;在静压12×10⁵ Pa下乙二醇浓度80%的混合液击穿场强比常压下纯水击穿场强高112.2%.加压提高乙二醇/水混合液击穿场强的主要机制是加压增加了击穿延迟时间.

建立了金属阴极和碳纤维阴极的电子发射机制模型,发射后的阴极和碳纤维阴极的微观照片证实了模型的正确性.实验结果与分析表明:一种优化的阴极应该具备多种电子发射机制,整个阴极的电子发射更均匀,碳纤维阴极的电子发射不仅具有尖端的场发射,而且伴随着侧向的表面闪络(随纹).此外和金属阴极相比较,处理后碳纤维阴极具有较慢的等离子体膨胀速度(≤1 cm/μs)并使该实验用微波源具有较宽的微波脉冲输出(≥200 ns).

针对基于SOS脉冲功率源S-5N的输出特点,利用PIC数值模拟软件,为S-5N设计了能够工作在低引导磁场条件下的无箔二极管系统,并在S-5N脉冲功率源上进行了低引导磁场环形强流电子束产生的实验研究.在引导磁场为0.5 T条件下,无箔二极管电流输出波形近似为梯形波,脉冲上升沿约9 ns,平顶部分约26 ns,二极管电压420 kV,电流2.7 kA,束斑平均半径约16 mm,具有良好的均匀性.

通过对触发管型气体火花开关触发机理和电极结构的分析,提出了圆盘型、齿轮型及多针型等新的触发电极.实验表明,这三种触发电极除多针型外都具有稳定工作性能,触发范围与常规针状电极结构相当,在纳秒前沿的触发脉冲作用下抖动可低于10 ns.其中,采用齿轮状触发电极结构,在幅值22 kV(约为主间隙静态击穿电压的20%)、前沿10 ns的触发脉冲下,触发最小时延为77 ns,抖动为2.5 ns.

介绍用于高功率微波器件测试的400 kW 脉冲步进调制器高压全固态电源调试和应用研究,包括当负载过荷时使系统切断高压保护速度提高到10 μs内的方法;故障时进入弧道能量的研究;通过改变接地方式对系统管体电流波形测量的影响研究.实验表明:这种原理的大功率全固态电源具有突出的抗干扰性,并且维修方便,效率高,是大功率微波器件热测台的优选方案.

结合物理光学和几何光学,讨论了高功率微波馈源真空输出窗的形状和厚度的设计方法,给出了一个X波段、脉冲功率容量1.5 GW、外径548 mm、高83.4 mm、厚33.4 mm的高斯馈源聚四氟乙烯碟形真空输出窗的设计实例.在中心频率9.3 GHz时测试输出窗的驻波系数为1.07,驻波系数小于1.24的频带为9%,带介质窗的馈源方向图与不带介质窗的馈源方向图基本一致.应用一维传热学理论对介质窗内部的温度分布进行了分析.冷测结果与理论结果基本一致.

高功率微波大气传播过程中,天线附近的功率密度最大,容易发生强电离或大气击穿,由此产生"尾蚀效应"等非线性衰减,因此,传输过程中产生的大气击穿限制了高功率微波天线的最大发射功率.通过分析天线近场模型,研究了矩形口径天线和圆口径天线的近场轴向功率密度分布,得到了不同口面场分布下天线的最大归一化功率密度及其最大值所处的位置,并结合大气击穿功率密度阈值计算出锥照圆口径天线的最大发射功率约为148.47 GW.

采用时域有限差分(FDTD)和离散傅里叶变换(DFFT)相结合的方法计算了不同长度及不同张角TEM喇叭接收天线的传递函数及灵敏度,采用最大相对误差和相对平均偏差分析了TEM喇叭超宽带接收的波形保真性与其几何尺寸之间的关系.分析结果表明:在设计高灵敏度及高波形保真性的超宽带TEM喇叭脉冲测量天线时,对TEM喇叭的张角和长度应进行折衷考虑.

对于TM₀₁-TE₁₁双弯形圆波导模式转换器,在保持出射端口与入射端口轴线平行且两曲率半径相等时,通过对其轴线长度与TE₁₁和TM₀₁模式间拍波波长的分析,证明了在两模式间实现有效转换时,两者成正比例关系,且比例常数为√2/2,并给出了相应的物理解释.通过对具体参数及模拟结果的分析,得出了模拟功率转换效率超过98%时所适用的频率下限,其值为TM₀₁模式截止频率的1.07倍.

介绍用于φ7.3 m Cassegrain天线的高功率馈源喇叭的设计.为使E面和H面方向图在照射区域内具有高的等化度,选择双模圆锥喇叭作为馈源的结构形式.由于高功率源采用BJ-32波导输出信号,故馈源系统中还应包含一个矩形到圆形的模式转换器,将TE₁₀模转换为TE₁₁模.设计了双模圆锥喇叭和模式转换器,并进行了功率容量估算.测试结果表明,所设计的馈源达到了设计要求,理论计算结果和实验测试数据吻合良好.

高功率微波在大气中传输有一个衰减较大的高度,在这一高度,微波的强电场容易使大气电离形成等离子体,从而引起较大的非线性衰减,极端情况下会产生大气击穿.在低电离层(50～100 km),自然电离产生的电子浓度较高.主要研究高功率微波在低电离层的传输衰减特性.计算表明,在50 km高空,非线性吸收衰减最大,该高度也是最容易产生击穿的地方.在同样的电场强度下,脉宽越窄,衰减系数越小,衰减越小.在低电离层区间内,大气压强越小,吸收越小.

在高功率微波天线系统中,要求馈源具有高功率容量和良好的辐射特性,内壁光滑的变张角结构多模馈源能够满足这一要求.在单级模匹配理论的基础上,给出了多个突变结构级联S参数矩阵的实现方法,并编制了数值计算程序.运用程序分析了各种不同结构光壁喇叭馈源,得到了其中各个模式之间的耦合关系及其口面辐射特性的变化.在大量计算的基础上,得到了φ400 mm口面直径的高功率高效率多模馈源设计方案,理论功率容量大于1.5 GW,同时具有良好的轴对称辐射特性.实验与理论分析结果具有良好的一致性.

通过对TEM喇叭天线低频补偿的实验,验证了低频补偿原理的正确性.低频补偿可以改善TEM喇叭天线的低频传输特性及低频辐射特性.当TEM喇叭天线与低频补偿回路形成电偶极子和磁偶极子满足匹配条件时,天线低频辐射的单向性将得到提高.当天线的低频补偿回路形成的磁偶极矩足够大时,低频补偿可增大天线主辐射方向的辐射,并改善天线低频辐射特性.

为了用耦合波理论研究一些同轴结构的高频特性,推导了半径渐变同轴波导内模式耦合系数的计算公式,发现半径渐变圆波导模式耦合系数只是同轴波导模式耦合系数的特例.对同轴波导中的模式及其本征方程根的特点进行了讨论,通过建立同轴波导模式和矩形波导模式之间的对应关系,给出了同轴波导模式本征方程根的快速计算方法.对所给模式耦合系数公式进行了验证,耦合波理论计算结果与有限元方法计算结果吻合良好.

设计了X波段COBRA透镜型天线,利用电磁波在不同介质传播速度的差异,通过放置于圆锥喇叭口径处不同厚度的介质透镜改变TM01模不同扇区的相位,从而改变TM₀₁模在普通喇叭口径处的轴对称分布,将轴对称的口径场分布转换为线对称,进而实现线极化或圆极化的轴向辐射.通过添加匹配介质,减小介质对微波的反射和驻波特性的影响;延伸喇叭到透镜边缘,使移相过程在波导内完成,有效地控制了电磁场模式.天线增益在中心工作频率为9.3 GHz时为19 dB,口径效率25%,辐射效率大于90%,反射系数小于1.3,轴比小于2 dB, 3 dB相对带宽大于30%,几乎可以覆盖整个X波段.

沙尘衰减对高功率微波在大气中的传播有较大的影响,通过结合干沙的复介电常数公式与Ray提出的水的介电常数公式给出了沙尘衰减的计算模型,利用该模型分析了爆炸沙尘、车扬沙尘和自然沙尘的衰减.根据数值计算结果,仿真了不同含水量的沙尘衰减率随微波频率的变化,结果表明:在频率不是太高时,自然风沙和车扬沙尘对微波传输的影响不大,而爆炸环境下的沙尘衰减必须要考虑;沙尘衰减随水含量的增加而明显上升,此效应在较小差别的20%～30%水含量中处于饱和状态,这说明在高湿度热带地区的沙尘衰减将比沙漠和半沙漠地区的衰减大得多.

采用高功率电磁波直接辐照家免全身后,即刻分别测试家兔的视网膜电流图(Electro-retinogram,ERG);随后即刻取材,包埋固定,分别在光学显微镜和透射电镜下观察其视觉器官的组织结构.结果表明,高场强的高功率微波辐照可造成家兔眼视网膜组织的即刻损伤,对家兔视觉电生理功能可产生明显的抑制作用,其作用强度与辐照剂量和辐照时间存在一定的量效、时效关系.

采用激光扫描共聚焦显微镜观察受不同参数高功率微波辐照后的大鼠精子细胞内Ca²⁺的变化,同时观察了辐照后大鼠的生殖细胞微核率、畸形率、精子数量、存活率和顶体酶反应的变化.实验表明:此条件下的高功率微波辐照对雄性大鼠的生殖细胞微核率和畸形率没有明显的损伤效应,但4×10⁵次脉冲的高功率微波辐照对大鼠的顶体酶反应有较明显的抑制作用,可能通过改变细胞内第二信使的Ca²⁺浓度来影响其生殖细胞功能.

目前高功率微波(HPM)对电子系统的干扰和破坏问题受到了广泛的关注,可运用BLT方程解决一些HPM产生的干扰问题.通过研究一个简单的HPM干扰模型,结合BLT方程的基本形式,对传统的BLT方程进行了扩展;接着对这个干扰模型的一个数值实例进行计算,并对干扰响应进行分析.分析结果表明,扩展后的BLT方程不仅可以计算传输线上的负载响应,也能够计算空间场的响应.

研究墙体对微波脉冲的衰减特性,测量了微波脉冲垂直入射墙体后的脉冲信号,经过计算得到普通砖混墙、普通钢筋混凝土墙、钢筋网混凝土墙对窄带微波和超宽带微波的衰减值;分析了微波脉冲穿越不同墙体的频谱变化.研究结果表明,普通钢筋混凝土墙和普通砖混墙对窄带微波脉冲的衰减为0.342～0.699 dB/cm,对超宽带信号的衰减为0.134～0.183 dB/cm.钢筋网混凝土墙(厚65 cm)对超宽带信号的衰减较大(29.07～45.79 dB),同时使穿透墙体的超宽带信号频率分布向高频位移.