轻小型永磁封装重频长脉冲新型Ku波段高功率微波源机理研究

The compact permanent magnet packaging device is an important development orientation of high-power microwave field. Besides, to meet the demands of potential application of Ku-band high-power microwave in communication, radar and remote sensing, Ku-band high power microwave source technology is currently a high power microwave research hotspot. Therefore, developing a compact permanent-magnet packaging repetitive and long-pulse operation of Ku-band high power microwave source has essential academic values and practical significance. . However, restricted by magnetic field, power capacity, electron beam collection and other technical bottlenecks, no such GW-level microwave source has been reported. Accordingly, the project team proposed to study the mechanism of a novel compact permanent-magnet packaging Ku-band high power microwave source with repetitive and long-pulse operation. . By analyzing physical mechanisms and physical problems of the device with a combined method of theoretical modeling, simulation and experimental research, some scientific problems affecting the performance will be solved, and a high power repetitive microwave output will be achieved at an average power of GW level, a pulse width of hundreds of nanoseconds, demonstrating the feasibility of this research program. . Moreover, the theory of generating GW level high power microwave with a novel compact repetitive and long-pulse Ku-band high power microwave source is further developed. It provides theoretical references and technical supports for the research of high-frequency, compact, portable high power microwave source.

轻小型永磁封装器件是高功率微波领域的重要发展方向，同时受通讯、雷达、遥感等领域对Ku波段高功率微波潜在的应用需求，Ku波段高功率微波源技术的研究是当前高功率微波领域的研究热点，因此发展轻小型永磁封装重频长脉冲运行Ku波段高功率微波源具有重要的学术价值和现实意义。然而，受约束磁场，功率容量，电子束收集等技术瓶颈的制约，目前还未见该类微波源产生GW级微波的报导。因此，项目组提出开展轻小型永磁封装重频长脉冲新型Ku波段高功率微波源机理研究，旨在通过对该类器件物理机制和物理问题的分析，采用理论建模，模拟仿真及实验研究相结合的方法解决影响其性能的相关科学难题，实现平均功率GW级，脉冲宽度约百纳秒的重频高功率微波脉冲输出，论证研究方案的可行性。在此基础上，完善紧凑重频新型Ku波段高功率微波源产生GW级高功率微波的理论，为开展更高频段轻小型、可便携高功率微波源研究提供理论参考和技术支持。

轻小型永磁封装器件是高功率微波领域的重要发展方向，同时受通讯、雷达、遥感等领域对Ku波段高功率微波潜在的应用需求，发展轻小型永磁封装重频长脉冲运行Ku波段高功率微波源具有重要的学术价值和现实意义。然而，受约束磁场，功率容量，电子束收集等技术瓶颈的制约，研制出该类微波源具有较大挑战。为此，项目组采用理论分析及模拟仿真的方法，提出了基于同轴渡越辐射机理的轻小型永磁封装重频长脉冲新型HPM源的物理模型，研究了低磁场条件下电子束的稳定发射、传输与收集的相关机理，并突破了制约其功率容量、模式纯度及转换效率的技术瓶颈，建立了轻小型永磁封装重频长脉冲新型Ku波段HPM源实验系统，开展相应的验证性实验。在理论研究方面，完善了基于渡越辐射机理的HPM源的束波互作用理论，为进一步提升微波输出性能及向更高频段拓展提供技术支撑，并建立了适用于轻小型永磁封装HPM器件的设计理论与准则；在重频方面，采用高功率容量的三腔提取腔结构，在20 Hz/0.5 s重频条件下实现了1 GW，脉冲宽度30 ns的Ku波段微波脉冲输出；在长脉冲方面，采用宽漂移段通道的高功率容量结构以及更大半径的收集极结构，在C波段得到70 ns，1.2 GW微波输出，在Ku波段得到50 ns，500 MW微波输出；在紧凑轻小型永磁封装方面，项目组采用聚焦阴极结构使器件在转换效率不变条件下，磁场降低至0.3 T，并提出了一种新型的轻小型永磁磁路结构，通过烧制与实测缩比(1:3)的汝铁硼永磁体，验证了所设计新型永磁体可在60kg重量条件下，在电子束传输半径上产生轴向长度15 cm，强度0.3 T的所需均匀磁场；在拓展研究方面，项目组探索研究了基于超材料结构的更轻小型的高功率微波产生机理，以及在更高频段的 V 波段，设计了高功率微波源模型并进行仿真研究。综上，项目组完成了计划规定的全部研究内容，基本实现了预期目标，对于高功率微波技术的发展具有推动作用。