Tao Xun 1,2,*Xinyue Niu 1Langning Wang 1,2,**Bin Zhang 1,2[ ... ]Jiande Zhang 1,2
Author Affiliations
Abstract
1 College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 Nanhu Laser Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
Radio frequency/microwave-directed energy sources using wide bandgap SiC photoconductive semiconductors have attracted much attention due to their unique advantages of high-power output and multi-parameter adjustable ability. Over the past several years, benefitting from the sustainable innovations in laser technology and the significant progress in materials technology, megawatt-class output power electrical pulses with a flexible frequency in the P and L microwave wavebands have been achieved by photoconductive semiconductor devices. Here, we mainly summarize and review the recent progress of the high-power photonic microwave generation based on the SiC photoconductive semiconductor devices in the linear modulation mode, including the mechanism, system architecture, critical technology, and experimental demonstration of the proposed high-power photonic microwave sources. The outlooks and challenges for the future of multi-channel power synthesis development of higher power photonic microwave using wide bandgap photoconductors are also discussed.
high-power photonic microwave wide bandgap photoconductive semiconductor devices linear modulation multi-parameter adjustable microwave generation multi-channel power synthesis 
Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 012501
张自成 1,2李典耕 1,2,*刘世飞 1,2杨汉武 1,2[ ... ]张建德 1,2
作者单位
摘要
1 国防科技大学 前沿交叉学科学院,长沙 410073
2 脉冲功率激光技术国家重点实验室,长沙 410073
脉冲功率技术的重要发展方向是高功率密度、紧凑小型化和高稳定可靠。液体介质由于具有绝缘强度高、易流动、快恢复、散热性好等方面的特点,广泛应用于脉冲形成线型紧凑小型脉冲功率源的电容储能器件作为储能介质。主要围绕紧凑小型脉冲功率源ARC系列的技术难题,开展了关键技术、系统研发及其工程应用等方面的工作。首先,提出了基于液体介质和慢波结构的形成线,采用场均匀和绝缘配合技术,研制出紧凑小型脉冲功率源ARC-01和ARC-02,输出功率1~2 GW、脉冲宽度5~30 ns、重复频率1~100 Hz,紧凑化水平较国际先进同类装置最多提高了2倍。之后,以凑小型脉冲功率源为核心搭建液体介质击穿测试平台,针对变压器油、蓖麻油、甘油、碳酸丙烯酯等常见液体介质,开展了微秒脉冲击穿特性研究,采用统计分析方法建立了数据库,以“小成本”换取“高可靠性”;并采用超高速光学诊断方法,将击穿瞬间流注、冲击波、亚微观断裂面产生、传播、截止过程与张力理论结合,建立了液体介质击穿物理模型。最后,成功将紧凑小型脉冲功率源应用于驱动宽带/窄带微波产生、碳纤维阴极稳定性及寿命测试。
脉冲功率源 脉冲功率技术 紧凑 小型 液体介质 pulsed power source pulse power technology compactness small-sized liquid dielectric 
强激光与粒子束
2022, 34(7): 075016
作者单位
摘要
国防科技大学 前沿交叉学科学院,长沙 410073
PFN-Marx发生器可同时实现升压和脉冲形成,具有紧凑的基因。特别是近年来脉冲储能技术的发展,使得直接利用PFN-Marx发生器驱动各类负载成为现实,因而PFN-Marx发生器逐渐成为国内外研究热点。对国内外的高功率紧凑PFN-Marx发生器的研究进展进行了系统介绍,评述其参数和结构特点。通过总结,从时间发展历程上看,PFN-Marx发生器采用高储能密度器件,装置的储能密度水平在不断地提高,尺寸紧凑化水平也在提高;在追求紧凑化的手段上,PFN-Marx发生器的空间结构的优化设计效果优于PFN网络拓扑参数的优化设计;PFN-Marx发生器采用波形优化方法具有较明显的收益,可有效降低装置紧凑化带来级间分布参数更强耦合的负面影响。同时论文探讨了PFN-Marx发生器的发展趋势,为PFN-Marx发生器的研究和技术路线探索提供参考和依据。
高功率 脉冲形成网络 PFN-Marx发生器 高储能密度 high power pulse forming network PFN-Marx generator high energy storage density 
强激光与粒子束
2022, 34(7): 075001
作者单位
摘要
1 中国人民解放军海军研究院,上海 200040
2 国防科技大学 前沿交叉学科学院 高功率微波技术研究所,长沙410073
提出了一种伸缩式全金属反射单元,在此基础上设计了一个可用于高功率微波领域的全金属反射阵列波束扫描天线。通过反射单元的上下独立滑动,阵列中每个阵元所接收电磁波的传输路径可改变,从而实现了相控波束扫描。由电磁仿真可知,设计的反射单元能够在10~13 GHz的频带范围内实现0~360°的线性相位调节,且可在15°~40°偏馈条件下相位调节时保持高功率容量。由该型单元组成的中心工作频率为10 GHz的伸缩式全金属反射阵列扫描天线具备90°锥角范围内的二维波束扫描能力,功率容量可达5 GW/m2。同时,在波束扫描过程中,天线增益变化小于3 dB,副瓣电平低于−13 dB,最大口径效率为54.59%。
波束扫描 阵列天线 相位调控 高功率微波 功率容量 beam scanning array antenna phase modulation high-power microwave power handing capacity 
强激光与粒子束
2022, 34(4): 043004
作者单位
摘要
国防科技大学 高功率微波技术研究所,长沙 410073
为了实现回旋速调管放大器的快速设计,基于经典的回旋管的稳态单模非线性理论方法,开展了回旋速调管放大器的束波作用效率的理论模拟研究。由于单模理论无法匹配回旋速调管放大器的输入腔、中间腔两端的突变边界条件,所以输入腔与中间腔都只能采用给定场法进行求解。回旋速调管的输出腔的功率输出端通常采用缓变结构,这种腔体可以采用单模自洽理论进行求解。对两腔毫米波回旋速调管放大器进行了理论模拟,并与商业粒子模拟软件的结果进行对比,验证了该数值理论模拟方法的有效性。
回旋速调管放大器 数值模拟 毫米波 粒子模拟 自洽非线性理论 gyro-klystron amplifier numerical analysis millimeter wave particle in cell simulation self-consistent nonlinear theory 
强激光与粒子束
2021, 33(9): 093002
马喆 1,2,**王逸璇 1江俊峰 1,*王双 1[ ... ]刘铁根 1
作者单位
摘要
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室,天津大学光纤传感研究所天津市光纤传感工程中心, 天津 300072
2 太原理工大学物理与光电工程学院新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室, 山西 太原 030024
3 山东航天电子技术研究所, 山东 烟台 264000

提出一种基于线性调频(LFM)脉冲边带调制的光纤分布式传感动态应变范围扩展方法,基于调频带宽与相干时域信号包络平移量之间的反比特性, 通过在单脉冲内产生具备不同调频带宽的多调制边带进行传感,对各边带的相干时域信号进行数字带通滤波和分解,以实现对不同动态应变范围事件的同时测量。实验中分别使用调频带宽为40 MHz和200 MHz的LFM信号对边带进行调制,结果表明系统可以同时测量最大幅值为7 nε和350 nε的正弦动态应变事件,这为光纤分布式声传感系统提供一种动态范围拓展方案。

光纤光学 光纤分布式声传感 线性调频脉冲 边带调制 动态范围 fiber optics fiber-optic distributed acoustic sensing linear frequency modulation pulse sideband modulation dynamic range 
光学学报
2021, 41(13): 1306008
作者单位
摘要
国防科技大学 前沿交叉学科学院,高功率微波技术研究所,长沙 410073
强流脉冲电子束源是高功率微波系统的核心部件之一,针对未来应用需求,亟需从绝缘、束流输运和热管理等多个方面提升强流束源技术性能。介绍了国防科技大学在高功率微波源用强流真空电子束源方面的研究进展。针对高功率微波管保真空需求,基于陶瓷金属钎焊,设计并研制了一种强场陶瓷真空界面,耐压大于600 kV、平均绝缘场强达到44 kV/cm、耐受脉宽大于80 ns,重复频率运行稳定;研制了一种基于SiC纳米线的强流电子束源冷阴极,在90 kV/cm的场条件下获得了1.17 kA/cm2的束流密度,相比传统天鹅绒阴极,SiC纳米线阴极的宏观电稳定性、发射均匀性及运行寿命均得到显著提高;针对相对论返波管,研制基于螺旋水槽型的强流电子束收集极,克服了高比能和低流速的矛盾,耐受热流密度达到1012 W/m2,能够满足系统长脉冲、高重复频率运行要求。
高功率微波 强流电子束源 陶瓷真空界面 纳米线阴极 阳极热管理 high-power microwave high-current electron vacuum source ceramic-vacuum interface nano-wire cathode anode thermal control 
强激光与粒子束
2020, 32(2): 025003
作者单位
摘要
国防科技大学 前沿交叉学科学院, 长沙 410073
为满足某强电磁脉冲辐射系统对轻小型脱离地面脉冲电源的应用需求,研究了一种微型动态级联爆磁压缩发生器。首先介绍了该发生器的结构参数,然后利用基于等效电路的数值计算模型对该发生器电路参数和输入输出电流进行了模拟计算,最后以蓄电池供电的初始能源为发生器提供初始种子电流,对发生器输出特性进行了爆轰实验。实验结果表明,发生器在1.44 μH电感负载上产生脉冲电流峰值达到49 kA,电流上升时间5.2 μs,能量放大约7.8倍。
爆磁压缩发生器 电流脉冲 电容器组 蓄电池 脱离地面电源 explosively-driven magnetic flux compression gener current pulse capacitor bank battery off-ground power supply 
强激光与粒子束
2018, 30(8): 085002
Author Affiliations
Abstract
Laboratory of High Power Microwave Technology, National University of Defense Technology, Changsha, People's Republic of China 410073
Research progresses on Cherenkov and transit-time high-power microwave (HPM) sources in National University of Defense Technology (NUDT) of China are presented. The research issues are focused on the following aspects. The pulse-shortening phenomenon in O-type Cerenkov HPM devices is suppressed. The compact coaxial relativistic backward-wave oscillators (RBWOs) at low bands are developed. The power efficiency in M-Type HPM tubes without guiding magnetic field increased. The power capacities and power efficiencies in the triaxial klystron amplifier (TKA) and relativistic transit-time oscillator (TTO) at higher frequencies increased. In experiments, some exciting results were obtained. The X-band source generated 2 GW microwave power with a pulse duration of 110 ns in 30 Hz repetition mode. Both L- and P-band compact RBWOs generated over 2 GW microwave power with a power efficiency of over 30%. There is approximately a 75% decline of the volume compared with that of conventional RBWO under the same power capacity conditions. A 1.755 GHz MILO produced 3.1 GW microwave power with power efficiency of 10.4%. A 9.37 GHz TKA produced the 240 MW microwave power with the gain of 34 dB. A 14.3 GHz TTO produced 1 GW microwave power with power efficiency of 20%.
High-power microwave (HPM) Long-pulse O-type Cerenkov source Magnetically insulated line oscillator (MILO) Coaxial relativistic backwardwave oscillator (RBWO Triaxial klystron amplifier (TKA) Transit-time oscillator (TTO) 
Matter and Radiation at Extremes
2016, 1(3): 2016
作者单位
摘要
国防科学技术大学 光电科学与工程学院,湖南 长沙 410073
为实现对传输线开关振荡器或振荡天线进行快速充电,以提高其耐压能力和产生高频振荡信号的能量效率,本文研制了一种基于Tesla 变压器的电容储能型脉冲驱动源。本文首先介绍该驱动源的工作原理和运行过程,接着利用等效电路方法分析了关键电路参数对负载充电过程的影响,然后介绍该驱动源的具体工程设计,最后介绍该驱动源初步测试结果以及将其应用于变压器油在10 ns 量级脉冲下击穿特性研究的实验情况。实验表明,输出火花开关在中储电容器充电电压为-191 kV 导通时,通过电感对等效电容为15 pF 的传输线充电电压峰值为-224 kV,电压上升时间约10 ns。研究结果表明本文研究的驱动源能够满足对传输线开关振荡器等电容负载进行快速充电至数百kV 高压的应用需求。
宽带高功率微波 传输线开关振荡器 振荡天线 Tesla 变压器 wideband high power microwave transmission line switched oscillator resonant antenna Tesla transformer 
太赫兹科学与电子信息学报
2016, 14(2): 224

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