一种基于油介质开关振荡器的紧凑宽带高功率微波源（英文）

紧凑宽带高功率微波源研制过程中,为了提高工作电压,开关振荡器采用变压器油作为绝缘介质。研制了一种具有较小几何尺寸和前向辐射方向图的组合振子天线作为辐射天线。在设计阶段,采用电磁仿真软件对开关振荡器和辐射天线的性能进行了仿真和预测。然后,对该宽带高功率微波源进行了实验研究,并对辐射场进行了测量。结果表明:开关振荡器的工作电压超过300kV,辐射场rE值(距离和辐射电场峰值的乘积)达到125kV;辐射场中心振荡频率为375MHz,3dB带宽为24%。     

一种基于油介质开关振荡器的紧凑宽带高功率微波源

紧凑宽带高功率微波源研制过程中，为了提高工作电压，开关振荡器采用变压器油作为绝缘介质。研制了一种具有较小几何尺寸和前向辐射方向图的组合振子天线作为辐射天线。在设计阶段，采用电磁仿真软件对开关振荡器和辐射天线的性能进行了仿真和预测。然后，对该宽带高功率微波源进行了实验研究，并对辐射场进行了测量。结果表明:开关振荡器的工作电压超过300 kV，辐射场rE值(距离和辐射电场峰值的乘积)达到125 kV；辐射场中心振荡频率为375 MHz，3 dB带宽为24%。     

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。     

用于宽带高功率微波辐射的双层贴片天线特性

 研究了用于宽带高功率微波辐射的双层贴片微带天线输入阻抗带宽和辐射特性,提出一种适合于高功率微波辐射的圆锥传输线馈电结构以减小传统馈电探针的引线感抗,使天线的功率容量提高到百MW级,同时作为同轴线到径向传输线的过渡变换,使反射系数降低近50%。通过数值计算分析了不同的介质基底厚度组合和贴片尺寸对天线带宽的影响,优化参数后的天线带宽达到了34.9%(电压驻波比小于3),带内平均增益高于6.5 dB,最大增益8.3 dB,主辐射方向上的远场辐射因子与馈入宽带脉冲幅度比值大于1.3。分析了天线的功率容量,模拟计算表明该天线可用于辐射幅值300 kV的宽带高功率微波。     

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。     

新型宽谱电磁脉冲试验系统

 研制了一套新型宽谱电磁脉冲试验系统,该系统采用全电感隔离型重复频率Marx发生器产生高压冲击脉冲,经双极脉冲形成线馈入宽带天线进行宽谱辐射。介绍了发生器工作原理和双极脉冲形成原理。实验结果表明：发生器输出脉冲电压500 kV,脉冲前沿20 ns,重复频率20 Hz,宽谱辐射因子195 kV,辐射中心频率200 MHz,频谱宽度37%。该试验系统结构紧凑、操作灵活,并具有方位辐射方向360°旋转和运程控制等功能。     

宽带高功率贴片天线优化设计与实验

研制了中心频率为300 MHz的宽带高功率贴片天线,并进行了高功率实验研究。采用Taguchi全局优化算法对双层贴片天线的结构参数进行优化设计,使其驻波比小于3的带宽达到60.2%,最大增益8.1dB。为提高其功率容量,对贴片、介质基底和馈电结构进行了改进和相应的绝缘设计。小信号测试结果与理论计算吻合,实测带宽达到64.2%。高功率实验中,馈入峰值89 kV和-81 kV的双极的脉冲,辐射因子达到75.2 kV,等效峰值辐射功率为188.5 MW,辐射场频谱的3 dB带宽为46%,实测能量方向图与模拟结果相符,半能量角宽约为90°。     

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%。     

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%。     

100MW重复频率超宽带脉冲辐射源的实验研究

 介绍了利用充氮气自击穿开关产生双极脉冲, 并通过同轴双锥天线辐射的实验研究。实验获得电压约±100kV, 脉冲宽度小于等于3.6ns, 工作频率单次、10Hz和100Hz的双极脉冲;同轴双锥天线带宽150MHz～1GHz, 峰值功率辐射效率达65%。     

小型超宽谱高功率微波辐射系统

小型超宽谱高功率微波辐射系统由Tesla型100 kV级ns脉冲源、Peaking-Chopping型亚纳秒气体开关及TEM喇叭天线构成。系统重复运行频率100 Hz,辐射因子rEp值75 kV,主轴辐射场中心频率520 MHz,-3 dB频谱范围230~810 MHz。系统集成于一便携箱内,体积为80 cm50 cm26 cm,质量约45 kg。该系统结构紧凑,能够快速展开和撤收,可方便用于超宽谱高功率微波应用技术研究。     

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%。     

200 kV/200 kA脉冲源的研制

研制了一台200 kV/200 kA脉冲源,脉冲源由初级储能单元、水介质整形与传输单元、气体开关和负载组成。通过优化设计由2 到1 的水介质变阻抗线、高压气体主开关和陡化开关,使得脉冲功率源在匹配负载下产生输出电压200 kV、电流200 kA、前沿40 ns、脉宽40 ns的高压脉冲。在此脉冲源平台上已开展了低阻抗1 二极管发射特性研究,并且将在高压气体开关、同步触发、二极管等离子体发射诊断等方面发挥作用。     

利用非线性传输线产生高功率射频场

根据孤立子理论,分析了利用变容非线性传输线产生射频场的机理。利用电路仿真方法系统地研究了影响射频场产生的相关参数,发现电感和零压电容越小、输入电压越大,射频场的频率越高;电容的非线性率越大,射频场的峰值电压越高、高频成分越多。并在此基础上,仿真设计了能产生峰值功率为0.8 GW、主频为19.42 MHz射频场的非线性传输线。     

双脉冲高功率脉冲调制器的设计

采用螺旋线和折叠线技术相结合的方法,设计了一种基于水介质高功率脉冲调制器。该调制器采用了两个开关,通过控制两个开关的导通时刻,可以在两个负载上得到脉冲长度相等的两个脉冲。对该种折叠型传输线的波过程进行了详细分析,给出了过渡段部分阻抗等参数对负载电压的影响;用Pspice电路软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟;最后利用高压同轴电缆,对该种类型调制器进行了低压情况下的验证实验,实验结果与理论分析、模拟研究一致。此种类型的调制器具有结构紧凑、可同时输出两个脉冲的优点。     

非线性传输线数值模拟方法

给出了模拟交叉耦合磁饱和非线性传输线的数值模拟方法,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模型描述传输线中铁氧体磁芯的非线性磁化行为。根据节点电路方程推导了非线性传输线色散关系,设计了输出频率为300 MHz的交叉耦合磁饱和非线性传输线,利用本数值模拟方法对交叉耦合磁饱和非线性传输线的物理过程进行了分析,在充电电压达到30kV时获得了频率303MHz、峰峰值不小于40kV的高压射频脉冲输出。     

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。