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可靠性与测试
★ 4.0
C波段双周期角向径向射频电路的设计与冷测
Design and Cold Testing of a Bi-Periodic Angular Radial RF Circuit for a C-Band Extended Interaction Oscillator
| 作者 | Bilawal Ali · Yubin Gong · Shaomeng Wang · Yang Dong · Jibran Latif · Muhammad Khawar Nadeem |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 可靠性与测试 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 角向双周期角向径向扩展互作用振荡器 高功率微波 角向径向片状电子束 脊加载 峰值功率效率 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种用于高功率微波(HPM)应用的C波段角向双周期角向径向扩展互作用振荡器(BPAREIO)。该振荡器具有小型化、高效率和低磁场运行的特点。采用发散角为14°、电流为101 A的角向径向片状电子束(ARSEB)来驱动七间隙角向径向腔。角向径向腔通过两个张角为 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\beta $ </tex-math></inline-formula> 的扇形腔进行耦合。为了优化 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\pi $ </tex-math></inline-formula> 模运行的设计,对腔体特性,如色散、散射参数、归一化电子束电导、电场分布和稳定性进行了分析。为进一步提高BPAREIO的性能,在靠近电子束通道的互作用间隙中加入了脊结构。这种改进增强了电子束通道附近的径向电场,提高了特性阻抗(R/Q)。在粒子模拟(PIC)中,模拟结果表明,加载脊结构的BPAREIO在束电压为89 kV、磁场为0.3 T的条件下,在5.805 GHz频率处可实现6.2 MW的射频峰值输出功率,峰值功率效率达到69.5%。相比之下,未加载脊结构的BPAREIO在使用相同的电子束参数时,在5.885 GHz频率处的峰值输出功率为5.4 MW,效率为59.5%。因此,与未加载脊结构的BPAREIO相比,加载脊结构的BPAREIO的峰值电子效率预计提高了16.7%。此外,制作了加载脊结构的BPAREIO,实验结果与模拟结果高度吻合。
English Abstract
A C-band angular bi-periodic angular radial EIO (BPAREIO) is proposed for high-power microwave (HPM) applications. It offers miniaturization, high efficiency, and low magnetic field operation. A divergent angular radial sheet electron beam (ARSEB) with an angle of 14° and a current of 101 A is employed to operate the seven-gap angular radial cavities. Angular radial cavities are coupled by two sectoral cavities having an opening angle . Cavity characteristics, such as dispersion, scattering parameters, normalized beam conductance, electric field distribution, and stability, are analyzed to optimize the design for -mode operation. To further enhance the performance of BPAREIO, ridges are incorporated into interaction gaps near the beam tunnel. This modification leads to an enhanced radial electric field near the beam tunnel, increasing characteristic impedance (R/Q). In particle-in cell (PIC) simulations, ridge-loaded BPAREIO demonstrated in modeling an RF peak output power of 6.2 MW at a frequency of 5.805 GHz when applying a beam voltage of 89 kV and a magnetic field of 0.3 T, yielding a peak power efficiency of 69.5%. In contrast, the BPAREIO without ridges expected a peak output power of 5.4 MW and an efficiency of 59.5% at 5.885 GHz, using the same beam parameters. Consequently, the ridge-loaded BPAREIO predicted a 16.7% increase in peak electronic efficiency compared with the BPAREIO without ridges. Moreover, ridge-loaded BPAREIO is fabricated, and experimental results closely match those obtained from simulation.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇关于C波段扩展互作用振荡器的论文虽然聚焦于高功率微波技术,但其核心设计理念与我们在功率电子领域的技术诉求存在一定的共性价值。
该研究展示的角向径向电子束技术实现了69.5%的峰值功率效率,这种高效率能量转换思路与阳光电源在逆变器和储能变流器设计中追求的高转换效率目标相契合。特别是其通过结构优化(脊加载设计)实现16.7%效率提升的方法论,对我们在电磁场优化、谐振腔体设计等方面具有借鉴意义。该技术采用的低磁场操作(0.3T)和小型化设计理念,与我们在高功率密度逆变器开发中面临的磁性元件优化挑战高度相关。
然而,必须明确指出,该技术属于真空电子器件领域,与阳光电源主营的固态功率电子技术存在本质差异。其应用场景主要集中在雷达、通信等军用或特殊工业领域,与光伏逆变器、储能PCS等民用新能源设备的技术路径并不直接重合。89kV的高压工作条件和真空环境要求,也与我们产品的应用环境相距甚远。
从技术成熟度评估,该研究已完成冷测试验证,但距离商业化应用仍有距离。对阳光电源而言,其价值更多体现在方法论层面:电磁场仿真优化、多物理场耦合分析、以及通过精细化结构设计提升系统效率的工程思维。建议我们的研发团队关注其在高频电磁场调控、谐振结构设计等方面的创新方法,将相关仿真技术和优化策略转化应用到开关电源、无线充电等与我们业务更贴近的技术领域。