非线性传输线产生射频脉冲原理研究

介绍了非线性传输线的工作原理和色散特性,给出了用于模拟交叉耦合磁饱和非线性传输线的计算方法。算法基于传输线各节点的时域差分方程组进行步进迭代,其中利用J-A模型描述传输线中NiZn铁氧体磁芯的非线性磁化行为,并模拟了非线性传输线的工作方式。实验获得了中心频率165MHz的宽带脉冲输出,初步验证了用于产生宽带电磁脉冲的非线性传输线关键技术。     

非线性传输线高功率实验北大核心CSCD

设计了基于交叉耦合铁氧体非线性传输线高功率射频微波产生系统,系统由脉冲形成线、非线性传输线以及高功率匹配负载(或组合振子辐射天线)组成。由100kV高压电源和高压微波电缆构成单传输线高功率脉冲形成线,形成线输出脉冲幅度35kV,脉冲半宽60ns。高压脉冲经过非线性传输线的脉冲压缩和调制,与高功率匹配负载相连时,实验得到了峰峰值31kV、中心频率308 MHz、3dB带宽为13%的射频振荡脉冲;与组合振子天线相连时,实验得到了中心频率380MHz、3dB带宽为12%的宽谱辐射。实验结果与数值模拟基本吻合。     

利用脉冲循环产生高压多脉冲

依据电压脉冲在传输线中的传播特性,分析了将形成线和传输线构成封闭回路,使电脉冲在其中反复循环,从而在高阻负载上得到高压多脉冲输出的可能性,并进行了电路模拟研究。利用Blumlein脉冲形成线系统和400 kV高压电缆组成封闭回路,进行了高压实验研究,在高阻约1 kΩ负载上得到了大于200kV的多个脉冲输出,脉冲宽度120 ns、间隔不超过400 ns。研究表明,利用脉冲循环方法可以在较高阻抗的负载上产生MHz重复频率的高压多脉冲串,其脉冲质量与形成线开关状态密切相关。     

一种紧凑型高功率宽带微波源

 设计了一种高功率宽带微波辐射装置,谐振器采用传输线型谐振器,其中,天线采用单锥喇叭。整个宽带微波产生装置具有结构紧凑、谐振频率较低的特点。用时域有限差分对该装置进行了数值模拟,模拟结果为：辐射场中心频率272 MHz,带宽13.5%。装置与高压脉冲源联试,开关内充电电压为71 kV时,辐射场中心频率为197 MHz,辐射场带宽达到24%,峰值辐射因子为28.3 kV。     

MHz重复频率脉冲功率技术

采用串联单传输线、并联Blumlein脉冲形成线和高重复频率固体开关等技术路线开展了MHz重复频率脉冲功率技术研究。利用串联单传输线获得了幅度约200 kV,时间间隔约500 ns的双脉冲。利用并联使用的Blumlein系统和特殊设计的汇流/隔离网络获得了幅度约275 kV,时间间隔约500 ns的三脉冲。利用并联MOSFET和感应叠加原理研制了6 kV/2.5 MHz固体调制器。结果表明:3种方式均可以猝发MHz的方式输出高品质的高压脉冲串,可根据实际的需求选择合适技术路线。     

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SOS和LTD技术的高重复频率脉冲发生器

提出了磁饱和直线变压器驱动源(LTD)泵浦半导体断路开关(SOS)产生高重复频率短脉冲的技术路线。利用LTD初次级线圈为单匝同轴结构和磁芯可饱和的特点,实现快速反向泵浦SOS,通过多级LTD模块叠加获得高电压输出。采用射频金属氧化物场效应晶体管(RF MOSFET)作为LTD初级电路的主开关,将SOS正向泵浦电流脉冲时间降至数十ns,泵浦电流脉冲重复频率最高可达MHz。最终研制出一台基于SOS的10级磁饱和LTD型脉冲发生器,输出电压约11kV,电流220A,脉冲宽度约2ns,重复频率为20kHz。实验验证了磁饱和直线脉冲变压器泵浦SOS产生高重复频率短脉冲的技术路线可行。     

非线性铁氧体传输线的脉冲陡化作用

阐述了非线性铁氧体传输线的工作机理,并给出了等阻抗的设计方法。针对已有重复频率脉冲功率源输出脉冲特点,设计了工作重复频率可达10kHz的铁氧体传输线,并可实现将前沿ns级的高压脉冲陡化至几百ps。采用多种NiZn铁氧体磁芯开展陡化实验,研究了磁芯参数、铁氧体传输线长度及外加励磁场等因素对陡化效果的影响,得出采用高饱和磁化强度的磁芯可以获得更快的脉冲前沿;采用小磁芯可以加快输出脉冲前沿,但需要的铁氧体长度更长;外加轴向励磁对陡化前沿也具有促进作用,但励磁场并非越大越好,而是存在一个最佳范围。目前,根据实验结果优化后,经铁氧体传输线可将脉冲前沿从4ns陡化至450ps,且输出脉冲电压峰值39kV,基本实现了高重复频率、高功率及快脉冲输出。     

非匹配传输线产生宽谱脉冲实验研究

介绍了基于短路开关-锐化开关组合的非匹配传输线的工作原理,通过数值模拟分析了开关的导通时间、导通延时以及形成线的长度对输出宽谱振荡脉冲的影响。设计了非匹配传输线的实验装置并在500kV Marx发生器上开展了实验研究。在短路开关间距为4mm、腔体内充入SF6气体的压力为1.15MPa,锐化开关间距为2.5mm、腔体内SF6气体的压力为1.0MPa的条件下,在50Ω传输线上测得的峰值功率为3.3GW,振荡脉冲的中心频率为169MHz,百分比带宽为22.9%。     

X波段磁绝缘线振荡器的模拟研究

 设计了一个具有新型收集极的X 波段磁绝缘线振荡器，并利用KARAT程序对其进行了深入的数值模拟研究。对设计思想进行了介绍，并对典型模拟结果进行了图示和分析。当工作电压为520 kV, 电流为64 kA时, 模拟中获得了2.18 GW的微波输出功率，频率为9.3 GHz，功率转换效率为6.5％, 辐射微波的主模式为TEM模。     

Study of superradiance based on a low-voltagebackward wave oscillator

According to the small size requirement for wide-band high-power microwave radiation, a superradiance backward wave oscillator (BWO) is proposed to generate such high-power microwave radiation with a low voltage (～20 kV) pulse power supply and low guiding magnet field (～0.1 T). In order to get a high-efficiency C-band superradiance BWO with a low beam voltage and a low guiding magnet field, the mechanism of superradiance in a BWO is explored in particle-in-cell simulation. With the oversized structure, the simulation shows that a microwave power of 405 kW with a frequency of 5.6 GHz and a spectrum width of 500 MHz can be obtained with a voltage of 23 kV and magnetic field of 0.1 T.     

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%。     

8 mm二次谐波回旋速调管非线性分析

 对8 mm二次谐波回旋速调管中的注-波互作用，进行了PIC模拟计算，得到了高频结构尺寸、电子注参数、聚焦磁场等参数对输出功率、效率和增益的影响规律。在磁场系数0.511 8，电子注电压70 kV，电子注电流约16 A，输入功率约80 W时，得到约430 kW的输出功率，电子转化效率38%，超过37 dB的增益，3 dB带宽超过210 MHz。     

Compact envelope dark solitary wave in a discrete nonlinear electrical transmission line

We introduce an extended nonlinear Schrödinger (ENLS) equation describing the dynamics of modulated waves in a nonlinear discrete electrical transmission line (NLTL) with nonlinear dispersion. We show that this equation admits envelope dark solitary wave with compact support, with width and speed independent of the amplitude, as a solution. Analytical criteria of existence and stability of this solution are derived. In particular, we show that the modulated compact wave may exist in the NLTL depending on the frequency range of the chosen carrier wave, for physically realistic parameters. The stability of compact dark solitary wave is confirmed by numerical simulations of this ENLS equation and the exact equations of the network.     

基于半导体断路开关的8 MW,10 kHz脉冲发生器

 功率器件半导体断路开关具有高重复频率工作能力。采用高速绝缘栅双极晶体管组件作为初级充电回路的主开关,建立了一台工作频率为10 kHz的脉冲发生器。脉冲发生器采用磁饱和脉冲变压器、磁开关及高压脉冲电容器组等固态器件进行两级脉冲压缩,产生小于100 ns的电流脉冲,对半导体断路开关进行泵浦,半导体断路开关反向截断泵浦电流在负载上产生高压脉冲输出。实验装置在电阻负载上得到了脉冲输出功率约为8.6 MW,脉冲宽度约10 ns,重复频率10 kHz的高压脉冲输出。     

平面磁绝缘线振荡器的作用机理及模拟设计

针对当前高功率微波(HPM)中的热点器件磁绝缘线振荡器(MILO) 频率低、效率低等问题,提出了一种可以沿x方向平面展开的平面MILO。该器件也是一种低阻抗高功率微波器件,通过一个低外加磁场来代替常规MILO中的磁绝缘电流,辅助实现器件的磁绝缘,从而实现器件效率的提高。结合PIC模拟,建立一个外加低磁场的C波段平面MILO,并根据其慢波结构(平面折绉表面)特点给出相应的色散曲线,确定微波器件工作点,利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,在输入为4.0 GW电功率(工作电压约800 kV)的条件下,模拟得到频率为6.56 GHz的微波输出,通过优化外加磁场,使得模拟微波输出功率达到1.22 GW,功率效率在C波段条件下超过30%。     

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。     

基于半导体开关和LTD技术的高重频快沿高压脉冲源

采用快开通功率MOSFET,通过优化驱动电路、磁芯参数以及耦合结构,设计了基于半导体开关和直线变压器驱动源（LTD）技术的高重频快沿高压脉冲源。该脉冲源由四级LTD串联而成,可实现单次脉冲和最高频率2 MHz脉冲串输出。脉冲最高幅值约2.3 kV,上升沿约7 ns,脉宽约90 ns,下降沿约20 ns,输出电压效率约95%。该脉冲源结构紧凑,输出脉冲稳定,实现了模块化设计,可作为重频电磁脉冲模拟源使用。