天线阻抗特性对开关振荡器输出脉冲的影响

以单锥天线和螺旋天线作为开关振荡器辐射天线为例,采用等效电路模型和商业电磁仿真软件,分别对天线末端电压振荡信号和辐射电场脉冲进行了研究。研究结果表明:采用行波天线或者电长度与振荡器一致的振子天线作为辐射天线,都能够产生中心频率与振荡器本征频率一致的电磁脉冲信号;但采用振子天线时,振荡信号持续时间较短(Q值较低),频谱上能量较分散,带宽较宽,而采用行波天线则脉冲持续时间较长(Q值较高),频谱上能量较集中,带宽较窄。     

高功率宽谱开关振荡器

采用1/4波长开关同轴谐振器技术路线,开展了高功率宽谱微波产生及耦合输出技术研究。设计振荡器工作在200 MHz,低阻抗1/4波长同轴传输线与传输线一端的环形多通道气体火花开关构成谐振器,耦合器由集中电容和分布电感构成,实现宽谱微波的能量提取。通过数值模拟研究了振荡器的振荡及耦合输出过程,分析了高压脉冲馈入方式、谐振器阻抗特性及开关齿槽结构对环形开关导通特性的影响。数值模拟和实验结果证明,采用直馈方式、高阻结构和齿槽结构有利于形成开关多通道导通,并提高开关导通的稳定性。在输出电压为500 kV的Marx脉冲功率源平台上构建了高功率宽谱微波产生实验装置,实验得到的宽谱微波振荡频率为195 MHz,辐射因子约150 kV,频谱带宽约30%。     

基于差分开关振荡器的宽带电磁脉冲辐射系统

设计了一种差分开关振荡器,能够产生中心频率300 MHz的差分衰减振荡信号,并研制了基于差分开关振荡器和螺旋天线的辐射系统。首先将相同中心频率的差分开关振荡器与单端开关振荡器对比,表明差分开关振荡器的耐压和输出电压是单端开关振荡器的两倍;然后介绍了差分开关振荡器的设计方案,对其阻抗特性和静电场分布进行了分析,仿真了其瞬态工作过程;之后根据差分开关振荡器的输出形式,研制了一种差分注入的螺旋天线,作为系统的辐射天线;最后介绍了该差分型辐射系统在不同辐射距离,不同充气气压下的实验结果,并与单端型辐射系统进行了对比。结果表明,该辐射系统能够产生中心频率300 MHz,百分比带宽约20%的高功率宽带电磁脉冲,最大辐射场强约18 kV/m,有效电势约110 kV,场强与单端型辐射系统相比近似提高了1倍。     

傅里叶域锁模光电振荡器的锁模匹配精度研究

为研究傅里叶域锁模光电振荡器(FDML OEO)的锁模匹配精度,首先通过分析FDML OEO在滤波器调谐周期与环路延迟时间整倍数存在误差时的起振过程,研究建立FDML OEO开环增益、可调滤波器半波带宽、扫频输出带宽与傅里叶域锁模匹配精度之间的关系;随后选取FDML OEO的输出线性扫频信号延时自外差拍频信号的相位噪声作为振荡器输出信号质量的评价参数。通过实验验证FDML OEO中可调谐滤波器半波带宽、系统开环增益与傅里叶域锁模匹配精度之间的关系;实验分析了傅里叶域匹配精度对FDML OEO输出射频信号带宽的影响。实验结果与理论相一致,结果表明：可调谐滤波器的半波带宽越大,开环增益越大,傅里叶域锁模的匹配精度要求越低;傅里叶域锁模输出频率范围越大,对傅里叶域锁模的匹配精度要求越高;失谐情况越严重,FDML OEO可实现的最大扫频范围将越小。该研究结果为宽带、低相噪FDML OEO的发展提供了重要的技术理论参考。     

基于脉冲形成线充电的脉冲压缩技术

利用脉冲压缩技术,将具有一定初始电压的高阻抗长脉冲形成线对低阻抗短脉冲形成线充电到一定值时,其输出开关导通,在其后的传输线上可以产生高功率短脉冲。给出了脉冲压缩理论分析;前级脉冲驱动源采用GW级纳秒脉冲形成线,其特性阻抗为40Ω、电长度为3.9ns,输出脉冲宽度约8ns;研制了与前级脉冲驱动源匹配的脉冲压缩装置和变阻抗传输线,考虑到脉冲压缩装置低阻抗形成线绝缘击穿和开关导通限制,选取脉压装置形成线特性阻抗6.5Ω、电长度0.5ns。利用GW级纳秒脉冲驱动源开展了脉冲压缩实验,得到了输出功率增益达4倍左右的脉宽1.5ns高功率短脉冲,输出脉冲功率增益与理论值基本相符。     

平板型阶跃式变阻抗线特性

介绍了变阻抗线的工作原理,给出了类Blumlein线结构变阻抗线的倍压特性,变阻抗线能够实现能量的完全传输,输出电压为输入电压的(n+1)/2倍;以平板结构为例研究了变阻抗线中的阻抗偏差问题:传输线实际阻抗较理论设计值偏大,各级的偏差基本在20%以内;通过电磁仿真研究了三级类Blumlein线结构变阻抗线中各级阻抗偏差对于倍压系数的影响,在阻抗偏差范围内,倍压系数随着阻抗的增大而减小,倍压系数在1.9~2.1范围内,给出倍压系数受各级阻抗偏差的影响规律;设计了三级类Blumlein线结构平板传输线进行实验,输出电压为3833 V,与理论设计相符。     

传输线充电技术实现高功率亚纳秒电磁脉冲调制

 分析比较了阻抗匹配和失配情况下传输线充电的原理和波过程。分析结果表明：失配情况下的最大优点是能够实现脉冲功率增益。应用阻抗为27 W、长度为540 mm传输线为充电传输线和长度分别为30,45,60 mm、阻抗均为5 W传输线为被充电传输线进行了对比试验。实验结果表明：在距离辐射天线6 m处，输出辐射场强随低阻抗传输线长度增加而略有增加，最大辐射场强为49 kV/m,考虑气体开关的实际能量损耗，这与理论分析的充电电压和功率增益关系相吻合；长度为45 mm的5 W被充电传输线的输出脉冲前沿约210 ps,幅度约为150 kV。     

螺旋线型脉冲形成线匝间击穿与输出波形的研究

 针对螺旋线型脉冲形成线放电过程的匝间击穿问题，采用数值模拟的方法研究了影响螺旋线上轴向电场的因素，模拟结果表明：螺旋线的螺旋角越大、开关的上升沿越小、负载的阻值越小则越容易造成匝间击穿；针对输出波形的前沿上冲和下凹问题，通过数值模拟和实验方法研究了加速器内阻抗不匹配段对输出波形的影响，结果表明: 改变螺旋线与开关之间连接段的阻抗以及开关和二极管之间过渡段的阻抗，使之接近于螺旋线阻抗，并使电长度减小，可以消除波形的前沿上冲和下凹，得到近似方波的高电压脉冲输出。     

XH-1装置电感储能系统的电路模拟

 针对XH-1装置电感储能系统,建立了电爆炸断路开关基于开关电阻倍增比与比能关系的电路模型,给出了与电感储能系统耦合时,利用PSPICE模拟计算得到的开关上的电流电压波形和负载上的电压波形,分析了负载阻抗参数对输出脉冲的影响。     

一种油介质开关振荡器研究

为了产生较高中心频率宽带高功率微波, 对一种填充变压器油作为绝缘介质的1/4波长开关振荡器进行了研究。首先对这种开关振荡器特性阻抗分布进行了分析;然后利用静态电场仿真结果和变压器油击穿实验数据, 分析了该振荡器的耐压能力;在此基础上, 利用CST软件对其瞬态工作特性进行了仿真, 考察了开关间隙击穿位置和间隙电压下降时间对产生阻尼正弦信号的峰值和频率的影响;最后介绍了该振荡器以一种方向系数为3的短螺旋天线作为辐射天线的实验测试结果, 结果表明, 该开关振荡器充电电压上升时间为15 ns时, 耐压达到-322 kV, 产生宽带高功率微波中心频率约360 MHz, 3 dB带宽约22%, 辐射因子170 kV。     

可调频高功率宽谱微波的产生和辐射

 设计了一种可调谐频率的高功率宽谱微波辐射装置,装置由可调谐长度的1/4波长低阻同轴谐振器、环形开关、电容耦合器和宽谱辐射天线组成,中心频率调谐为200～400 MHz。低阻传输线与环形开关构成1/4波长短路谐振器,它产生的宽谱微波振荡通过耦合器耦合到宽谱辐射天线上辐射,而耦合器由集中电容与分布电感组成,实现宽谱微波在频率调谐范围内以较为一致的耦合度提取微波能量。通过转动螺杆滑动安装在同轴谐振器内芯上的环形开关,达到改变谐振频率的目的。最后,将可调频宽谱辐射装置与输出电压为500 kV的Tesla变压器脉冲功率源联试,得到200～400 MHz宽谱微波辐射,辐射因子为95～130 kV,频谱百分比带宽为10%～30%。     

非匹配传输线型宽谱振荡器实验研究

设计了基于低阻形成线对非匹配传输线充电型宽谱振荡器,介绍了振荡器的工作原理。在数值模拟分析的基础上,完成了低阻形成线、非匹配传输线的结构设计。此宽谱振荡器在1 MV Marx实验平台上开展了实验研究,在主开关的间隙为14 mm、气压1.5 MPa,短路开关间隙为6 mm、气压1.0 MPa,锐化开关间隙为4 mm、气压1.1 MPa的条件下,实现了宽谱脉冲重复频率20 Hz稳定输出,中心频率达到260 MHz。采用低阻形成线对非匹配传输线充电技术,既实现了高功率宽谱振荡脉冲又提高了脉冲的中心频率。     

重复频率脉冲功率技术及其应用:（2）电路学方法与电磁学原理

以电磁学的基础概念为出发点,系统性地阐述了脉冲功率产生过程的基本原理。采用统一的理论模型,描述了电磁能量的储存、传输和释放过程的物理规律。从特征阻抗的角度论述了储能器件、传输器件及开关等脉冲功率系统核心元素之间的区别与联系。在此基础上,解说了几种典型脉冲功率发生器的电路方法及其工作原理,它们包括脉冲形成线法、脉冲压缩法和场通量压缩法。     

超连续谱激光干扰多色CCD探测器建模仿真研究

结合超连续谱激光器光谱辐射特性及多色CCD信号传递转换机理,建立了激光干扰多色CCD成像仿真模型。依据多色CCD工作原理,理论分析了饱和串扰信号转移规律;根据多色CCD结构,借助光学专业设计软件实现CCD像面激光能量空间分布特性研究;综合考虑饱和串扰信号转移规律及CCD像面激光能量空间分布,建立了超连续谱激光干扰单色CCD饱和串扰效应仿真模型,在此基础上结合多色CCD成像多色可视化原理,实现超连续激光干扰多色CCD输出图像仿真。最后,引入图像质量评价因子,研究了不同激光能量对多色CCD输出图像质量的影响。实验结果表明:激光功率密度是激光干扰效果的重要影响因子,随着激光能量增大,多色CCD输出图像质量下降。     

放电泵浦KrF激光放大器的高电压脉冲发生器

描述了一台用于泵浦KrF激光放大器的可重复频率运行的高电压脉冲发生器。该脉冲发生器由恒流充电机、储能电容器、传能开关、低阻抗布鲁姆林脉冲形成线、多通道轨条型输出开关组成。介绍了布鲁姆林线和轨条开关的结构,对充电回路和放电回路特性进行了分析,完成了各部分的调试并给出了实验结果。在储能电容器直流充电电压30kV,布鲁姆林线输出电压脉冲在激光器负载上峰值可达到60kV,脉宽80ns,脉冲上升时间30ns。