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高功率微波天线近场大气击穿的研究

杨一明  
【摘要】:目前,高功率微波在功率上已经达到GW级水平,需要对高功率微波大气传输进行研究,最主要是对大气击穿问题的研究。在当前高功率微波实验和应用研究中,随着微波功率的不断提高以及脉宽的不断增长,天线近场的大气击穿问题愈来愈严重,需要对高功率微波大气作用过程、规律以及击穿阈值等有深刻的认识。在此背景下,本文对高功率微波天线近场大气击穿问题进行了初步研究,其主要工作有以下几个方面: 1、调研和研究了天线近场电场分布情况,说明了天线表面附近最容易引起大气击穿;介绍了微波大气传输基本理论,分析了微波气体击穿阈值随微波频率、脉宽及气体气压等因素的变化规律。 2、提出并研究了波导内场增强法测量微波大气击穿阈值。 通过在矩形波导中波的传输方向上放置与电场极化方向平行的金属针来实现场增强。仿真验证了实验方案的可行性;给出了实验设计的过程,实验的具体步骤以及实验诊断方法;建立了理论模型,得到了半球形金属针尖的场增强因子;分析了实验得到的典型波形,并对数据进行了处理,给出了一定气压下空气击穿阈值的初步测试结果,实验结果与理论基本一致。得到脉宽180ns,频率2.86GHz的微波在1atm和0.6atm空气下击穿阈值初步测试结果分别为62kV/cm和43kV/cm左右。 3、研究了喇叭有效口径渐变法测量高功率微波大气击穿阈值。 波导内场增强法是一种普适的方法,但由于大功率微波源微波频率的限制以及实验室需要,本文为L波段高功率微波源设计了一种喇叭有效口径渐变法测量微波气体击穿阈值,即通过连续改变喇叭的有效口径改变天线近场的电场强度,从而使微波传输达到气体击穿的条件。详细介绍了该方案的设计思路以及实验步骤;仿真验证了方案的可行性;给出了典型的实验波形,并分析了空气和SF6气体击穿对微波传输的影响;最后得到了一定气压下空气和SF_6击穿阈值的初步测试结果:其中L波段频率1.57GHz,脉宽30ns左右的微波在0.39atm、0.6atm、0.85atm、0.92atm、1atm空气中的击穿阈值初步测试结果分别为33kV/cm、47kV/cm、58kV/cm、63kV/cm、72kV/cm;在0.22atm、0.3atm、0.35atm SF_6气体中的击穿阈值初步测试结果分别为51kV/cm、64kV/cm、71kV/cm。实验结果与理论计算基本吻合,且同样气压条件下,SF_6气体的击穿阈值为空气的2.5倍左右。 4、研究了运动物体表面气压分布情况,分析了天线近场功率容量问题,在此基础上提出了一种具有高速喷管的新型高功率微波辐射系统,并仿真计算了其在运动状态下天线近场气压分布:口面直径50cm的天线(带天线罩)以0.8马赫数运动,喷管喷口喷压2atm时天线近场约400mm范围内气压升高到2atm左右;喷管喷口喷压3atm时,天线近场约600mm范围内气压升高到3.5atm左右,对于L波段频率1.57GHz,脉宽30ns的微波,其天线近场击穿阈值将分别增大到110kV/cm和160kV/cm以上,验证了新型辐射系统提高功率容量,解决天线近场空气击穿的可行性。


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