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RSS2016年 28卷 第03期
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2016, 28: 033001.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033001
摘要:
针对大型抛物反射面天线中的高功率超宽带馈源, 提出一种恒阻抗不平衡-平衡转换结构(巴伦)加切比雪夫渐变线TEM喇叭的馈源设计方法, 采用数值模拟研究了其阻抗特性、传输特性与辐射特性, 并进行了测试实验。结果表明：该种馈源结构在较小的体积下具有低反射、高带宽和高馈电效率的优点。该馈源已成功应用于大型高功率抛物反射面天线。
针对大型抛物反射面天线中的高功率超宽带馈源, 提出一种恒阻抗不平衡-平衡转换结构(巴伦)加切比雪夫渐变线TEM喇叭的馈源设计方法, 采用数值模拟研究了其阻抗特性、传输特性与辐射特性, 并进行了测试实验。结果表明：该种馈源结构在较小的体积下具有低反射、高带宽和高馈电效率的优点。该馈源已成功应用于大型高功率抛物反射面天线。
2016, 28: 033002.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033002
摘要:
为进一步提高相对论速调管放大器(RKA)的工作频率和输出功率，开展了X波段GW级长脉冲多注RKA实验研究，对实验中出现的杂模振荡现象进行了模拟和实验分析。结果表明，电子回流是导致实验中出现杂模振荡的主要因素，采取了相应措施减少电子回流从而抑制杂模振荡，实现多注RKA输出微波功率约为0.98 GW，脉宽为95 ns，频率为9.405 GHz。
为进一步提高相对论速调管放大器(RKA)的工作频率和输出功率，开展了X波段GW级长脉冲多注RKA实验研究，对实验中出现的杂模振荡现象进行了模拟和实验分析。结果表明，电子回流是导致实验中出现杂模振荡的主要因素，采取了相应措施减少电子回流从而抑制杂模振荡，实现多注RKA输出微波功率约为0.98 GW，脉宽为95 ns，频率为9.405 GHz。
2016, 28: 033003.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033003
摘要:
基于一个6腔同腔结构相对论磁控管, 透明阴极金属条个数与磁控管腔数相同时相对论磁控管易于工作在2模式, 减少为腔体数目一半时易于工作在模式, 提出了旋转扇形透明阴极金属条角向位置实现相对论磁控管中心频率跳变的方案。经仿真优化, 设计了外径15 mm, 6个扇形金属条的透明阴极, 每个扇形金属条的角向宽度为20。运用粒子模拟软件, 仿真分析了角向位置金属条与阳极块相对应及金属条与谐振腔相对应两种情况, 在工作磁场保持0.75 T, 调节工作电压在600~800 kV内变化时, 模拟结果表明, 相对论磁控管可以很稳定地分别工作在 2模式和模式, 即通过旋转透明阴极实现相对论磁控管频率跳变。
基于一个6腔同腔结构相对论磁控管, 透明阴极金属条个数与磁控管腔数相同时相对论磁控管易于工作在2模式, 减少为腔体数目一半时易于工作在模式, 提出了旋转扇形透明阴极金属条角向位置实现相对论磁控管中心频率跳变的方案。经仿真优化, 设计了外径15 mm, 6个扇形金属条的透明阴极, 每个扇形金属条的角向宽度为20。运用粒子模拟软件, 仿真分析了角向位置金属条与阳极块相对应及金属条与谐振腔相对应两种情况, 在工作磁场保持0.75 T, 调节工作电压在600~800 kV内变化时, 模拟结果表明, 相对论磁控管可以很稳定地分别工作在 2模式和模式, 即通过旋转透明阴极实现相对论磁控管频率跳变。
2016, 28: 033004.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033004
摘要:
通过建立电磁场等离子体流体耦合物理模型，基于自主研发的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D，编制了3维电磁场与等离子流体耦合程序模块，对1.3 GHz高功率微波窗内表面闪络击穿物理过程进行了数值模拟。研究结果表明：微波窗内侧表面形成的等离子体构型与初始种子电子分布形式密切相关。中心点源分布下，等离子体发展为蘑菇形状, 输出微波脉冲缩短并不严重，等离子体吸收微波功率大于反射微波功率；面源分布下，等离子体发展为帽子形状，输出微波脉冲缩短严重，输出微波完全截断，开始阶段等离子体吸收微波功率占优，待等离子体密度增加到一定程度后，反射微波功率占优。通过降低窗体表面场强、表面释气率及初始种子电子密度等方法，可不同程度地延长输出微波脉冲宽度。窗体表面不同气体层厚度对闪络击穿下的输出微波脉冲宽度影响不大。
通过建立电磁场等离子体流体耦合物理模型，基于自主研发的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D，编制了3维电磁场与等离子流体耦合程序模块，对1.3 GHz高功率微波窗内表面闪络击穿物理过程进行了数值模拟。研究结果表明：微波窗内侧表面形成的等离子体构型与初始种子电子分布形式密切相关。中心点源分布下，等离子体发展为蘑菇形状, 输出微波脉冲缩短并不严重，等离子体吸收微波功率大于反射微波功率；面源分布下，等离子体发展为帽子形状，输出微波脉冲缩短严重，输出微波完全截断，开始阶段等离子体吸收微波功率占优，待等离子体密度增加到一定程度后，反射微波功率占优。通过降低窗体表面场强、表面释气率及初始种子电子密度等方法，可不同程度地延长输出微波脉冲宽度。窗体表面不同气体层厚度对闪络击穿下的输出微波脉冲宽度影响不大。
2016, 28: 033005.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033005
摘要:
交联聚苯乙烯具有优异的电气性能、力学性能和可加工性能，已作为高压绝缘材料得到了重要应用。随着脉冲功率技术向小型化方向发展，对交联聚苯乙烯真空沿面闪络性能提出了更高要求。以苯乙烯为单体，二乙烯基苯为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂，采用超声波分散技术将不同质量分数的云母均匀分散于溶液体系中，通过原位自由基聚合制备出云母/交联聚苯乙烯复合材料。采用红外光谱、电子扫描显微镜等对材料组成和形貌进行了表征，采用短脉冲高压测试平台研究了云母对交联聚苯乙烯真空沿面闪络性能的影响。结果表明，当云母质量分数低于5%时，复合材料中云母为均匀分散状态，随着掺杂量进一步提升，出现了明显的团聚现象；当云母质量分数为3.5%~5%之间时，真空沿面闪络击穿电压和耐电寿命较交联聚苯乙烯得到了明显提升。
交联聚苯乙烯具有优异的电气性能、力学性能和可加工性能，已作为高压绝缘材料得到了重要应用。随着脉冲功率技术向小型化方向发展，对交联聚苯乙烯真空沿面闪络性能提出了更高要求。以苯乙烯为单体，二乙烯基苯为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂，采用超声波分散技术将不同质量分数的云母均匀分散于溶液体系中，通过原位自由基聚合制备出云母/交联聚苯乙烯复合材料。采用红外光谱、电子扫描显微镜等对材料组成和形貌进行了表征，采用短脉冲高压测试平台研究了云母对交联聚苯乙烯真空沿面闪络性能的影响。结果表明，当云母质量分数低于5%时，复合材料中云母为均匀分散状态，随着掺杂量进一步提升，出现了明显的团聚现象；当云母质量分数为3.5%~5%之间时，真空沿面闪络击穿电压和耐电寿命较交联聚苯乙烯得到了明显提升。
2016, 28: 033006.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033006
摘要:
提出了一种用于轴向输出相对论磁控管中具有TE11辐射模式的紧凑型输出结构。该器件采用6谐振腔结构并工作在模式上, 通过合理设计谐振腔结构与输出圆波导之间过渡结构, 模拟实现了圆TE11模式微波的轴向输出。与传统衍射输出相对论磁控管相比, 本文设计的轴向输出结构, 不仅能在输出波导中获得更加纯净的微波模式, 而且能减小磁控管的径向尺寸, 使得系统更加紧凑化。初步的粒子模拟结果表明：当电压为280 kV、磁场强度为0.5 T时, 该器件的工作频率为4.18 GHz, 输出功率为247.0 MW, 功率转换效率达到21.9%。
提出了一种用于轴向输出相对论磁控管中具有TE11辐射模式的紧凑型输出结构。该器件采用6谐振腔结构并工作在模式上, 通过合理设计谐振腔结构与输出圆波导之间过渡结构, 模拟实现了圆TE11模式微波的轴向输出。与传统衍射输出相对论磁控管相比, 本文设计的轴向输出结构, 不仅能在输出波导中获得更加纯净的微波模式, 而且能减小磁控管的径向尺寸, 使得系统更加紧凑化。初步的粒子模拟结果表明：当电压为280 kV、磁场强度为0.5 T时, 该器件的工作频率为4.18 GHz, 输出功率为247.0 MW, 功率转换效率达到21.9%。
2016, 28: 033007.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033007
摘要:
介绍了2.5维自主研制的并行电磁粒子模拟程序NEPTUNE2D初步研发情况。该程序基于JASMIN并行自适应结构网格支撑框架研制，并行效能高，可扩展性强，且支持动态负载平衡；采用新型PIC算法替代传统算法，避免求解泊松方程修正电场，更适用于大规模并行计算；程序支持r-z坐标系下的器件仿真，可应用于高功率微波器件、电真空器件的快速模拟设计。该程序现已完成电磁场更新、粒子推进、电磁场注入/引出、粒子发射/吸收等基本物理功能模块的研制，并通过同轴线、圆波导、同轴二极管及无箔二极管算例模拟验证了模块的正确性。最后，应用NEPTUNE2D程序设计了一个高效同轴相对论返波管，给出了粒子模拟结果和并行性能测试结果。
介绍了2.5维自主研制的并行电磁粒子模拟程序NEPTUNE2D初步研发情况。该程序基于JASMIN并行自适应结构网格支撑框架研制，并行效能高，可扩展性强，且支持动态负载平衡；采用新型PIC算法替代传统算法，避免求解泊松方程修正电场，更适用于大规模并行计算；程序支持r-z坐标系下的器件仿真，可应用于高功率微波器件、电真空器件的快速模拟设计。该程序现已完成电磁场更新、粒子推进、电磁场注入/引出、粒子发射/吸收等基本物理功能模块的研制，并通过同轴线、圆波导、同轴二极管及无箔二极管算例模拟验证了模块的正确性。最后，应用NEPTUNE2D程序设计了一个高效同轴相对论返波管，给出了粒子模拟结果和并行性能测试结果。
2016, 28: 033008.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033008
摘要:
通过粒子模拟的方法设计了分离腔振荡器(SCO)，并建立了基于爆炸发射的阴极模型，对带有真实二极管结构的SCO进行了整体的粒子模拟研究。典型的数值模拟结果为：在二极管电压为495 kV，电流为3.93 kA时，输出高功率微波的功率为640 MW，微波频率为2.85 GHz，功率效率为33.0%。同时，还研究了二极管输入电压幅度及波形、阴-阳极间距、阴极半径等参数对SCO输出高功率微波特性的影响，初步研究结果表明：除了栅网的通过率，SCO对二极管阻抗、阴极半径等参数也比较敏感，对应一定的二极管阻抗，需有一个最佳的电压值与之匹配；三角波电压波形会明显降低SCO的功率效率。
通过粒子模拟的方法设计了分离腔振荡器(SCO)，并建立了基于爆炸发射的阴极模型，对带有真实二极管结构的SCO进行了整体的粒子模拟研究。典型的数值模拟结果为：在二极管电压为495 kV，电流为3.93 kA时，输出高功率微波的功率为640 MW，微波频率为2.85 GHz，功率效率为33.0%。同时，还研究了二极管输入电压幅度及波形、阴-阳极间距、阴极半径等参数对SCO输出高功率微波特性的影响，初步研究结果表明：除了栅网的通过率，SCO对二极管阻抗、阴极半径等参数也比较敏感，对应一定的二极管阻抗，需有一个最佳的电压值与之匹配；三角波电压波形会明显降低SCO的功率效率。
2016, 28: 033009.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033009
摘要:
为了对径向线内电子束的空间极限电流及相关物理参量进行分析, 在径向方向无穷长与束流密度轴向均匀的假设条件下, 对电势满足的线性泊松方程进行了解析求解, 得到了空间极限电流的解析表达式, 接下来对束流密度轴向非均匀分析条件下电势满足的非线性方程进行了数值求解, 并与解析结果进行了对比。研究表明径向电子束具有较高的空间极限电流且当束流接近于极限电流传输时, 束密度的非均匀性明显增加, 相关结论可以为径向高功率微波器件的设计提供指导。
为了对径向线内电子束的空间极限电流及相关物理参量进行分析, 在径向方向无穷长与束流密度轴向均匀的假设条件下, 对电势满足的线性泊松方程进行了解析求解, 得到了空间极限电流的解析表达式, 接下来对束流密度轴向非均匀分析条件下电势满足的非线性方程进行了数值求解, 并与解析结果进行了对比。研究表明径向电子束具有较高的空间极限电流且当束流接近于极限电流传输时, 束密度的非均匀性明显增加, 相关结论可以为径向高功率微波器件的设计提供指导。
2016, 28: 033010.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033010
摘要:
基于负介电常数和负磁导率产生原理，采用金属细线和裂环谐振器结构，针对12.5 GHz频率开展双负媒质结构设计。通过特殊边界条件下S参数计算以及Nicolson-Ross-Weir方法，完成等效参数的提取，获得介电常数、磁导率、折射率实部均为负值，且折射率接近于0的左手材料特性。将双负媒质结构加载于Ku波段圆锥喇叭口面进行仿真优化，提高天线增益2.17 dB，在11~13 GHz频带范围内，加载天线的增益均有所改善。实验结果表明，口面加载双负媒质结构后，天线增益提高1.51 dB，后向辐射减小5.7 dB，辐射特性获得了明显改善。
基于负介电常数和负磁导率产生原理，采用金属细线和裂环谐振器结构，针对12.5 GHz频率开展双负媒质结构设计。通过特殊边界条件下S参数计算以及Nicolson-Ross-Weir方法，完成等效参数的提取，获得介电常数、磁导率、折射率实部均为负值，且折射率接近于0的左手材料特性。将双负媒质结构加载于Ku波段圆锥喇叭口面进行仿真优化，提高天线增益2.17 dB，在11~13 GHz频带范围内，加载天线的增益均有所改善。实验结果表明，口面加载双负媒质结构后，天线增益提高1.51 dB，后向辐射减小5.7 dB，辐射特性获得了明显改善。
2016, 28: 033011.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033011
摘要:
为了实现阵列天线波束高效控制和系统小型化, 实现多轴微型直流伺服系统达到高速、并行控制, 根据Nios Ⅱ处理器的Avalon总线规范, 利用Verilog硬件描述语言, 设计了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的微型直流电机控制器IP核。该控制器采用了有限状态机的方法, 分多模块实现硬件控制功能。针对微型直流电机特性, 采用了比例-积分-微分（PID）算法、分段控制及启停监测等控制策略。最后利用软件Quartus Ⅱ及DE0开发板进行了仿真和实验验证, 实验表明, 该控制器具有响应速度快、定位精度高、可靠性高、体积小等特点, 可以可靠地对各路微型直流电机进行独立控制, 且控制性能良好, 能够实现天线单元快速、准确的相位控制。
为了实现阵列天线波束高效控制和系统小型化, 实现多轴微型直流伺服系统达到高速、并行控制, 根据Nios Ⅱ处理器的Avalon总线规范, 利用Verilog硬件描述语言, 设计了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的微型直流电机控制器IP核。该控制器采用了有限状态机的方法, 分多模块实现硬件控制功能。针对微型直流电机特性, 采用了比例-积分-微分（PID）算法、分段控制及启停监测等控制策略。最后利用软件Quartus Ⅱ及DE0开发板进行了仿真和实验验证, 实验表明, 该控制器具有响应速度快、定位精度高、可靠性高、体积小等特点, 可以可靠地对各路微型直流电机进行独立控制, 且控制性能良好, 能够实现天线单元快速、准确的相位控制。
2016, 28: 033012.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033012
摘要:
为拓展高功率微波阵列天线的波束扫描范围, 将铁电体移相器引入到高功率微波领域。分析铁电体移相器的工作原理, 并研究其应用于高功率微波领域可能遇到的问题, 利用时域有限差分法对高功率微波在铁电体材料中传播的简单模型进行分析, 研究了微波功率及偏置电场对输出波形的影响, 并进一步分析铁电体移相器应用于高功率微波领域的可行性。结果表明：在不考虑介质损耗的情形下, 选择适当的铁电体材料可以在10 cm内实现L波段180相移, 同时传输效率达到90%以上。
为拓展高功率微波阵列天线的波束扫描范围, 将铁电体移相器引入到高功率微波领域。分析铁电体移相器的工作原理, 并研究其应用于高功率微波领域可能遇到的问题, 利用时域有限差分法对高功率微波在铁电体材料中传播的简单模型进行分析, 研究了微波功率及偏置电场对输出波形的影响, 并进一步分析铁电体移相器应用于高功率微波领域的可行性。结果表明：在不考虑介质损耗的情形下, 选择适当的铁电体材料可以在10 cm内实现L波段180相移, 同时传输效率达到90%以上。
2016, 28: 033013.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033013
摘要:
设计了一种全腔提取轴向输出相对论磁控管。在模工作的N腔磁控管中, 该结构利用磁耦合的方式通过两个相邻谐振腔在一个扇形波导内激励起TE11模, 然后再由N/2个相位相同的扇形波导TE11模沿轴向向外传输。对L波段全腔提取轴向输出磁控管进行了仿真设计, 在600 kV, 6.3 kA的条件下, 获得1.89 GW微波输出, 功率转换效率50%, 微波频率1.57 GHz。该结构在径向方向上仅增加一个扇形波导厚度, 便于实现相对论磁控管的紧凑、高效设计。
设计了一种全腔提取轴向输出相对论磁控管。在模工作的N腔磁控管中, 该结构利用磁耦合的方式通过两个相邻谐振腔在一个扇形波导内激励起TE11模, 然后再由N/2个相位相同的扇形波导TE11模沿轴向向外传输。对L波段全腔提取轴向输出磁控管进行了仿真设计, 在600 kV, 6.3 kA的条件下, 获得1.89 GW微波输出, 功率转换效率50%, 微波频率1.57 GHz。该结构在径向方向上仅增加一个扇形波导厚度, 便于实现相对论磁控管的紧凑、高效设计。
2016, 28: 033014.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033014
摘要:
由于过模Ka波段高功率微波返波管通常输出TTM0n混合模式，在保证较高能量转换效率的条件下，难以同时兼顾其输出模式的纯度，而辐射终端为达到理想发射效果则要求单一模式馈入，这就给输出混合模式微波源的实际应用带来困难。针对这一技术难点，提出了一种结构紧凑的TM0n-TEM(n5)混合模式转换器的设计方法，利用内外两路同轴阶梯波导并配合适当的插板调相结构可以实现在高功率容量条件下，较宽频带范围内，高效地将TM0n混合模式转换为单一的TEM模，降低了此类高频段HPM源模式纯化设计的难度。
由于过模Ka波段高功率微波返波管通常输出TTM0n混合模式，在保证较高能量转换效率的条件下，难以同时兼顾其输出模式的纯度，而辐射终端为达到理想发射效果则要求单一模式馈入，这就给输出混合模式微波源的实际应用带来困难。针对这一技术难点，提出了一种结构紧凑的TM0n-TEM(n5)混合模式转换器的设计方法，利用内外两路同轴阶梯波导并配合适当的插板调相结构可以实现在高功率容量条件下，较宽频带范围内，高效地将TM0n混合模式转换为单一的TEM模，降低了此类高频段HPM源模式纯化设计的难度。
2016, 28: 033015.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033015
摘要:
设计了一种椭圆形柱面透镜天线阵列。为改善天线的辐射性能，考虑到高功率应用中的高压击穿问题，提出在横截面为椭圆形组合矩形的天线罩内填充变压器油的方法，并将三元刀型天线阵列密封其内，形成介质透镜天线阵。利用椭圆的几何聚焦能力和介质的缩波效应，提高天线阵列的主瓣增益，并增加天线阵列的电尺寸。通过调整天线阵列的单元间距，相较于不加透镜的阵列结构，该结构的轴向远场电压峰峰值增加41%，远场辐射波束宽度变窄，前后比也得到改善，且增益提高了4.96 dB，功率容量提高338倍，达9.63 GW。
设计了一种椭圆形柱面透镜天线阵列。为改善天线的辐射性能，考虑到高功率应用中的高压击穿问题，提出在横截面为椭圆形组合矩形的天线罩内填充变压器油的方法，并将三元刀型天线阵列密封其内，形成介质透镜天线阵。利用椭圆的几何聚焦能力和介质的缩波效应，提高天线阵列的主瓣增益，并增加天线阵列的电尺寸。通过调整天线阵列的单元间距，相较于不加透镜的阵列结构，该结构的轴向远场电压峰峰值增加41%，远场辐射波束宽度变窄，前后比也得到改善，且增益提高了4.96 dB，功率容量提高338倍，达9.63 GW。
2016, 28: 033016.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033016
摘要:
采用一个混合模拟方法研究计算了不同频率高功率微波(HPM)辐照下含有PIN限幅器的PCB电路上的耦合信号。该混合模拟方法基于瞬态电磁拓扑和器件/电路混合模拟技术，实现了场、路、器件的混合模拟，能够模拟计算出HPM辐照下屏蔽腔内PCB电路上的耦合信号。用该方法研究计算了频率分别为1，1.25和2.5 GHz的HPM在PCB电路上的耦合信号。计算结果表明：当PCB电路无屏蔽腔时，1 GHz HPM的耦合信号最大，而PCB电路有屏蔽腔时，2.5 GHz HPM的耦合信号最大；PIN限幅器在耦合信号较大时具有较好的抑制作用。
采用一个混合模拟方法研究计算了不同频率高功率微波(HPM)辐照下含有PIN限幅器的PCB电路上的耦合信号。该混合模拟方法基于瞬态电磁拓扑和器件/电路混合模拟技术，实现了场、路、器件的混合模拟，能够模拟计算出HPM辐照下屏蔽腔内PCB电路上的耦合信号。用该方法研究计算了频率分别为1，1.25和2.5 GHz的HPM在PCB电路上的耦合信号。计算结果表明：当PCB电路无屏蔽腔时，1 GHz HPM的耦合信号最大，而PCB电路有屏蔽腔时，2.5 GHz HPM的耦合信号最大；PIN限幅器在耦合信号较大时具有较好的抑制作用。
2016, 28: 033017.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033017
摘要:
报道了用于高功率相对论返波管振荡器的永磁体的设计和试制。以Halbach阵列结构为基础, 通过选择高性能的永磁材料, 调整磁钢的充磁方向、排列方式和尺寸, 优化设计了可用于某相对论返波管振荡器的永磁体结构, 其均匀区磁场强度0.98 T。采用粒子模拟方法, 进行了永磁体与返波管振荡器的一体化设计, 设计结果表明：器件输出功率超过1 GW, 设计的永磁体能够满足器件对磁场强度和位形的要求。对永磁体进行了试制和测试, 测试结果为：均匀区磁场0.88 T, 均匀区长110 mm, 磁体重量约306 kg。
报道了用于高功率相对论返波管振荡器的永磁体的设计和试制。以Halbach阵列结构为基础, 通过选择高性能的永磁材料, 调整磁钢的充磁方向、排列方式和尺寸, 优化设计了可用于某相对论返波管振荡器的永磁体结构, 其均匀区磁场强度0.98 T。采用粒子模拟方法, 进行了永磁体与返波管振荡器的一体化设计, 设计结果表明：器件输出功率超过1 GW, 设计的永磁体能够满足器件对磁场强度和位形的要求。对永磁体进行了试制和测试, 测试结果为：均匀区磁场0.88 T, 均匀区长110 mm, 磁体重量约306 kg。
2016, 28: 033018.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033018
摘要:
设计了一种能在S波段和C波段实现稳定输出的高功率相对论速调管放大器，并使用电磁粒子PIC程序进行了模拟研究。模拟结果表明：采用700 kV，4 kA的电子束，在注入微波功率340 kW、注入微波频率分别为2.8 GHz和3.2 GHz的条件下，通过合理选择输入腔和中间腔的结构和工作模式、调节器件输出腔的腔长，模拟实现了S波段（3.2 GHz）和C波段（5.6 GHz）分别为1 GW和490 MW的微波输出，束波转换效率分别约为35%和17%。
设计了一种能在S波段和C波段实现稳定输出的高功率相对论速调管放大器，并使用电磁粒子PIC程序进行了模拟研究。模拟结果表明：采用700 kV，4 kA的电子束，在注入微波功率340 kW、注入微波频率分别为2.8 GHz和3.2 GHz的条件下，通过合理选择输入腔和中间腔的结构和工作模式、调节器件输出腔的腔长，模拟实现了S波段（3.2 GHz）和C波段（5.6 GHz）分别为1 GW和490 MW的微波输出，束波转换效率分别约为35%和17%。
2016, 28: 033019.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033019
摘要:
相对论返波管（RBWO）高频结构表面微凸起结构导致的表面场致电子发射会加速或加剧射频击穿过程, 引起RBWO功率容量下降。为提高现有RBWO的功率容量, 给出了RBWO高频结构表面场增强的抑制方法, 对一种X波段RBWO表面进行了精密工艺处理后, 将表面粗糙度降低至未经表面精密处理时的1/40以下, 有效降低了高频结构表面场增强因子, 减小了结构表面场致发射电子的能力。进一步开展的高功率微波实验研究表明, 抑制表面场增强后X波段RBWO的功率容量提高了25%。
相对论返波管（RBWO）高频结构表面微凸起结构导致的表面场致电子发射会加速或加剧射频击穿过程, 引起RBWO功率容量下降。为提高现有RBWO的功率容量, 给出了RBWO高频结构表面场增强的抑制方法, 对一种X波段RBWO表面进行了精密工艺处理后, 将表面粗糙度降低至未经表面精密处理时的1/40以下, 有效降低了高频结构表面场增强因子, 减小了结构表面场致发射电子的能力。进一步开展的高功率微波实验研究表明, 抑制表面场增强后X波段RBWO的功率容量提高了25%。
2016, 28: 033020.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033020
摘要:
给出了满足电荷守恒的共形发射技术。首先阴极表面由三角网格共形描述, 发射带电粒子时, 根据电荷和电流线性分配方式和离散高斯定律, 带电粒子的初始位置设置在与三角面元处于同一个网格元胞内, 离三角面元最近且处于金属内部的网格点上。带电粒子的初始运动由两部分组成：一是由三角面上的法向场推进所产生的运动；二是使发射粒子在阴极面上分布呈随机性而设定的随机运动。运动产生的电流按照电荷守恒定律分配到离散网格中, 并且由于粒子的初始位置设置在整网格点上, 带电粒子的共形发射不会产生非物理的静电累加。最后通过同轴二极管模型来验证共形发射模型的正确性。
给出了满足电荷守恒的共形发射技术。首先阴极表面由三角网格共形描述, 发射带电粒子时, 根据电荷和电流线性分配方式和离散高斯定律, 带电粒子的初始位置设置在与三角面元处于同一个网格元胞内, 离三角面元最近且处于金属内部的网格点上。带电粒子的初始运动由两部分组成：一是由三角面上的法向场推进所产生的运动；二是使发射粒子在阴极面上分布呈随机性而设定的随机运动。运动产生的电流按照电荷守恒定律分配到离散网格中, 并且由于粒子的初始位置设置在整网格点上, 带电粒子的共形发射不会产生非物理的静电累加。最后通过同轴二极管模型来验证共形发射模型的正确性。
2016, 28: 033021.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033021
摘要:
为追求更高的输出功率和效率，在理论分析的基础上，采用理论和PIC数值模拟相结合的方法设计了较高工作点电压（700 kV）的磁绝缘线振荡器模型，数值模拟结果表明：当输入电压为695 kV、输入功率为55.7 GW时，输出周期平均功率为11.2 GW，效率为20.1%；与以往低工作点的磁绝缘线振荡器相比, 效率较高，且和低工作点的器件只在最佳工作点处取得最大效率不同，本器件随着电压升高，效率进一步提高。
为追求更高的输出功率和效率，在理论分析的基础上，采用理论和PIC数值模拟相结合的方法设计了较高工作点电压（700 kV）的磁绝缘线振荡器模型，数值模拟结果表明：当输入电压为695 kV、输入功率为55.7 GW时，输出周期平均功率为11.2 GW，效率为20.1%；与以往低工作点的磁绝缘线振荡器相比, 效率较高，且和低工作点的器件只在最佳工作点处取得最大效率不同，本器件随着电压升高，效率进一步提高。
2016, 28: 033022.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033022
摘要:
综合考虑高功率微波对电子的加速过程以及电子与气体分子的碰撞过程，建立了单一气体与混合气体击穿过程的蒙特卡罗仿真模型，编写了三维蒙特卡罗仿真程序(3D-MCC)。针对单一气体Ar和N2以及混合气体N2/O2展开研究，仿真了气体雪崩击穿电子云形成过程，对比分析了不同气体电子能量分布函数随压强的变化规律。发现了Ar击穿特性受电子能量分布函数影响较大，而N2击穿特性受电子能量分布函数影响较小。通过分析平均电子能量以及电子密度随时间的变化过程，得到了Ar和N2击穿时间，并通过与流体模型计算得到的击穿时间比对分析验证了3D-MCC模型的正确性。在真空腔体内开展了S波段高功率微波大气击穿实验，测量得到了场强为6.38 kV/cm时不同压强下的大气击穿时间。通过在辐射源与真空腔体之间增加聚焦透镜，大大减小了壁效应的影响，并且采用模型仿真得到的大气击穿时间与实验结果吻合较好。
综合考虑高功率微波对电子的加速过程以及电子与气体分子的碰撞过程，建立了单一气体与混合气体击穿过程的蒙特卡罗仿真模型，编写了三维蒙特卡罗仿真程序(3D-MCC)。针对单一气体Ar和N2以及混合气体N2/O2展开研究，仿真了气体雪崩击穿电子云形成过程，对比分析了不同气体电子能量分布函数随压强的变化规律。发现了Ar击穿特性受电子能量分布函数影响较大，而N2击穿特性受电子能量分布函数影响较小。通过分析平均电子能量以及电子密度随时间的变化过程，得到了Ar和N2击穿时间，并通过与流体模型计算得到的击穿时间比对分析验证了3D-MCC模型的正确性。在真空腔体内开展了S波段高功率微波大气击穿实验，测量得到了场强为6.38 kV/cm时不同压强下的大气击穿时间。通过在辐射源与真空腔体之间增加聚焦透镜，大大减小了壁效应的影响，并且采用模型仿真得到的大气击穿时间与实验结果吻合较好。
2016, 28: 033023.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033023
摘要:
阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素，也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模拟技术进行了分析研究。对不同相对释气率的情况进行了模拟计算，模拟计算结果表明，当释气率超过一定阈值时，电离导致的等离子体会使微波输出功率迅速下降。
阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素，也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模拟技术进行了分析研究。对不同相对释气率的情况进行了模拟计算，模拟计算结果表明，当释气率超过一定阈值时，电离导致的等离子体会使微波输出功率迅速下降。
2016, 28: 033024.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033024
摘要:
采用基于半导体漂移扩散模型的数值模拟软件对高功率微波（HPM）作用下GGMOS型的静电放电（ESD）防护器件效应进行了数值模拟研究。对ESD器件在HPM作用下的响应特性及器件内部的物理图像进行了数值模拟。数值模拟的结果表明，外部注入HPM信号的幅值和频率是影响ESD器件的因素，在加载30 ns脉宽的HPM脉冲作用下，器件内部达到的最高温度与信号幅值成正指数关系。在给ESD注入相同幅值的HPM信号时，频率越大，器件达到失效温度所需要的时间越长。
采用基于半导体漂移扩散模型的数值模拟软件对高功率微波（HPM）作用下GGMOS型的静电放电（ESD）防护器件效应进行了数值模拟研究。对ESD器件在HPM作用下的响应特性及器件内部的物理图像进行了数值模拟。数值模拟的结果表明，外部注入HPM信号的幅值和频率是影响ESD器件的因素，在加载30 ns脉宽的HPM脉冲作用下，器件内部达到的最高温度与信号幅值成正指数关系。在给ESD注入相同幅值的HPM信号时，频率越大，器件达到失效温度所需要的时间越长。
2016, 28: 033025.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033025
摘要:
理论分析了收集极中运动电子的失能机制和电子能量对电子束能量沉积的影响, 用蒙特卡罗方法计算了不同能量下入射电子的能量沉积分布, 分析了电子能量对电子束在收集极中能量沉积的影响, 并据此提出了提高收集极耐电子束轰击能力的两种途径。结果表明：激发和电离是收集极中入射电子的主要失能机制；电子的能量越高, 在材料中的穿透能力越强, 收集极中被收集电子束的最大能量沉积密度越低。综合考虑束流密度分布对能量沉积的影响, 可通过两种途径来提高收集极耐电子束轰击的能力：一是通过结构设计增大电子束的收集面积, 减小收集极上被收集电子束的束流密度；二是设计高阻抗器件, 增大被收集电子束的电子能量, 减小收集极上被收集电子束的束流密度。
理论分析了收集极中运动电子的失能机制和电子能量对电子束能量沉积的影响, 用蒙特卡罗方法计算了不同能量下入射电子的能量沉积分布, 分析了电子能量对电子束在收集极中能量沉积的影响, 并据此提出了提高收集极耐电子束轰击能力的两种途径。结果表明：激发和电离是收集极中入射电子的主要失能机制；电子的能量越高, 在材料中的穿透能力越强, 收集极中被收集电子束的最大能量沉积密度越低。综合考虑束流密度分布对能量沉积的影响, 可通过两种途径来提高收集极耐电子束轰击的能力：一是通过结构设计增大电子束的收集面积, 减小收集极上被收集电子束的束流密度；二是设计高阻抗器件, 增大被收集电子束的电子能量, 减小收集极上被收集电子束的束流密度。
2016, 28: 033026.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033026
摘要:
采用UDP通信协议实现基于VxWorks的阵列天线主控系统与各分系统之间的多节点通信；在应用层中设计了通信协议，保证通信双方可以正常通信；同时，设计了缓冲机制，用以存储收发的命令，保证信息在传输过程中不丢失，使命令任务能够有序正常的执行。实验结果表明，该协议及缓冲队列可以有效的实现阵列天线主控系统与各分系统之间的多节点通信。
采用UDP通信协议实现基于VxWorks的阵列天线主控系统与各分系统之间的多节点通信；在应用层中设计了通信协议，保证通信双方可以正常通信；同时，设计了缓冲机制，用以存储收发的命令，保证信息在传输过程中不丢失，使命令任务能够有序正常的执行。实验结果表明，该协议及缓冲队列可以有效的实现阵列天线主控系统与各分系统之间的多节点通信。
2016, 28: 033027.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033027
摘要:
为了满足宽带高功率微波辐射系统紧凑化的需求，设计了一个口径面尺寸为20 cm20 cm的电-磁振子组合型天线，采用三维全波电磁场仿真，得到该天线在0.3~1.7 GHz 带宽内的驻波比小于3，且在此带宽内天线增益均大于2。仿真分析了该天线结构的尺寸、电流环长度以及天线开口角度对电-磁振子组合型天线阻抗带宽和增益的影响。在此基础上，给天线馈入峰值为226 kV的宽带信号，仿真得到天线的最大辐射因子为150 kV，等效峰值功率为358.8 MW，辐射效率约70.6%。仿真结果表明：组合振子天线能够满足宽带高功率微波的辐射要求，同时满足辐射系统紧凑化和高辐射效率的要求。
为了满足宽带高功率微波辐射系统紧凑化的需求，设计了一个口径面尺寸为20 cm20 cm的电-磁振子组合型天线，采用三维全波电磁场仿真，得到该天线在0.3~1.7 GHz 带宽内的驻波比小于3，且在此带宽内天线增益均大于2。仿真分析了该天线结构的尺寸、电流环长度以及天线开口角度对电-磁振子组合型天线阻抗带宽和增益的影响。在此基础上，给天线馈入峰值为226 kV的宽带信号，仿真得到天线的最大辐射因子为150 kV，等效峰值功率为358.8 MW，辐射效率约70.6%。仿真结果表明：组合振子天线能够满足宽带高功率微波的辐射要求，同时满足辐射系统紧凑化和高辐射效率的要求。
2016, 28: 033028.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033028
摘要:
高功率微波（HPM）测量诊断技术是HPM技术研究的一项重要内容。针对HPM测量的现实需求, 研究采用微波光子技术建立测量系统, 阐述了系统测量原理, 并通过仿真对测量系统的性能进行了分析。设计的测量系统采用超宽带、大动态的电光调制器和光电检测器, 利用光纤进行远距离遥控测量, 消除辐射和传导干扰, 最终可达到40 GHz的测量带宽和100 dB/Hz2/3的无杂散动态范围。
高功率微波（HPM）测量诊断技术是HPM技术研究的一项重要内容。针对HPM测量的现实需求, 研究采用微波光子技术建立测量系统, 阐述了系统测量原理, 并通过仿真对测量系统的性能进行了分析。设计的测量系统采用超宽带、大动态的电光调制器和光电检测器, 利用光纤进行远距离遥控测量, 消除辐射和传导干扰, 最终可达到40 GHz的测量带宽和100 dB/Hz2/3的无杂散动态范围。
2016, 28: 033029.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033029
摘要:
为满足微波管放大器对宽频段输入窗的需求，并保证馈源的真空密封需求，提出并设计了一种适用于宽频段微波放大器的同轴输入窗。该宽频段同轴输入窗采用渐变圆环形陶瓷，材料介电常数为9.3，窗片厚度为2.5 mm, 内径为2.14 mm，外径为5 mm，渐变段长度为6.5 mm。利用三维高频电磁仿真软件CST对其建模分析，并对同轴内外结构尺寸和陶瓷渐变结构进行优化仿真，得出该宽频带同轴输入窗能够在10～45 GHz频带内实现插入损耗小于0.5 dB。
为满足微波管放大器对宽频段输入窗的需求，并保证馈源的真空密封需求，提出并设计了一种适用于宽频段微波放大器的同轴输入窗。该宽频段同轴输入窗采用渐变圆环形陶瓷，材料介电常数为9.3，窗片厚度为2.5 mm, 内径为2.14 mm，外径为5 mm，渐变段长度为6.5 mm。利用三维高频电磁仿真软件CST对其建模分析，并对同轴内外结构尺寸和陶瓷渐变结构进行优化仿真，得出该宽频带同轴输入窗能够在10～45 GHz频带内实现插入损耗小于0.5 dB。
2016, 28: 033030.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033030
摘要:
研究了一种Ku波段多单元矩形径向线子阵馈电系统。为了满足特定耦合量的要求, 提出了一种层叠式的新型耦合探针, 并以此为基础, 对中心频率为12.5 GHz的28单元矩形栅格径向线子阵馈电系统进行了设计与分析。模拟仿真结果表明：该口径为61.6 mm125.2 mm的馈电系统在12.5 GHz中心频率处反射系数为0.015, 耦合不平衡度为1.05 dB；同时在12.2～12.7 GHz的频带范围内, 反射系数小于0.1, 耦合不平衡度最大值为2.62 dB, 基本满足了28路等幅馈电输出的要求。
研究了一种Ku波段多单元矩形径向线子阵馈电系统。为了满足特定耦合量的要求, 提出了一种层叠式的新型耦合探针, 并以此为基础, 对中心频率为12.5 GHz的28单元矩形栅格径向线子阵馈电系统进行了设计与分析。模拟仿真结果表明：该口径为61.6 mm125.2 mm的馈电系统在12.5 GHz中心频率处反射系数为0.015, 耦合不平衡度为1.05 dB；同时在12.2～12.7 GHz的频带范围内, 反射系数小于0.1, 耦合不平衡度最大值为2.62 dB, 基本满足了28路等幅馈电输出的要求。
2016, 28: 033101.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033101
摘要:
分析和计算了互作用区折叠波导截面长宽比(b/a)、直边高度和电子束通道大小等结构参数对太赫兹波段折叠波导行波管工作性能的影响。结果表明：互作用区衰减常数随b/a的增大而减小, 耦合阻抗和小信号增益则随b/a的增大先增加而后减小, 存在最优值。电子束通道越大, 衰减常数越大, 耦合阻抗和小信号增益降低得越多。相对于电子束通道, 增益和损耗对直边高度的敏感程度显著降低。因此为了提高器件功率容量, 可适当增加折叠波导的高度；在保证电子束能够顺利传输的前提下, 电子束通道越小越好。在折叠波导行波管的实际研制中, 可依据具体的实验条件和要求, 在适当的范围内合理选取互作用区各结构参数的值。
分析和计算了互作用区折叠波导截面长宽比(b/a)、直边高度和电子束通道大小等结构参数对太赫兹波段折叠波导行波管工作性能的影响。结果表明：互作用区衰减常数随b/a的增大而减小, 耦合阻抗和小信号增益则随b/a的增大先增加而后减小, 存在最优值。电子束通道越大, 衰减常数越大, 耦合阻抗和小信号增益降低得越多。相对于电子束通道, 增益和损耗对直边高度的敏感程度显著降低。因此为了提高器件功率容量, 可适当增加折叠波导的高度；在保证电子束能够顺利传输的前提下, 电子束通道越小越好。在折叠波导行波管的实际研制中, 可依据具体的实验条件和要求, 在适当的范围内合理选取互作用区各结构参数的值。
2016, 28: 033102.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033102
摘要:
基于宽带太赫兹（THz）波的短距离宽带高数据率无线通讯是可行的。利用THz波大气传输衰减模型和经验的水汽连续体吸收, 结合HITRAN数据库, 发展了在THz频段电磁通信的一个新的传输模型, 形成了对宽频THz波在地表真实大气中水平传输衰减、路径损耗和信道容量的数值模拟能力；提出了100~900 GHz频段的五个可行的通信信道。相比低于100 GHz的无线通信频带, 虽然这五个信道具有的更大的自由传输衰减损耗，以及大气分子和水滴吸收衰减降低了通信数据率, 但通过增加发射和接收天线增益, 仍然可以在短距离实现THz低频带尤其是100~500 GHz的高数据率无线通讯。
基于宽带太赫兹（THz）波的短距离宽带高数据率无线通讯是可行的。利用THz波大气传输衰减模型和经验的水汽连续体吸收, 结合HITRAN数据库, 发展了在THz频段电磁通信的一个新的传输模型, 形成了对宽频THz波在地表真实大气中水平传输衰减、路径损耗和信道容量的数值模拟能力；提出了100~900 GHz频段的五个可行的通信信道。相比低于100 GHz的无线通信频带, 虽然这五个信道具有的更大的自由传输衰减损耗，以及大气分子和水滴吸收衰减降低了通信数据率, 但通过增加发射和接收天线增益, 仍然可以在短距离实现THz低频带尤其是100~500 GHz的高数据率无线通讯。
2016, 28: 033103.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033103
摘要:
模拟研究了一种在均匀慢波结构后增加渐变慢波结构段的太赫兹过模表面波振荡器, 获得了输出功率和模式纯度的显著提高。首先根据S参数方法, 研究分析了这种复合高频结构中TM01模的谐振特性。然后采用2.5维PIC（Particle-in-cell）软件UNIPIC, 模拟研究了振荡器输出性能随渐变慢波结构周期数的变化关系。结果表明：随着周期数的增加, 输出太赫兹波中的TM02和TM03等高次模成分降低, TM01模的功率比例增大至80%以上；选择合适长度的渐变慢波结构, 能使得器件输出功率增大50%。
模拟研究了一种在均匀慢波结构后增加渐变慢波结构段的太赫兹过模表面波振荡器, 获得了输出功率和模式纯度的显著提高。首先根据S参数方法, 研究分析了这种复合高频结构中TM01模的谐振特性。然后采用2.5维PIC（Particle-in-cell）软件UNIPIC, 模拟研究了振荡器输出性能随渐变慢波结构周期数的变化关系。结果表明：随着周期数的增加, 输出太赫兹波中的TM02和TM03等高次模成分降低, TM01模的功率比例增大至80%以上；选择合适长度的渐变慢波结构, 能使得器件输出功率增大50%。
2016, 28: 033201.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033201
摘要:
对电子系统强电磁环境实验效应检测技术研究现状进行了系统的研究分析，提出通过对内部电路节点电压信号实时监测实现无人机电子系统强电磁环境效应检测判断的方法。设计了以阻抗变换和电光转换电路为核心的光纤输出型电压探头，实现1 M高输入阻抗、DC 450 MHz带宽、数百m传输距离等技术要求。在无人机系统强电磁脉冲环境实验中利用所设计的电压探头实现了无人机舵机、飞控、链路等电路节点工作电压信号波形的远程监测，获取了无人机电路节点耦合的电压脉冲波形。
对电子系统强电磁环境实验效应检测技术研究现状进行了系统的研究分析，提出通过对内部电路节点电压信号实时监测实现无人机电子系统强电磁环境效应检测判断的方法。设计了以阻抗变换和电光转换电路为核心的光纤输出型电压探头，实现1 M高输入阻抗、DC 450 MHz带宽、数百m传输距离等技术要求。在无人机系统强电磁脉冲环境实验中利用所设计的电压探头实现了无人机舵机、飞控、链路等电路节点工作电压信号波形的远程监测，获取了无人机电路节点耦合的电压脉冲波形。
2016, 28: 033202.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033202
摘要:
在半导体器件高功率电磁脉冲效应数值模拟中，真实器件的物理模型构建较为困难。为了解决这一问题，以某型单向瞬态电压抑制(TVS)二极管为例，对其进行测试获取建模所需的参数信息。通过X光成像、扫描电子显微镜（SEM）及杂质染色等技术手段，获得了该器件PN结正对面积大小、PN结深度等结构参数。通过实验测量了二极管的反向击穿电压和电容曲线，结合数值计算，推导出了二极管的杂质浓度。利用本次实验获得的参数，结合数值计算的结果，建立了该型号二极管的真实半导体物理模型。对该模型进行了数值仿真，计算了器件的伏安响应曲线并与实验值进行了比对，计算结果与实验值吻合较好。本次的方法除了可以直接用于PN结型器件的建模外，也为其他器件物理模型的建立提供了参考，可在半导体器件效应数值模拟研究中得到应用。
在半导体器件高功率电磁脉冲效应数值模拟中，真实器件的物理模型构建较为困难。为了解决这一问题，以某型单向瞬态电压抑制(TVS)二极管为例，对其进行测试获取建模所需的参数信息。通过X光成像、扫描电子显微镜（SEM）及杂质染色等技术手段，获得了该器件PN结正对面积大小、PN结深度等结构参数。通过实验测量了二极管的反向击穿电压和电容曲线，结合数值计算，推导出了二极管的杂质浓度。利用本次实验获得的参数，结合数值计算的结果，建立了该型号二极管的真实半导体物理模型。对该模型进行了数值仿真，计算了器件的伏安响应曲线并与实验值进行了比对，计算结果与实验值吻合较好。本次的方法除了可以直接用于PN结型器件的建模外，也为其他器件物理模型的建立提供了参考，可在半导体器件效应数值模拟研究中得到应用。
2016, 28: 033203.
doi: 10.11884/HPLPB201628.033203
摘要:
随着数值模拟在电磁学研究中发挥的作用越来越大，验证与确认技术也越来越得到研究者的重视。介绍了验证与确认(VV)技术的基本概念、发展简况、具体研究对象和研究方法。总结和概括了目前国内外在电磁场计算中已经开展的VV研究工作，介绍了IEEE制定的计算电磁学建模与模拟确认标准。介绍了本单位目前在程序验证、物理模型误差分析、计算模型参数提取等方面开展的VV工作，讨论了VV研究在计算电磁学中发挥的作用及可能的研究方向。
随着数值模拟在电磁学研究中发挥的作用越来越大，验证与确认技术也越来越得到研究者的重视。介绍了验证与确认(VV)技术的基本概念、发展简况、具体研究对象和研究方法。总结和概括了目前国内外在电磁场计算中已经开展的VV研究工作，介绍了IEEE制定的计算电磁学建模与模拟确认标准。介绍了本单位目前在程序验证、物理模型误差分析、计算模型参数提取等方面开展的VV工作，讨论了VV研究在计算电磁学中发挥的作用及可能的研究方向。
2016, 28: 035001.
doi: 10.11884/HPLPB201628.035001
摘要:
氮气分子的振动自由度在大气放电低温等离子体中会被高度激发。从振动能级的简谐振子模型和Boltzmann分布近似出发，研究重复频率脉冲放电中振动温度的变化行为。结果表明，决定重频条件下振动温度的主要过程是电子碰撞振动激发和振动-平动弛豫，而在振动能级高度激发的情形下其与氧原子的化学反应也会产生影响。对于振动激发过程，通过跃迁反比相似率推导出的特征弛豫时间与动理学模型符合较好。在振动-平动弛豫中占主导贡献的为干燥大气中的氧原子或潮湿大气中的水分子。当氧原子数密度为1014 cm-3时，若初始振动温度在5000 K，在化学反应过程中振动能量的特征弛豫时间在0.1~1 s量级。
氮气分子的振动自由度在大气放电低温等离子体中会被高度激发。从振动能级的简谐振子模型和Boltzmann分布近似出发，研究重复频率脉冲放电中振动温度的变化行为。结果表明，决定重频条件下振动温度的主要过程是电子碰撞振动激发和振动-平动弛豫，而在振动能级高度激发的情形下其与氧原子的化学反应也会产生影响。对于振动激发过程，通过跃迁反比相似率推导出的特征弛豫时间与动理学模型符合较好。在振动-平动弛豫中占主导贡献的为干燥大气中的氧原子或潮湿大气中的水分子。当氧原子数密度为1014 cm-3时，若初始振动温度在5000 K，在化学反应过程中振动能量的特征弛豫时间在0.1~1 s量级。
2016, 28: 035003.
doi: 10.11884/HPLPB201628.035003
摘要:
为研究百纳秒脉冲下两种典型的绝缘材料（尼龙和有机玻璃）在气体中的沿面闪络特性，设计了百纳秒脉冲沿面闪络实验平台。通过实验研究了绝缘材料的闪络电压随气体气压、闪络距离、等物理因素的变化规律，实验表明：闪络电压随着气压的增加而增加，但是闪络场强随着闪络间距的增加而降低；在相同条件下，有机玻璃的闪络电压比尼龙高。同时通过沿面闪络实验，得到在百纳秒脉冲下不同气压、不同闪络间距的闪络电压值。
为研究百纳秒脉冲下两种典型的绝缘材料（尼龙和有机玻璃）在气体中的沿面闪络特性，设计了百纳秒脉冲沿面闪络实验平台。通过实验研究了绝缘材料的闪络电压随气体气压、闪络距离、等物理因素的变化规律，实验表明：闪络电压随着气压的增加而增加，但是闪络场强随着闪络间距的增加而降低；在相同条件下，有机玻璃的闪络电压比尼龙高。同时通过沿面闪络实验，得到在百纳秒脉冲下不同气压、不同闪络间距的闪络电压值。
2016, 28: 035004.
doi: 10.11884/HPLPB201628.035004
摘要:
基于雪崩管的脉冲源相对于基于气体开关和半导体断路（SOS）开关的脉冲源, 输出脉冲幅度较低。为了进一步提高雪崩管脉冲源的输出幅度, 进行功率合成是行之有效的方法, 其关键在于脉冲源单元具有高稳定度和时基一致性。分析了触发脉冲对基于雪崩管的脉冲源的影响机理, 指出脉冲抖动的影响因素：触发脉冲上升斜率、雪崩管器件导通电平方差、电路噪声。在实验中, 通过提高触发脉冲幅度, 增加上升斜率, 脉冲源抖动和单元之间的时基一致性均优于20 ps。
基于雪崩管的脉冲源相对于基于气体开关和半导体断路（SOS）开关的脉冲源, 输出脉冲幅度较低。为了进一步提高雪崩管脉冲源的输出幅度, 进行功率合成是行之有效的方法, 其关键在于脉冲源单元具有高稳定度和时基一致性。分析了触发脉冲对基于雪崩管的脉冲源的影响机理, 指出脉冲抖动的影响因素：触发脉冲上升斜率、雪崩管器件导通电平方差、电路噪声。在实验中, 通过提高触发脉冲幅度, 增加上升斜率, 脉冲源抖动和单元之间的时基一致性均优于20 ps。
2016, 28: 035002.
doi: 10.11884/HPLPB201628.035002
摘要:
利用PSpice软件，在考虑互感的情况下对直线型、L型和U1型结构的脉冲形成网络进行电路仿真，同时采用瞬态场路同步协同仿真方法对5种不同连接结构的脉冲形成网络进行三维建模和仿真，并对这5种不同连接结构的脉冲形成网络进行实验，实验结果显示：5种不同结构脉冲形成网络的输出波形的上升沿约为45 ns；U1，U2型和U3型结构的脉冲形成网络输出脉冲的半高宽分别为166，158和154 ns，且其平顶处存在较大波动。将电路和瞬态场路同步协同方法得到的仿真结果和实验结果进行分析和比较，结果表明：瞬态场路同步协同仿真方法能很好地模拟脉冲形成网络的工作过程和输出波形，实验中的匹配负载和开关电感都要比仿真中的大，U型结构脉冲形成网络有利于实现脉冲功率源系统结构的紧凑化和小型化。
利用PSpice软件，在考虑互感的情况下对直线型、L型和U1型结构的脉冲形成网络进行电路仿真，同时采用瞬态场路同步协同仿真方法对5种不同连接结构的脉冲形成网络进行三维建模和仿真，并对这5种不同连接结构的脉冲形成网络进行实验，实验结果显示：5种不同结构脉冲形成网络的输出波形的上升沿约为45 ns；U1，U2型和U3型结构的脉冲形成网络输出脉冲的半高宽分别为166，158和154 ns，且其平顶处存在较大波动。将电路和瞬态场路同步协同方法得到的仿真结果和实验结果进行分析和比较，结果表明：瞬态场路同步协同仿真方法能很好地模拟脉冲形成网络的工作过程和输出波形，实验中的匹配负载和开关电感都要比仿真中的大，U型结构脉冲形成网络有利于实现脉冲功率源系统结构的紧凑化和小型化。
