1.3GHz高功率输入耦合器样机设计北大核心CSCD

本文研究的课题是1.3 GHz高功率输入耦合器模拟仿真,是基于2018年启动的上海光源硬X射线自由电子激光器大科学装置项目。该项目采用9-cell超导腔加速粒子,在每个超导腔和功率源之间连接一个输入耦合器,负责将功率源的能量传输到超导腔中加速粒子。本文设计是基于同轴线结构的高功率输入耦合器,其结构大致可分为四个部件:冷端、热端、同轴转换波导和内导体调节驱动。其中冷端和热端各包含一个圆柱形陶瓷窗,分别称为冷窗和热窗。冷端外导体和热端内外导体采用波纹管结构设计,通过内导体调节驱动调节耦合杆可以控制波纹管的伸缩,以改变内导体天线插入腔体的深度,从而实现耦合度可调以匹配不同的束流负载。同轴转换波导通过实现矩形波导到同轴波导的过渡,从而实现TE10模到TEM模的模式变换。本文就高功率耦合器的RF仿真方面阐述耦合器的设计过程。     

W波段TE6,2模同轴开放式谐振腔的研究与设计

详细研究了一种用于回旋管冷测的三段式同轴谐振腔模式激励器,该模式激励器利用同轴开放腔的选频选模特性将输入的W波段的波功率转换为TE6,2模式输出。基于缓变截面波导理论,研究了同轴谐振腔激励TE6,2模式的机理;求解了同轴波导中TE模式的特征根和不均匀弦方程并得到腔体谐振频率及Q值;分析了同轴腔内外半径对谐振频率的影响;给出了W波段高纯度TE6,2模谐振腔优化设计的参数;并用电磁仿真软件对其进行仿真计算,结果表明:该谐振腔的TE6,2模式纯度达到99.51%。     

电磁校准与测量能力分类（续）（版本7．2，于2002年3月15日考虑CCEM代表意见后修订）

11无线电测量11.1射频功率11.1.1同轴绝对功率功率计,功率源11.1.2波导绝对功率功率计,功率源11.1.3同轴校准因子和有效效率热敏电阻座,镇流电阻座和功率传感器11.1.4波导校准因子和有效效率热敏电阻座,镇流电阻座和功率传感器11.1.5非连续波功率(绝对或相对)峰值功率传感器,有时间分辨功能的功率传感器11.1.6平衡线功率测量功率计(例如150ohm)11.2射频标量反射系数和衰减(注:不用矢量网络分析或类似仪器)(模值)11.2.1同轴反射系数(以线性单位表示)无源器件11.2.2波导反射系数(以线性单位表示)无源器件11.2.3同轴衰减(以dB表示)无源器件11.…     

新型反射腔在多频相对论返波振荡器中的粒子模拟研究

设计了两类新型同轴反射腔并成功地应用于多频高功率微波输出.反射腔采用非对称的同轴结构,置于同轴相对论返波振荡器(CRBWO)慢波系统的前端.文中利用2.5维CHIPIC粒子模拟软件进行粒子模拟研究.仿真结果表明,带有两类新型同轴反射腔的双频CRBWO都实现了X波段双频稳定输出,并且其工作的电压和磁场的稳定性要明显好于传统谐振腔双频返波管.采用第二类新型同轴反射腔,在强流电子束电压480 kV,电流7.5kA,磁场2.7T的条件下,得到了稳定的三频、四频输出,其注波转换效率分别为15.3％和13.9％,明显高于其他类型的多频高功率微波器件.     

一种宽带大功率同轴窗研究

针对半波长同轴窗与同轴陶瓷行波窗存在的带宽窄、功率容量低的局限,本文提出了一种宽带大功率同轴窗结构,并给出了其设计原理。利用HFSS与CST Microwave Studio优化设计了L波段宽带大功率同轴窗,并与半波长同轴窗与陶瓷行波同轴窗进行了性能对比分析。模拟结果表明,宽带大功率同轴窗相比半波长同轴窗与陶瓷行波同轴窗具有更宽的带宽与更高的功率容量。优化设计的L波段宽带大功率同轴窗,其-30 dB带宽约为行波同轴窗的2.5倍,窗片区域的电场与行波同轴窗相当,为半波长同轴窗的一半以下。匹配膜片附近的电场幅度降低至行波同轴窗的75%。CST仿真显示,膜片与间隙的尺寸与位置对宽带大功率同轴窗的带宽影响明显,而对电场分布的影响较弱,因而可以通过调整膜片与间隙获得宽带宽与高功率容量。同时,电场强度轴向分布随频率变化不大。宽带大功率同轴窗在整个宽频带内具有高功率容量。     

用于Triplexer Monitor的波长不敏感耦合器

为了提高Triplexer Monitor的光信号采样性能和集成度,提出一种基于非对称锥形波导结构的波长不敏感耦合器.该耦合器采用SiO2-on-Si掩埋型光波导结构,位于中心部位的锥形波导构成耦合区,与之衔接的S型弯曲波导实现信号光的输入和输出.采用传输矩阵法分析了光监测端口输出的归一化的耦合光功率,分析时将耦合区的中心部位作为非对称矩形波导而外侧作为对称矩形波导.利用光束有限差分传播法(FDBPM)和MATLAB数值仿真得出:当耦合区中心非对称矩形波导宽度分别为5.50μrn和3.35 μm时,对于1 300 nm到1 600 nm的输入光波长范围,可实现光监测端口4％～8％的归一化耦合光功率.特别的,在1310nm、1490 nm和1550 nm输入光波条件下,耦合器在输出端的分光比分别为:92∶8、96∶4和93∶7,同时TE模和TM模的分光比变化保持在5％以内.所设计的波长不敏感耦合器具有体积小、可靠性高等优点,适合与PLC型的Triplexer实现单片集成.     

超导高频铜腔镀铌研究进展北大核心CSCD

随着粒子加速器超导高频技术的发展,超导高频腔的加速梯度与Q0值已接近纯铌材料的极限。然而,相比纯铌材超导高频腔,铜镀铌腔具有热稳定性高、机械稳定性高、对于直流磁场不敏感、RF性能和热性能可分离、优化的BCS电阻等优点。但目前铜镀铌腔在中等加速梯度(10~15 MV/m)下有较为严重的Q值下降,而且随超导腔的频率增加其下降趋势增大。近年来,镀膜超导高频腔的研究热点主要集中在:①通过采用能量更高的沉积技术,如:高功率脉冲磁控溅射、阴极电弧法、电子束等离子体蒸镀法、激光脉冲沉积等方法,降低薄膜内缺陷,提高薄膜的致密度,薄膜与衬底的结合力;②通过研究薄膜中氧、氢等杂质含量对表面剩余电阻等的影响,进而分析引起Q值下降的原理;③研发性能更优的多层膜结构以及新型沉积方法等。铜镀铌腔在LEP、LHC等粒子加速器中已经得到应用,并且稳定运行多年,证明其工程应用的可靠性与实际意义。     

超导高频铜腔镀铌研究进展

随着粒子加速器超导高频技术的发展,超导高频腔的加速梯度与Q_0值已接近纯铌材料的极限。然而,相比纯铌材超导高频腔,铜镀铌腔具有热稳定性高、机械稳定性高、对于直流磁场不敏感、RF性能和热性能可分离、优化的BCS电阻等优点。但目前铜镀铌腔在中等加速梯度(10～15 MV/m)下有较为严重的Q值下降,而且随超导腔的频率增加其下降趋势增大。近年来,镀膜超导高频腔的研究热点主要集中在:①通过采用能量更高的沉积技术,如:高功率脉冲磁控溅射、阴极电弧法、电子束等离子体蒸镀法、激光脉冲沉积等方法,降低薄膜内缺陷,提高薄膜的致密度,薄膜与衬底的结合力;②通过研究薄膜中氧、氢等杂质含量对表面剩余电阻等的影响,进而分析引起Q值下降的原理;③研发性能更优的多层膜结构以及新型沉积方法等。铜镀铌腔在LEP、LHC等粒子加速器中已经得到应用,并且稳定运行多年,证明其工程应用的可靠性与实际意义。     

内调相型脉管制冷机的理论分析

对内调相型脉管制冷机进行热力学理论分析.内调相型脉管制冷机的特点是两个冷头在脉管热端通过针阀串联,两边脉管内的压力和流量耦合,通过调节各自的输入压力相位来主动调节脉管冷端流量与压力的相位差,输入压力相位由一个具有双出口的旋转阀来实现.分析表明,该调相方法可使脉管冷端流量与压力同相,从而使制冷量最大,而且相比于传统的小孔加气库型和双向进气型脉管制冷机,其制冷效率大大提高.该结构省却了体积较大的气库,结构更加紧凑.     

Spoke型超导腔水平测试低温恒温器的设计

Spoke型射频超导(SRF)加速腔水平测试低温恒温器是中国科学院先导专项加速器驱动次临界系统(ADS)项目的重要设备之一,水平测试成功与否,直接影响到超导腔、耦合器、调谐器等能否带束流运行。对水平测试恒温器的功能及工作流程进行了初步分析,通过对恒温器中部分关键部件结构及热力学分析,以及不同温区热负荷模拟分析研究,确定恒温器的结构形式,同时为恒温器的低温测试和运行的稳定性提供理论依据。     

半导体制冷器在弱散热条件下的制冷性能分析

利用ANSYS Workbench中的热电耦合模块对3款型号半导体制冷器进行建模与数值模拟,并将模拟结果与文献进行对比。基于此模型分析了在热端散热条件受到限制的情况下3款型号半导体制冷器制冷性能的变化规律。研究表明:热端散热条件对功率越大的器件影响越显著,在冷端温度为10℃时大功率器件的散热量较小功率器件高出13. 8%,热端温度高出7. 7℃,其制冷量与制冷系数仅为后者的25. 7%和19. 7%。将输入电压由12 V减小为9 V后,在相同的散热条件下大功率器件的制冷量增加了2. 1 W,增幅达211%,制冷系数增幅达142%。但其性能依然不及其余两款小功率器件。因此,在热端散热条件受到限制时,适当减小器件的输入功率反而可以得到更好的制冷性能,且小功率器件更适合在该场合下使用。在器件的冷端温度高于室温时,大功率器件的热端温度容易过高,影响器件使用寿命甚至烧毁器件。将输入电压由12 V减小为9 V后,大功率器件的制冷量较小功率器件高6. 9%。因此,在适当减小输入功率后,大功率器件会更适合冷端温度高于室温的制冷工况。     

Ka波段TE01模回旋行波管宽带输入耦合器的设计

Ka波段TE01模回旋行波管的输入耦合器将矩形波导中输入的TE10模转化为圆波导中TE01模的行波场,以实现对回旋电子注角向速度的调制。本文首先对Ka波段TE01模回旋行波管的输入耦合器进行了解析分析和数值计算。通过数值计算得到输入耦合器的初步结构和尺寸,然后利用三维高频分析软件HFSS进行精确的模拟和修正。通过优化设计在Ka波段获得了3 dB带宽约为3 GHz,1 dB带宽大于2GHz的高性能TE1□0-TE4◎11-TE0○1输入耦合器和3 dB带宽约为3.5 GHz,1 dB带宽约为3 GHz的高性能TE1□0-TE5◎11-TE0○1输入耦合器。冷测实验研究表明优化设计结果与冷测结果相吻合。     

一种新颖的偏振不敏感的阵列波导光栅

提出了一种新颖偏振不敏感的阵列波导光栅(AWG)。器件的输入端增加了一个全光学偏振自动控制器(AOPSC),可将注入AWG的随机偏振的输入光转换为与AWG中TE0模偏振方向相同且功率损耗很小的线偏振光。AWG结构设计采用非对称的平面波导,包层与波导芯层的相对折射率差为0.7%,波导芯层的宽厚比要高,可以消除TE与TM模的简并,使波导中只能激励TE0模,而使TM0模截止。这种AWG结构完全消除了不同偏振态信号光对AWG工作性能的影响,从而使器件对偏振不敏感。设计的8×0.8nm器件整体尺寸为2cm×1cm,串扰优于-30dB,最大插入损耗为4.2dB。     

微波等离子化学气相沉积金刚石膜新型微波谐振腔设计

提出新型微波谐振腔用于化学气相沉积金刚石薄膜,腔体有效体积可以调节,采用环形介质窗口,置于沉积基台的下方,允许产生较大并且温度较高的等离子体。同轴内导体与沉积台相连接,微波从谐振腔底端传输经同轴导体耦合进入腔体。采用有限元的方法优化谐振腔的尺寸,使其能耦合进更大的微波能量,优化后,最大电场区域位于沉积台上方,并且均匀分布,在腔体内其它区域和介质窗口附近电场强度则很小,满足设计要求。采用时域有限差分法模拟了谐振腔在一定微波输入功率下产生等离子体的特性,并对设计的谐振腔进行试验研究,实验观察到的等离子体位置与模拟结果一致。     

热端长度对脉冲管制冷机的性能影响研究

首先介绍了我实验室自主开发的实用型产品：空调压缩机驱动的同轴脉冲管制冷机,然后针对实用化过程中要求脉冲管的热端长度增加的问题进行了分析,得到一些分析结果。通过一组实验研究了脉冲管热端长度对性能的影响,包括脉冲管热端温度、冷端温度、降温时间、压比。实验结果和分析是吻合的。该实验为将来实用化的设计提供了一定的实验依据。     

S波段矩形波导TE10-圆波导TM01模式转换器的研究

为满足S波段高功率微波在线测量时对圆波导耦合器进行标定的需求,本文研制了一种高转换效率的S波段矩形波导TE₁₀模式转圆波导TM₀₁模式的模式转换器。采用CST软件对模式转换器的结构进行了仿真和优化设计,并从频域和时域两方面对所研制的模式转换器的性能进行了测量。频域方面的仿真和测量结果表明,模式转换器的工作中心频点位于2.1 GHz处,在工作带宽60 MHz范围内,S₁₁<-20 dB,S₂₁>-0.1 dB。时域方面的仿真和测量表明,模式转换器具有较好的脉冲响应,可以应用于脉冲宽度为几十纳秒以上的工作场合。频域和时域两方面的测量都表明,在2.1GHz处,模式转换器的插损小于0.1 dB,表明该模式转换器的转换效率较高。以本文研制的模式转换器为核心,配以商品化的波导同轴转换器后,研制的圆波导TM₀₁模式激励器已经成功用于圆波导耦合器的性能标定之中。     

功率方程概念用于确定喇叭天线的输入功率

本文介绍了一种用级联定向耦合器扩展小功率标推的量程的方法。在处理功率传输系统中的失配问题时,应用了功率方程概念,使由于失配所引起的误差大大减小。应用该技术,在5cm频段波导系统内测量了标准喇叭天线的输入功率,估计总的不确定度约为±1.8％。     

新型径向高功率毫米波慢波结构研究

本文研究一种用于W波段高功率微波源的新型径向波慢波结构腔。这种径向慢波结构腔在大的半径情况下,能够通过几十吉瓦功率的大电流,适合于吉瓦级的高功率微波源。它是对称结构,能够比较方便地采用二维半软件做电磁场和粒子模拟计算分析,将在高功率微波器件中得到广泛地应用。文中分析了慢波结构中的电磁场分布特点,在大尺寸情况近似下,得到了对称场分布的色散特性。并由数字计算实验方法验证了理论分析结果。     

用同轴驻波比电桥精密测量回波损耗

长期以来,在微波测量领域内,同轴测量线的精度低于波导测量线的测量精度,而同轴定向耦合器的精度则更差。为了提高驻波测量的精度,人们一方面在制造工艺上改善测量线及定向耦合器等,另一方面,寻求新的测量方法。近年来出现的驻波比电桥是利用新的测量原理实现驻波比(或反射系数、回波损耗)精密测量的一种仪器。它具有精度高、分辨度高、宜于测量小反射、制造简单和成本低廉的优点。本文将介绍这一技术的原理、测量方法和测量精度等。     

同轴结构8mm扩展互作用振荡器的分析研究

为了克服扩展互作用振荡器采用实心电子注输出功率受限制的问题,本文设计了一种新型的同轴毫米波扩展互作用振荡器。采用MAGIC粒子模拟软件分别对高频系统和电子枪进行了数值模拟,分析了聚焦磁场、电子注电流、电压和内导体半径等工作参数对输出功率的影响。根据获得的工作参数的优化值对整管性能进行了模拟分析,给出了电子轴向动量沿轴向的相空间分布图、高频电压时间曲线、幅频特性图和输出波导截面上功率流的时间曲线图。整管模拟结果表明,该器件在8mm波段能产生频谱特性良好、输出功率达14．5kW的微波输出。