【摘要】：微波材料的微波性能主要包括復(fù)介電常數(shù)及復(fù)磁導(dǎo)率。對(duì)于非磁性材料而言,復(fù)介電常數(shù)決定了微波材料應(yīng)用的電路及系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。一旦環(huán)境中的微波場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)一定的閾值,材料的微波介電特性參數(shù)將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的非線性演變行為,進(jìn)而導(dǎo)致基于材料的器件及系統(tǒng)的非線性特性增強(qiáng)。因此,準(zhǔn)確獲取高功率作用強(qiáng)場(chǎng)環(huán)境下材料的微波介電特性對(duì)于材料的應(yīng)用至關(guān)重要。本文針對(duì)典型微波材料在高功率作用強(qiáng)場(chǎng)環(huán)境下的微波介電特性進(jìn)行研究,主要包括高功率微波與材料互作用機(jī)理、典型材料在高功率作用強(qiáng)場(chǎng)環(huán)境下的微波介電特性演變規(guī)律測(cè)評(píng)技術(shù)以及材料在高功率微波作用強(qiáng)場(chǎng)環(huán)境下的微波介電特性主要影響機(jī)制區(qū)分提取方法研究。首先,歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于高功率下材料微波特性研究的歷史與現(xiàn)狀及目前研究存在的關(guān)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(cè)評(píng)表征新方法。其次,詳細(xì)分析了高功率微波與材料互作用機(jī)理,包括微波熱效應(yīng)機(jī)理與微波非熱效應(yīng)機(jī)理,研究了二者共同存在并協(xié)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(yīng)的測(cè)試系統(tǒng),對(duì)典型窗口材料及半導(dǎo)體材料進(jìn)行了測(cè)試,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)地分析,初步驗(yàn)證了高功率微波對(duì)材料非熱影響機(jī)制的存在。最后,基于微波與材料互作用機(jī)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(yīng)提取新技術(shù),通過(guò)對(duì)典型材料的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,進(jìn)一步驗(yàn)證了微波非熱效應(yīng)存在的結(jié)論,并且區(qū)分了微波非熱效應(yīng)與熱效應(yīng)。所建立的測(cè)評(píng)表征方法及系統(tǒng)可用于高功率應(yīng)用環(huán)境下其他低損耗材料的微波介電特性表征及測(cè)試。本論文的主要工作貢獻(xiàn)和研究?jī)?nèi)容可以歸納為:1.闡述了本課題的來(lái)源、研究目的以及意義。其次,扼要地介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于高功率微波應(yīng)用環(huán)境下的微波材料應(yīng)用研究進(jìn)展,如典型窗口材料、半導(dǎo)體材料高功率下的微波特性研究歷史與現(xiàn)狀,介紹了常見材料微波特性檢測(cè)方法等。最后,總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)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(shí)驗(yàn)成本高、研究周期長(zhǎng)等。2.首先詳細(xì)分析了微波與材料互作用機(jī)理,包括材料對(duì)微波的作用機(jī)理,微波對(duì)材料的作用機(jī)理。其次,研究了現(xiàn)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(cè)評(píng)表征新方法。最后,從理論研究部分、系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分和實(shí)驗(yàn)部分給出了本文的總體研究技術(shù)路線,為全文工作指明了方向。3.分析了諧振腔基本理論,對(duì)不同傳輸結(jié)構(gòu)以及諧振結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)大小進(jìn)行了理論推導(dǎo)和計(jì)算,并通過(guò)電磁仿真進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。提出了局部壓縮規(guī)則諧振腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加載電容的處理方法,使得諧振腔局部區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)得到大幅度匯聚和提升,為低功率源激勵(lì)等效高功率作用強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境提供了理論基礎(chǔ)。4.基于微波強(qiáng)電磁場(chǎng)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(cè)評(píng)表征方法,并組建了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)�；诮⒌臏y(cè)試系統(tǒng)獲得了幾種典型材料在高功率作用強(qiáng)場(chǎng)環(huán)境下的復(fù)介電常數(shù)隨外部場(chǎng)強(qiáng)的演變規(guī)律。對(duì)單模法、雙模法高功率作用下待測(cè)樣品的溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)精確檢測(cè),比對(duì)高功率作用下樣品材料的介電性能演變規(guī)律測(cè)試結(jié)果與小功率作用下樣品材料的介電性能溫度特性測(cè)試結(jié)果,初步驗(yàn)證了材料在高功率作用下的微波非熱效應(yīng)存在。5.針對(duì)典型材料在高功率作用強(qiáng)場(chǎng)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(jié)構(gòu)的脈沖法高功率微波與材料互作用非熱效應(yīng)提取物理模型并組建了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。最終對(duì)四種待測(cè)樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng),并進(jìn)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(yīng)和非熱效應(yīng)共存并協(xié)同影響的結(jié)果。本文所建立的材料高功率下的微波介電特性測(cè)評(píng)表征系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下:(1)測(cè)試環(huán)境場(chǎng)強(qiáng):10~5V/m;(2)功率密度:200MW/m~2(對(duì)50Ω特性阻抗);(3)測(cè)試頻段:S波段;(4)測(cè)試范圍:介電常數(shù)εr:1.5～20;損耗角正切tanδε10~(-2);
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：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(chǎn)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(dǎo)率材料就可以增強(qiáng)介質(zhì)窗的抗擊穿力，但是研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激勵(lì)功率達(dá)到某一個(gè)閾值后，材料內(nèi)部溫度梯度出現(xiàn)非性特性。研究認(rèn)為介質(zhì)窗材料存在著非熱功率特性，這一特性與介質(zhì)表面的次電子倍增過(guò)程有關(guān)[31,34]。上個(gè)世紀(jì)九十年代中后期，美國(guó)國(guó)防部實(shí)施的 MURI 計(jì)劃就有專門針對(duì)介窗真空表面閃爍和擊穿的研究計(jì)劃[35,36]。德克薩斯理工大學(xué)的A. Neuber等人建了如圖 1-1 (a)所示的測(cè)試系統(tǒng)[35]。該測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)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(guò)對(duì)材料擊穿過(guò)程時(shí)間分辨發(fā)射的觀測(cè)和分析，研究者認(rèn)為該擊穿現(xiàn)象是由介質(zhì)表面局部高場(chǎng)強(qiáng)的電子發(fā)射引的，并且擊穿是由于介質(zhì)窗材料界面解吸附氣體層氣體擊穿造成的，而次級(jí)電倍增是氣體解吸附的主要原因[22]。擊穿過(guò)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(guò)對(duì)材料擊穿過(guò)程時(shí)間分辨發(fā)射譜的觀測(cè)和分析，研究者認(rèn)為該擊穿現(xiàn)象是由介質(zhì)表面局部高場(chǎng)強(qiáng)的電子發(fā)射引起的，并且擊穿是由于介質(zhì)窗材料界面解吸附氣體層氣體擊穿造成的，而次級(jí)電子倍增是氣體解吸附的主要原因[22]。擊穿過(guò)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(xué)擊穿實(shí)驗(yàn)。(a)介質(zhì)擊穿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[35]；(b)介質(zhì)擊穿過(guò)程的圖像[36]

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 蔡利兵;王建國(guó);朱湘琴;;不同氣壓下介質(zhì)表面高功率微波擊穿的數(shù)值模擬[J];強(qiáng)激光與粒子束;2010年10期

2 張治強(qiáng);秋實(shí);方進(jìn)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(shí)驗(yàn)裝置[J];強(qiáng)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(fù)合材料進(jìn)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(zhì)窗材料的研究綜述[J];材料導(dǎo)報(bào);2009年S1期

5 王同權(quán),沈永平,王尚武,張樹發(fā);空間輻射環(huán)境中的輻射效應(yīng)[J];國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào);1999年04期

本文編號(hào)：2713345