微波加热效应的多物理场仿真与实验

微波对物质的加热涉及电磁、热、加热物的物理参数随温度变化等多种物理过程的综合作用。研究耦合电磁场、热传导和被加热物质物理参数方程构建多物理场方程组,数值求解获得微波加热过程的温度变化。给出多物理场算法公式和计算流程,以2.45 GHz微波加热水为例,多物理场仿真了该加热过程的微波功率分布、热量累积和温度上升,设计和加工制作了微波加热实验装置。在工作频点2.45 GHz处,测试装置的回波损耗为16.2 dB,同时测试了输入功率40 W时4个指定点处60 s内的温升,多物理场仿真结果与测试结果吻合良好,验证了多物理场仿真的正确性。     

架空多芯电缆对高功率微波耦合特性研究

通过数值计算和试验研究地面附近有限长架空多芯电缆对高功率微波的耦合特性,为指挥工程中电缆耦合特性研究提供参考。数值计算和试验结果表明,架空多芯电缆对窄带高功率微波和超宽谱高功率微波具有耦合作用,不同芯线之间存在互耦,耦合特性受电缆接头处理方式、电缆长度、电缆类型、电缆与来波方向(极化方向)夹角、屏蔽层是否接地、微波频率等影响严重。数值计算和试验结果在规律上比较一致,证明了计算模型和试验方法的正确性和有效性。     

基于多物理场计算的微波加热均匀性改善研究

针对微波加热过程中存在温度分布不均匀的问题，提出利用多端口加热方式，通过多物理场耦合计算分析了端口布局、位置、数量以及功率配比对微波加热马铃薯块均匀性的影响。仿真计算结果表明，在四端口馈入时，端口分布于腔体四面，四个端口坐标分别为(-55,-162.5,70)、(162.5,-55,70)、(55,162.5,70)和(-162.5,55,70),且四端口馈入功率比为200∶200∶300∶300时，微波加热均匀性效果最佳。     

钨电极辅助微波等离子体水蒸汽制氢的多物理场计算

通过电磁场和等离子体场耦合的方法对钨电极辅助微波等离子体制氢过程进行多物理场耦合计算,并对制氢过程中的电子密度、电子温度、氢气和水蒸汽的浓度进行计算.计算结果表明,在10-16 s到10-15 s过程中,电子密度和电子温度增加并由电极向四周扩散,氢气浓度缓慢增加.在10-15S到10-14S过程中,电子密度和电子温度分...     

L波段高功率微波辐射拒止效应研究

针对高功率微波辐射拒止效应的测试需求,研制了L波段大功率微波辐射系统实验装置,该装置主要由全固态高压脉冲调制器、速调管、固态放大器激励源、输出波导及定向辐射天线组成,介绍了各个组成部分的参数设计、系统辐射效应试验及测试结果。实验结果表明：辐射系统等效辐射功率5 GW,在辐射远场区的功率密度达到11.9 W/cm²,对典型效应物能够产生明显的拒止效果,满足开展相关高功率微波拒止效应的测试需求。     

高功率微波大气传播数值计算的加速方法

用时域有限差分法(FDTD)对高功率微波(HPM)大气传播进行数值仿真时,所要关心的仅是传播目标点HPM波形的分布,而传播过程中每一空间点不需要考虑,所以可将传播空间分段计算,在分段点处需要增加一个吸收边界,并将传播到该点的HPM保存下来,作为后继计算空间的源加入到其后一空间步,完成数据传递。通过这样循环处理可以达到节约计算时间和存储内存的目的,从而达到加速计算的目的。     

国内高功率微波大气传播研究的若干进展北大核心CSCD

近年来,高功率微波系统的输出功率越来越高,气体击穿已成为限制高功率微波传播的主要因素之一,对其开展研究具有重要的应用意义。文中首先简单回顾了国内同行的研究成果,然后重点介绍了我们已取得的代表性进展。针对由麦克斯韦方程组和电子流体力学方程组构建的高功率微波大气传播的电子流体模型,提出了该模型的时域有限差分算法。推导了超宽带脉冲的等效电场,并将其代入电离参数的经验表达式,研究了超宽带脉冲大气传播与击穿;基于分区域技术,发展了高功率微波长距离传播的快速算法;将改进的电子能量分布函数引入流体模型,计算了不同压强下的击穿时间,发现其与粒子模拟的结果符合得很好;在充分考虑电子与空气-六氟化硫混合气体之间的微观反应的情况下,研究了六氟化硫的填充比例对混合气体击穿阈值的影响。     

高功率微波防护研究

现代战场上,高功率微波产生的强电磁脉冲环境,已对装备构成严重威胁,其破坏效果远远超过一般电子战设备.因此,研究高功率微波的电磁环境效应和防护对策,已成为高新技术发展中的重要课题.本文根据高功率微波的损伤途径,从一般技术到新技术、新材料和战术等几个方面提出了几种防护措施.     

核电站含硼废液微波固化系统微波场热场仿真研究

微波固化技术可以实现对放射性废液的浓缩固化减容，但目前缺乏含硼废液微波固化多物理场仿真分析。针对此本文进行了核电站含硼废液微波固化系统微波场热场仿真研究，有助于微波固化装置设计和微波固化工艺优化。通过介电测量获得了不同含水量的硼酸/氢氧化钠水溶液的介电常数；基于有限元法建立了2.45 GHz微波固化模型，实现了微波加热硼酸/氢氧化钠水溶液计算；分析了微波频率、含硼废液含水量、液面高度对电场分布和温度场分布的影响。该研究成果为微波含硼废液固化装备设计提供指导。     

电磁冲击波发生器箔片多物理场设计优化

为实现高功率电磁冲击波发生器箔片的优化设计,利用多物理场仿真工具COMSOL Multiphysics 对箔片建模并进行仿真和优化。相较于高阶本征频率,箔片在一阶本征频率下振动时具有更大的振幅;提出了箔片形变收益最大点的概念,据此可分析箔片在不同激励下的转换效率并用于确定激励电路参数以实现高效输出;其后对3种不同结构的箔片的性能在仿真分析的基础上进行了比较讨论,得到了波纹结构箔片在同等激励下具有更大振幅的结论。论文工作对高效高功率电磁冲击波发生器的研制具有一定参考价值。     

Performance analysis of FET microwave devices by use of extended spectral-element time-domain method

The extended spectral-element time-domain (SETD) method is employed to analyse field effect transistor (FET) microwave devices. In order to impose the contribution of the FET microwave devices into the electromagnetic simulation, the SETD method is extended by introducing a lumped current term into the vector Helmholtz equation. The change of currents on each lumped component can be expressed by the change of voltage via corresponding models of equivalent circuit. The electric fields around the lumped component must be influenced by the change of voltage on each lumped component, and vice versa. So a global coupling about the EM–circuit can be built directly. The fully explicit solving scheme is maintained in this extended SETD method and the CPU time can be saved spontaneously. Three practical FET microwave devices are analysed in this article. The numerical results demonstrate the ability and accuracy of this method.     

CMOS反相器在高功率微波下闩锁效应的温度影响

The temperature dependence of the latch-up effects in a CMOS inverter based on 0.5 μm technology caused by high power microwave （HPM） is studied. The malfunction and power supply current characteristics are revealed and adopted as the latch-up criteria. The thermal effect is shown and analyzed in detail. CMOS in- verters operating at high ambient temperature are confirmed to be more susceptible to HPM, which is verified by experimental results from previous literature. Besides the dependence of the latch-up triggering power P on the ambient temperature T follows the power-law equation P = ATβ. Meanwhile, the ever reported latch-up delay time characteristic is interpreted to be affected by the temperature distribution. In addition, it is found that the power threshold increases with the decrease in pulse width but the degree of change with a certain pulse width is constant at different ambient temperatures. Also, the energy absorbed to cause latch-up at a certain temperature is basically sustained at a constant value.     

高功率微波脉冲的相位测量方法初探

本文概述了常用的高频信号相位测量的方法,分析了鉴相器和数字示波器直接测量两种方法的不确定度来源, 并设计实验系统对示波器直接测量的结果进行了不确定度分析,最后利用数字示波器对S 波段相对论速调管放大器的相 位进行了实验验证的测量,证实了该方法的可行性。     

大功率微波下超材料的设计和应用

为使超材料结构在大功率微波下更稳定地工作,本文介绍的超材料结构由双层打孔金属板构成,不同于常见的由介质基板构成的超材料结构.通过采用散射参数反演方法计算发现,超材料结构具有零折射率系数的特性,并对电场场强分布产生一定的影响.为了解该超材料对天线性能的影响,在实验过程中,采用松下2M244-M1型磁控管作为微波源来产生大功率微波,测试结果显示,半功率宽度由28°减小为15°,增益提高了1.7 dB.     

功率FET和二极管大信号建模方法

Under a large signal drive level,a frequency domain black box model of the nonlinear scattering function is introduced into power FETs and diodes.A time domain measurement system and a calibration method based on a digital oscilloscope are designed to extract the nonlinear scattering function of semiconductor devices.The extracted models can reflect the real electrical performance of semiconductor devices and propose a new large-signal model to the design of microwave semiconductor circuits.     

Large-signal modeling method for power FETs and diodes

Under a large signal drive level, a frequency domain black box model of the nonlinear scattering function is introduced into power FETs and diodes. A time domain measurement system and a calibration method based on a digital oscilloscope are designed to extract the nonlinear scattering function of semiconductor devices. The extracted models can reflect the real electrical performance of semiconductor devices and propose a new large-signal model to the design of microwave semiconductor circuits.     

钢筋混凝土层对高功率微波的衰减特性研究

为了评估钢筋混凝土层对不同波段高功率微波的衰减特性,运用试验研究和时域有限差分法数值模拟相结合的方法,对多种钢筋混凝土模型进行了试验和仿真,研究了混凝土、钢筋网、钢纤维等因素对其屏蔽效能的影响.结果表明：不同类型钢筋混凝土层对高功率微波均有一定的屏蔽作用.混凝土的厚度越大,钢筋网的网孔越小,钢纤维的含量越高,则屏蔽效能越高;缩小网孔的尺寸和加入钢纤维可以明显提高钢筋混凝土的屏蔽效能;钢筋直径及钢筋网层数的增加有助于屏蔽效能的提高,但影响较小.在实施电磁防护时,工程中的钢筋混凝土结构可以合理利用.     

高功率微波辐射场功率密度测量不确定度分析方法

辐射场测量是检验高功率微波系统输出指标的重要手段.随着高功率微波测量技术的发展,辐射场测量系统的稳定性和可靠性不断提高,作为完整测量结果重要组成部分的测量不确定度越来越受到关注.文章介绍了高功率微波辐射场功率密度测量方法及系统组成,建立了功率密度测量的数学模型,给出了高功率微波辐射场功率密度测量的主要不确定度来源.对检波器输入功率计算、接收天线有效面积校准、衰减环节校准及测量系统各环节连接失配等测量不确定度分量进行了分析,并给出了高功率微波辐射场功率密度测量不确定度的合成方法.本文给出的测量不确定度分析方法较为科学、操作性强,对完善高功率微波辐射场功率密度测量结果具有一定的指导意义.     

大功率半导体线激光图像处理方法研究

为了研究适于大功率半导体线激光断面检测系统的图像分割方法,采用几种阈值分割算法对所采集的激光光刀图像进行了处理及分析。通过在室外晴好天气下搭建平台,模拟出线激光投射大视场物体的情形,并用CMOS相机采集一系列图片。针对采集图片用3种不同算法对光刀进行阈值分割,用灰度重心法提取光刀中心位置,并对各算法的优劣进行了比较分析。结果表明,局部最大类间方差法为最佳算法,且在综合考虑信噪比、待测物体特性和线激光自身特性等因素之后,提出该算法在大功率半导体线激光系统下具有一定适用条件。     

一个微波小型化超宽带高功率分配网络

为了实现微波功率分配领域对超宽带和高功率的双重应用需求,本文呈现了一个小型化超宽带高功率的悬置带线四路功率分配网络。它采用了一种超宽带功率分配结构,避免了传统Wilkinson电路带宽限制,并结合了低阻抗集成传输线的高功率容量的特点,具有小型化、超宽带、高功率、低插损的特点。仿真设计结果表明：在2-18GHz频段内,该结构的插入损耗小于0.6dB,回波损耗优于9.5dB（在2.75-18GHz内回波损耗优于15dB）,端口幅度差小于0.1dB,相位差小于1度。