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电动汽车驱动 ★ 4.0

通过外部品质因数调节机制提升亚太赫兹同轴切伦科夫发生器的功率容量

Power Capacity Improvement of Subterahertz Coaxial Cherenkov Generator by External Quality Factor Regulating Mechanism

作者 Junqing Wang · Renzhen Xiao · Kun Chen · Yanchao Shi · Yinong Liu
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年6月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 亚太赫兹 相对论同轴切伦科夫振荡器 输出效率 功率容量 外部品质因数调节
语言:

中文摘要

提出了一种具有外部品质因数调节机制的新型亚太赫兹相对论同轴切伦科夫振荡器。该装置能够同时实现高输出效率和高功率容量。为提高输出效率,采用了同轴分段慢波结构(SWS)。为提高功率容量,首先,采用具有较低外部品质因数($Q_{\text {e}}$)的优化慢波结构。然后,由于装置中同时存在准横电磁(TEM)模和TM01模,引入了一种新方法,即增设中间腔、尾腔和波导环,以进一步提高功率容量。这些结构可通过改变太赫兹波的传输和反射特性,实现对准TEM模和TM01模外部品质因数的相对独立调节。粒子模拟结果表明,在二极管电压为298 kV、束流为1.2 kA的条件下,可产生频率约为339 GHz、输出功率为105 MW的亚太赫兹波,对应的输出效率为29.4%。与近期关于亚太赫兹多波切伦科夫发生器(MWCG)的研究相比,该装置的功率容量更高,输出功率提高了近50%。

English Abstract

A novel subterahertz relativistic coaxial Cherenkov oscillator with an external quality factor regulation mechanism is proposed. This device achieves high output efficiency and power capacity simultaneously. To enhance output efficiency, a coaxial segmented slow wave structure (SWS) is employed. To improve power capacity, first, utilize an optimized SWS with a lower external quality factor ( Q_ e ). Then, as both quasi-transverse electromagnetic (TEM) and TM01 modes coexist in the device, a new approach is introduced by incorporating an additional middle cavity, tail cavity, and waveguide ring to further increase power capacity. These structures enable relatively independent regulation of the external quality factors for both quasi-TEM and TM01 modes through modifying the transmission and reflection characteristics of the terahertz wave. Particle-in-cell simulations show that at a diode voltage of 298 kV and beam current of 1.2 kA, a subterahertz wave at approximately 339 GHz with an output power of 105 MW is generated, corresponding to an output efficiency of 29.4%. Compared to the recent study on subterahertz multiwave Cherenkov generator (MWCG), the power capacity is higher, and the output power increases by nearly 50%.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项亚太赫兹同轴切伦科夫振荡器技术虽然属于高能物理与微波电子学的前沿领域,但其核心创新理念对公司现有产品线具有重要的借鉴价值。

该技术通过外部品质因数调节机制实现了高效率与高功率容量的同时提升,这一设计思路与阳光电源在大功率光伏逆变器和储能变流器开发中面临的挑战高度契合。论文中采用的分段慢波结构优化、多腔体协同调控以及准TEM与TM01模式的独立调节策略,本质上是通过精细化的电磁场管理实现能量转换效率的突破,这与我们在逆变器拓扑优化、谐波抑制和功率密度提升方面的技术路径存在方法论上的相通性。

具体而言,该技术展示的29.4%效率提升和近50%功率容量增长,印证了通过多物理场耦合优化实现性能跃升的可行性。这对阳光电源正在推进的1500V+高压系统、大容量储能PCS以及新一代碳化硅功率器件应用具有启发意义,特别是在如何通过结构创新降低电磁干扰、提高散热效率和增强系统可靠性方面。

然而需要客观指出,该技术目前处于仿真验证阶段,工作在极端高压(298kV)和亚太赫兹频段,与新能源装备的应用场景存在显著差异。其直接产业化路径并不明确,但其体现的多模式协同控制、品质因数动态调节等设计方法论,可作为我们攻克大功率变换器电磁兼容性难题、优化磁性元件设计的理论参考,对推动公司产品向更高功率密度和转换效率演进具有长远的技术储备价值。