典型材料高功率下微波介电特性研究

发布时间：2020-06-14 20:54

【摘要】：微波材料的微波性能主要包括复介电常数及复磁导率。对于非磁性材料而言,复介电常数决定了微波材料应用的电路及系统的稳定性及可靠性。一旦环境中的微波场强超过一定的阈值,材料的微波介电特性参数将会发生严重的非线性演变行为,进而导致基于材料的器件及系统的非线性特性增强。因此,准确获取高功率作用强场环境下材料的微波介电特性对于材料的应用至关重要。本文针对典型微波材料在高功率作用强场环境下的微波介电特性进行研究,主要包括高功率微波与材料互作用机理、典型材料在高功率作用强场环境下的微波介电特性演变规律测评技术以及材料在高功率微波作用强场环境下的微波介电特性主要影响机制区分提取方法研究。首先,归纳总结了国内外关于高功率下材料微波特性研究的历史与现状及目前研究存在的关键问题,创新性地提出了基于谐振法的小样品高功率下微波特性测评表征新方法。其次,详细分析了高功率微波与材料互作用机理,包括微波热效应机理与微波非热效应机理,研究了二者共同存在并协同影响材料的微波介电特性演变规律问题。然后,基于谐振微扰理论,创新性地建立了单模法、双模法高功率下材料微波介电特性演变规律获取方法,并分别组建了相应的测试系统,对典型窗口材料及半导体材料进行了测试,并对实验结果进行了详细地分析,初步验证了高功率微波对材料非热影响机制的存在。最后,基于微波与材料互作用机理理论,创新性地提出了脉冲法高功率微波与材料互作用非热效应提取新技术,通过对典型材料的实验测试,进一步验证了微波非热效应存在的结论,并且区分了微波非热效应与热效应。所建立的测评表征方法及系统可用于高功率应用环境下其他低损耗材料的微波介电特性表征及测试。本论文的主要工作贡献和研究内容可以归纳为:1.阐述了本课题的来源、研究目的以及意义。其次,扼要地介绍了国内外关于高功率微波应用环境下的微波材料应用研究进展,如典型窗口材料、半导体材料高功率下的微波特性研究历史与现状,介绍了常见材料微波特性检测方法等。最后,总结了目前国内外关于典型低损耗材料高功率下的微波特性研究中存在的问题,如实验成本高、研究周期长等。2.首先详细分析了微波与材料互作用机理,包括材料对微波的作用机理,微波对材料的作用机理。其次,研究了现有高功率微波与材料互作用研究方法,提出了基于谐振法的小样品高功率下材料微波介电特性测评表征新方法。最后,从理论研究部分、系统设计部分和实验部分给出了本文的总体研究技术路线,为全文工作指明了方向。3.分析了谐振腔基本理论,对不同传输结构以及谐振结构能够产生的场强大小进行了理论推导和计算,并通过电磁仿真进行比对验证。提出了局部压缩规则谐振腔的结构设计和加载电容的处理方法,使得谐振腔局部区域的场强得到大幅度汇聚和提升,为低功率源激励等效高功率作用强电磁场环境提供了理论基础。4.基于微波强电磁场理论研究,创新性地提出了基于微扰原理的单模法、双模法高功率微波下材料微波介电特性测评表征方法,并组建了相应的测试系统。基于建立的测试系统获得了几种典型材料在高功率作用强场环境下的复介电常数随外部场强的演变规律。对单模法、双模法高功率作用下待测样品的温度进行了实时精确检测,比对高功率作用下样品材料的介电性能演变规律测试结果与小功率作用下样品材料的介电性能温度特性测试结果,初步验证了材料在高功率作用下的微波非热效应存在。5.针对典型材料在高功率作用强场环境下的微波介电特性演变行为,创新性地建立了基于谐振腔结构的脉冲法高功率微波与材料互作用非热效应提取物理模型并组建了相应的测试系统。最终对四种待测样品进行了实验测试,实验结果表明提出的脉冲法有效地区分并提取了微波非热效应,并进一步证明了材料在高功率作用下的微波介电特性演变行为是微波热效应和非热效应共存并协同影响的结果。本文所建立的材料高功率下的微波介电特性测评表征系统主要技术指标如下:(1)测试环境场强:10~5V/m;(2)功率密度:200MW/m~2(对50Ω特性阻抗);(3)测试频段:S波段;(4)测试范围:介电常数εr:1.5～20;损耗角正切tanδε10~(-2);
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN015;TB34
【图文】：

理工大学

第一章绪论料发生击穿的主要原因是由于材料受高功率微波作用产生的热压力、张力形成度梯度[32,33]。以此得出，只要使用高热导率材料就可以增强介质窗的抗击穿力，但是研究发现，当激励功率达到某一个阈值后，材料内部温度梯度出现非性特性。研究认为介质窗材料存在着非热功率特性，这一特性与介质表面的次电子倍增过程有关[31,34]。上个世纪九十年代中后期，美国国防部实施的 MURI 计划就有专门针对介窗真空表面闪烁和击穿的研究计划[35,36]。德克萨斯理工大学的A. Neuber等人建了如图 1-1 (a)所示的测试系统[35]。该测试系统的特点是利用磁控管输出功率到波谐振腔中，不断累积功率，最终在行波谐振腔直线段材料处获得行波功率大90MW，脉冲半宽高 3μs 的微波功率输出。通过对材料击穿过程时间分辨发射的观测和分析，研究者认为该击穿现象是由介质表面局部高场强的电子发射引的，并且击穿是由于介质窗材料界面解吸附气体层气体击穿造成的，而次级电倍增是气体解吸附的主要原因[22]。击穿过程图像记录如图 1-1 (b)所示[36]。

介质,介质击穿,解吸附

不断累积功率，最终在行波谐振腔直线段材料处获得行波功率大于90MW，脉冲半宽高 3μs 的微波功率输出。通过对材料击穿过程时间分辨发射谱的观测和分析，研究者认为该击穿现象是由介质表面局部高场强的电子发射引起的，并且击穿是由于介质窗材料界面解吸附气体层气体击穿造成的，而次级电子倍增是气体解吸附的主要原因[22]。击穿过程图像记录如图 1-1 (b)所示[36]。(a) (b)图 1-1 德克萨斯理工大学击穿实验。(a)介质击穿实验系统[35]；(b)介质击穿过程的图像[36]

【参考文献】