基于圓柱諧振腔的高功率微波脈沖壓縮系統*

方進勇 黃惠軍 張治強 黃文華 江偉華

1)(清華大學電機工程與電子應用技術系，北京 100084)2)(西北核技術研究所，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*

方進勇1)2)黃惠軍2)張治強2)黃文華2)江偉華1)

1)(清華大學電機工程與電子應用技術系，北京 100084)2)(西北核技術研究所，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，介紹了該系統的結構形式，給出了部分關鍵器件的數值模擬結果，對系統的功率容量及品質因數進行了初步分析.對于高功率微波(HPM)脈沖壓縮系統來說，系統的功率容量與最終獲取的HPM功率大小密切相關，諧振腔的固有品質因數與系統效率密不可分，工程實踐表明，相對于基于矩形諧振腔的脈沖壓縮系統，本文設計的基于圓柱諧振腔的脈沖壓縮系統功率容量可提高一個量級，諧振腔的固有品質因數可提高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(HPM)是近年來得以快速發展的高新技術之一，產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、相對論速調管及虛陰極振蕩器等［1—7］.脈沖壓縮方法則是當前采用非相對論器件產生HPM的主要方法之一，其原理是將常規中大功率微波源產生的微秒級長脈沖壓縮成納秒級窄脈沖高功率微波，由于常規中大功率微波源的能量利用效率可達50%左右，而脈沖壓縮系統的效率可達40%以上，因此系統整體能量利用效率可以達到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，國內外多年的研究均集中在基于矩形諧振腔的脈沖壓縮系統上，但自從上世紀90年代中期報道獲取了百MW的微波功率后，近10年來，國內外報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因數較低也制約了系統能量利用效率的進一步提高［8—12］，國內外曾有人對基于 TE01模及TE11模的圓柱諧振腔的脈沖壓縮系統進行了探索［13—15］，但均未見有較好的實驗結果報道，其主要原因是難以找到一種合適的結構形式將圓柱諧振腔的高功率容量及高品質因數同時加以利用，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，可以較好地將兩者加以兼顧，利用該系統，有望獲取GW量級或更高功率的微波脈沖.

2.系統結構簡介

脈沖壓縮系統通常主要由四部分組成［10—12］，即輸入結構、諧振腔主體、輸出結構及開關等.外圍裝置包括初級微波源，環形器，傳輸波導及測量裝置等.近年來報道的兩種典型的基于圓柱諧振腔的脈沖壓縮系統如圖 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系統的工作模式主體為TEo01模式，圖 2系統的工作模式主體為TEo11模式，相對于基于矩形諧振腔的脈沖壓縮系統，整個系統的品質因數均有較大提高，但由于系統輸出由矩形波導組成，與單純的圓柱腔相比，系統固有品質因數仍有較大差距，另外整個脈沖壓縮系統的功率容量受矩形波導限制，圓柱腔功率容量較大的優點并無法體現.基于對以上系統的了解和認識，本文提出了一種新型的基于圓柱諧振腔的脈沖壓縮系統，其結構如圖3所示.

由圖3可知，該系統的輸入結構為TE10矩形波導—TE01圓波導模式轉換器，儲能裝置為圓波導，輸出裝置為 TE01圓波導—TE10矩形波導模式轉換器，開關為壁四周對稱開六小孔的帶可調短路活塞的圓波導.事實上輸入結構與輸出結構所使用的模式轉換器結構是相同的，只不過是前者將矩形波導中的TE10模式轉換成圓波導中的 TE01模式進行能量存儲，后者則為前者的逆應用，其作用是將儲能諧振腔存儲在圓波導中的 TE01模式微波轉換成矩形波導TE10模式進行能量釋放，如果該模式轉換器具有較高的轉換效率，則從理論上講整個脈沖壓縮系統將具有較高的輸入效率及輸出效率，該模式轉換器的基本結構如圖4所示，數值模擬表明，該器件的轉換效率可達96%以上，圖5是我們設計的X波段矩形波導 TE10模至圓波導 TE01模式轉換器的轉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均保持著較高的轉換效率.

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TE10模至圓波導TE01模式轉換器結構及場分布示意圖

如前所述，整個脈沖壓縮系統的四個主要部分均由圓波導構成，因此系統的功率容量將僅由圓波導尺寸決定，同時系統的固有品質因數也將會有一個較大提升.

3.系統功率容量及固有品質因數簡析

圖5 X波段矩形波導TE10模至圓波導TE01模式轉換器的轉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的具體功率容量及損耗進行量化分析，與基于矩形諧振腔的脈沖壓縮系統相比，系統的功率容量及固有品質因數將有一個較大提高，提高的幅度由具體系統的結構形式而定，可以舉例進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的脈沖壓縮系統來實現，則通常選用BJ32的標準波導，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TE10模至圓波導TE01模式轉換器的半徑相當，當微波頻率確定后則模式轉換器在保持較高效率時圓波導的半徑選擇范圍也將確定，對于微波工作頻率2.860 GHz，選擇圓波導的半徑r約為80 mm可使模式轉換器的效率達到96%以上，圓波導半徑確定后，諧振腔的導波波長也將確定，根據輸出脈沖寬度的要求可進一步確定諧振腔的長度，通過計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，后者場強的最大容許距離為前者的8倍，如果諧振腔內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因數進行一個粗略比對.對于微波波導諧振腔，如果腔體內填充介質是近似無耗的，則其固有品質因數可以由下式求取［16］:

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，則后者的固有品質因數相對于前者應提高3倍左右，另外諧振腔的工作模式對固有品質因數有較大的影響，我們選擇的圓柱諧振腔的工作模式為TE01模，其在腔體內壁上沒有軸向電流，內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因數還應當更高.精確的數據還應以實際測量為準.

4.初步實驗結果

根據設計原則及結構要求，我們設計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因數約為2萬，S波段諧振腔的固有品質因數約為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因數測試如圖8所示，通道1數據為諧振腔輸入口反射功率Pr與入射功率Pi之比，通道2數據為諧振腔輸出口泄漏功率Pl與輸入功率Pi之比，實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因數.在X波段的驗證性實驗中，微波頻率9.3 GHz，系統輸入功率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%，實驗結果部分優于國際報道的最好結果［13—15］.實驗波形如圖 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，對應于入射波形，輸出波形在輸入脈沖寬度為0.5 μs左右出現，說明開關擊穿在此時發生，因此，如果能夠進一步提高諧振腔的功率容量，使開關擊穿盡量靠后，即達到諧振腔儲能最大值，則系統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獲取HPM的實驗正在進行中，初步得到了400 mW的微波功率輸出，我們的目標是利用該類裝置在S波段獲取1GW以上的HPM輸出.

圖8 X波段諧振腔固有品質因數測試圖

圖9 X波段基于圓柱諧振腔脈沖壓縮系統獲取的典型實驗波形

5.結 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，建立系統的目的是將脈沖壓縮系統的功率容量在S及S以下頻段由百mW量級提高到GW量級，并進一步減小系統損耗，進而提高系統效率獲取更高功率的HPM脈沖.初步實驗表明，該系統在實踐上是可行的，當前實驗采用的開關為自擊穿開關，下一步的工作是將激光觸發開關引入應用，如果能夠較好地解決開關問題，則利用該類系統有可能獲取GW級以上功率的微波脈沖，使HPM脈沖壓縮技術成為未來獲取HPM的一種有效技術途徑.

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PACS:84.90.+a

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

*國家高技術研究發展計劃資助的課題.

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