铁氧体填充非线性同轴传输线相关特性的研究

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同轴线作为一种常见的信号传输线,普遍地应用于各种射频系统中。通过在内外导体间的电介质层中填充铁氧体材料,并利用其相对磁导率与磁场相关的特点,可以将铁氧体同轴传输线作为一种脉冲锐化设备,有效地将较慢上升沿的电脉冲锐化成上升沿较快的脉冲。快脉冲配合外部轴向偏置磁场可以诱发铁氧体材料的阻尼旋磁进动效应,产生频率为数吉赫兹、功率高达兆瓦级的微波。这种非线性同轴线能够承受极端的功率密度,因此它可作为一种简易的高功率微波源,满足微波通信或高功率微波武器的需求。  本文利用有限元仿真软件研究这些显著特性,并设计铁氧体同轴线模型将纳秒级的高电压脉冲前沿压缩至皮秒级,通过对旋磁进动的仿真获得了兆瓦级的高功率微波。在此基础上对比了电压幅值、外部偏置磁场、铁氧体磁芯参数以及同轴线尺寸等参数对铁氧体同轴线特性表现的影响,初步得到了其影响规律,这将为脉冲锐化设备和高功率微波发生器的发展奠定基础。  课题研究完成的工作如下:  1.介绍了铁氧体同轴传输线的相关特性、应用领域和国内外研究现状,并对铁氧体的元素组成、晶体结构、磁性质、生产过程以及同轴传输线的基本理论等相关方面做了研究。  2.以铁氧体同轴传输线为研究对象,结合微观磁学分析了其能锐化脉冲并产生高功率微波的基本理论原理,以此来阐述铁氧体传输线的工作原理。为不同参数影响脉冲锐化特性和产生高功率微波特性的讨论提供理论基础。  3.利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics完成了传输线尺寸、输入脉冲电压峰值、外部偏置磁场强度、铁氧体材料参数等不同参数影响铁氧体同轴线性能表现的仿真工作。  4.仿真结果表明:输入脉冲电压越大,脉冲锐化效果越好;添加外部磁场可以进一步锐化脉冲,并导致微波振荡;铁氧体磁芯的径向半径影响脉冲锐化效果所需的最低电压值;铁氧体材料较高的饱和磁感应强度可以获得更快的脉冲前沿,较低的初始相对磁导率也可以使脉冲锐化效果更加出色;铁氧体同轴线的长度影响微波振荡的持续时间与功率水平;半径变量则主要影响微波振荡的频率;存在一个最优化的偏置磁场强度,使微波振荡的性能表现最佳,而偏置场的方向则无关紧要。针对仿真结果,分析各个参数对铁氧体同轴线特性表现结果的影响,为后续工作的开展提供设计参考。
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