【摘要】：微波材料的微波性能主要包括復介電常數及復磁導率。對于非磁性材料而言,復介電常數決定了微波材料應用的電路及系統的穩(wěn)定性及可靠性。一旦環(huán)境中的微波場強超過一定的閾值,材料的微波介電特性參數將會發(fā)生嚴重的非線性演變行為,進而導致基于材料的器件及系統的非線性特性增強。因此,準確獲取高功率作用強場環(huán)境下材料的微波介電特性對于材料的應用至關重要。本文針對典型微波材料在高功率作用強場環(huán)境下的微波介電特性進行研究,主要包括高功率微波與材料互作用機理、典型材料在高功率作用強場環(huán)境下的微波介電特性演變規(guī)律測評技術以及材料在高功率微波作用強場環(huán)境下的微波介電特性主要影響機制區(qū)分提取方法研究。首先,歸納總結了國內外關于高功率下材料微波特性研究的歷史與現狀及目前研究存在的關鍵問題,創(chuàng)新性地提出了基于諧振法的小樣品高功率下微波特性測評表征新方法。其次,詳細分析了高功率微波與材料互作用機理,包括微波熱效應機理與微波非熱效應機理,研究了二者共同存在并協同影響材料的微波介電特性演變規(guī)律問題。然后,基于諧振微擾理論,創(chuàng)新性地建立了單模法、雙模法高功率下材料微波介電特性演變規(guī)律獲取方法,并分別組建了相應的測試系統,對典型窗口材料及半導體材料進行了測試,并對實驗結果進行了詳細地分析,初步驗證了高功率微波對材料非熱影響機制的存在。最后,基于微波與材料互作用機理理論,創(chuàng)新性地提出了脈沖法高功率微波與材料互作用非熱效應提取新技術,通過對典型材料的實驗測試,進一步驗證了微波非熱效應存在的結論,并且區(qū)分了微波非熱效應與熱效應。所建立的測評表征方法及系統可用于高功率應用環(huán)境下其他低損耗材料的微波介電特性表征及測試。本論文的主要工作貢獻和研究內容可以歸納為:1.闡述了本課題的來源、研究目的以及意義。其次,扼要地介紹了國內外關于高功率微波應用環(huán)境下的微波材料應用研究進展,如典型窗口材料、半導體材料高功率下的微波特性研究歷史與現狀,介紹了常見材料微波特性檢測方法等。最后,總結了目前國內外關于典型低損耗材料高功率下的微波特性研究中存在的問題,如實驗成本高、研究周期長等。2.首先詳細分析了微波與材料互作用機理,包括材料對微波的作用機理,微波對材料的作用機理。其次,研究了現有高功率微波與材料互作用研究方法,提出了基于諧振法的小樣品高功率下材料微波介電特性測評表征新方法。最后,從理論研究部分、系統設計部分和實驗部分給出了本文的總體研究技術路線,為全文工作指明了方向。3.分析了諧振腔基本理論,對不同傳輸結構以及諧振結構能夠產生的場強大小進行了理論推導和計算,并通過電磁仿真進行比對驗證。提出了局部壓縮規(guī)則諧振腔的結構設計和加載電容的處理方法,使得諧振腔局部區(qū)域的場強得到大幅度匯聚和提升,為低功率源激勵等效高功率作用強電磁場環(huán)境提供了理論基礎。4.基于微波強電磁場理論研究,創(chuàng)新性地提出了基于微擾原理的單模法、雙模法高功率微波下材料微波介電特性測評表征方法,并組建了相應的測試系統�；诮⒌臏y試系統獲得了幾種典型材料在高功率作用強場環(huán)境下的復介電常數隨外部場強的演變規(guī)律。對單模法、雙模法高功率作用下待測樣品的溫度進行了實時精確檢測,比對高功率作用下樣品材料的介電性能演變規(guī)律測試結果與小功率作用下樣品材料的介電性能溫度特性測試結果,初步驗證了材料在高功率作用下的微波非熱效應存在。5.針對典型材料在高功率作用強場環(huán)境下的微波介電特性演變行為,創(chuàng)新性地建立了基于諧振腔結構的脈沖法高功率微波與材料互作用非熱效應提取物理模型并組建了相應的測試系統。最終對四種待測樣品進行了實驗測試,實驗結果表明提出的脈沖法有效地區(qū)分并提取了微波非熱效應,并進一步證明了材料在高功率作用下的微波介電特性演變行為是微波熱效應和非熱效應共存并協同影響的結果。本文所建立的材料高功率下的微波介電特性測評表征系統主要技術指標如下:(1)測試環(huán)境場強:10~5V/m;(2)功率密度:200MW/m~2(對50Ω特性阻抗);(3)測試頻段:S波段;(4)測試范圍:介電常數εr:1.5～20;損耗角正切tanδε10~(-2);
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN015;TB34
【圖文】：

第一章 緒論料發(fā)生擊穿的主要原因是由于材料受高功率微波作用產生的熱壓力、張力形成度梯度[32,33]。以此得出，只要使用高熱導率材料就可以增強介質窗的抗擊穿力，但是研究發(fā)現，當激勵功率達到某一個閾值后，材料內部溫度梯度出現非性特性。研究認為介質窗材料存在著非熱功率特性，這一特性與介質表面的次電子倍增過程有關[31,34]。上個世紀九十年代中后期，美國國防部實施的 MURI 計劃就有專門針對介窗真空表面閃爍和擊穿的研究計劃[35,36]。德克薩斯理工大學的A. Neuber等人建了如圖 1-1 (a)所示的測試系統[35]。該測試系統的特點是利用磁控管輸出功率到波諧振腔中，不斷累積功率，最終在行波諧振腔直線段材料處獲得行波功率大90MW，脈沖半寬高 3μs 的微波功率輸出。通過對材料擊穿過程時間分辨發(fā)射的觀測和分析，研究者認為該擊穿現象是由介質表面局部高場強的電子發(fā)射引的，并且擊穿是由于介質窗材料界面解吸附氣體層氣體擊穿造成的，而次級電倍增是氣體解吸附的主要原因[22]。擊穿過程圖像記錄如圖 1-1 (b)所示[36]。

不斷累積功率，最終在行波諧振腔直線段材料處獲得行波功率大于90MW，脈沖半寬高 3μs 的微波功率輸出。通過對材料擊穿過程時間分辨發(fā)射譜的觀測和分析，研究者認為該擊穿現象是由介質表面局部高場強的電子發(fā)射引起的，并且擊穿是由于介質窗材料界面解吸附氣體層氣體擊穿造成的，而次級電子倍增是氣體解吸附的主要原因[22]。擊穿過程圖像記錄如圖 1-1 (b)所示[36]。(a) (b)圖 1-1 德克薩斯理工大學擊穿實驗。(a)介質擊穿實驗系統[35]；(b)介質擊穿過程的圖像[36]

【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

1 蔡利兵;王建國;朱湘琴;;不同氣壓下介質表面高功率微波擊穿的數值模擬[J];強激光與粒子束;2010年10期

2 張治強;秋實;方進勇;張慶元;侯青;常超;焦永昌;;X波段饋源輸出窗高功率微波擊穿實驗裝置[J];強激光與粒子束;2010年07期

3 曲寶龍;李旭東;李俊琛;;碳填充型電磁屏蔽復合材料進展[J];甘肅科技;2010年13期

4 王茜;蘇黨帥;焦曉靜;張得璽;;幾種高功率微波介質窗材料的研究綜述[J];材料導報;2009年S1期

5 王同權,沈永平,王尚武,張樹發(fā);空間輻射環(huán)境中的輻射效應[J];國防科技大學學報;1999年04期

本文編號：2713345