高功率超宽带同轴双锥天线的设计和实验

 用口径场的方法对有限长同轴双锥天线进行了分析和设计。同轴双锥天线能工作在电压±100kV、重复频率100Hz、单周期脉冲全底宽3.6ns和输出阻抗50Ω的超宽带脉冲辐射源上,辐射功率大于100MW;天线带宽150MHz～1GHz;输入阻抗50Ω。E平面和H平面平行极化半功率点全宽度分别为50°和360°;天线的功率效率约为65%。     

1GW超宽带单周期脉冲辐射源实验研究

 利用600kV铁芯充电脉冲变压器和压缩开关,作为初级脉冲功率系统和亚纳秒单开关技术,产生了峰值功率1.6GW、脉冲全底宽5.5ns的单周期脉冲,可在高于20Hz重复 频率下稳定运行。设计了同轴双锥天线,辐射功率大于500MW。初步掌握了产生和辐射高峰值功率超宽带脉冲的绝缘和能量损耗,特别是50Ω超宽带负载设计等技术难题。     

1GW超宽带单周期脉冲辐射源实验研究

利用 ６００ｋ Ｖ 铁芯充电脉冲变压器和压缩开关,作为初级脉冲功率系统和亚纳秒单开关技术,产生了峰值功率 １．６ Ｇ Ｗ 、脉冲全底宽 ５．５ｎｓ 的单周期脉冲,可在高于 ２０ Ｈｚ 重复频率下稳定运行。设计了同轴双锥天线,辐射功率大于 ５００ Ｍ Ｗ 。初步掌握了产生和辐射高峰值功率超宽带脉冲的绝缘和能量损耗,特别是 ５０Ω超宽带负载设计等技术难题。     

重复高压脉冲产生与成形一体化装置研制

 介绍了脉冲变压器与分布参量形成线相结合的高功率脉冲产生与成形一体技术,简要阐述了采用该技术的高压脉冲发生器的基本设计思想。研制的脉冲变压器与形成线一体化装置利用变压器的同轴开环铁芯来充当分布电参量脉冲形成线的内外导体,将脉冲功率源中最重要的两个独立部件有机结合起来,实现了结构的紧凑性。高压脉冲发生器在重复频率100 Hz、变压器工作电压1.65 MV时能够稳定运行,输出脉冲电压760 kV,峰值功率23 GW,脉冲宽度大于40 ns。     

双极性脉冲磁控溅射电源设计

双极性脉冲电源是磁控溅射系统中的关键设备之一。根据铌溅射处理装置的技术要求,研制了一套输出电压0~800 V可调、脉冲宽度20~200 μs可调、频率0~60 Hz可调、脉冲电流最大幅值约150 A的双极性脉冲电源,分别给出了该电源在水电阻负载和等离子体负载下的实验结果。设计上采用DSP控制开关电源的方式对储能电容器进行恒流充电;综合应用FPGA,PLC及触摸屏组成人机交互系统,控制输出光脉冲信号,经负压偏置驱动后使桥式结构的脉冲形成网络产生正负交替双极性脉冲。通过大量实验论证,该电源解决了等离子体负载放电打弧等问题,达到了理想的溅射效果,满足了指标要求。     

CO2激光器高压脉冲触发系统的设计

为了稳定可靠地触发CO2激光器旋转火花开关,设计了一套高压脉冲触发系统并且提出了一种新型的绝缘栅双极晶体管（IGBT）驱动与保护方法。根据CO2激光器中旋转火花开关的触发结构,应用复杂可编程逻辑器件（CPLD）芯片EPM3512开发了可以输出100～500 Hz重频脉冲信号以及单次脉冲信号的触发信号源;应用光耦HCPL-3120设计了具有过流、过压保护功能兼有电磁兼容（EMC）设计的IGBT驱动电路;对高压脉冲变压器进行建模并通过PSPICE软件仿真;搭建了实验平台,进行了联机性能测试。实验结果表明：在500 Hz的重复频率下,高压脉冲触发系统可连续稳定地输出高于38 kV的高压重频脉冲,基本满足CO2激光器的旋转火花开关稳定可靠触发的要求。     

重复高压脉冲产生与成形一体化装置研制

介绍了脉冲变压器与分布参量形成线相结合的高功率脉冲产生与成形一体技术,简要阐述了采用该技术的高压脉冲发生器的基本设计思想。研制的脉冲变压器与形成线一体化装置利用变压器的同轴开环铁芯来充当分布电参量脉冲形成线的内外导体,将脉冲功率源中最重要的两个独立部件有机结合起来,实现了结构的紧凑性。高压脉冲发生器在重复频率100 Hz、变压器工作电压1.65 MV时能够稳定运行,输出脉冲电压760 kV,峰值功率23 GW,脉冲宽度大于40 ns。     

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。     

基于Boost闭环控制的恒峰值双极性脉冲发生器的研制北大核心CSCD

在肿瘤消融、污水处理等领域的脉冲功率技术应用中,研究发现双极性电脉冲往往比单极性电脉冲效果更佳,这极大地刺激了双极性高压脉冲电源的研发需求。设计了一台基于Boost闭环控制的恒峰值双极性脉冲发生器,该发生器结合boost电路与Marx发生器的特点,实现了具有升压功能的双极性脉冲的产生,且利用峰值检测电路对双极性脉冲发生器的输出峰值进行取样,并反馈到DSP处理器,实现峰值电压闭环控制,从而实现双极性脉冲恒定峰值的输出。为了验证提出的拓扑电路的可行性与稳定性,对5级恒峰值双极性脉冲发生器进行了仿真和实验研究。实验结果表明,当输入电压在100 V时,可产生重复频率5 kHz、脉冲宽度5~10μs、电压幅值为±2.0 kV的恒峰值双极性脉冲波形。该脉冲电源使用模块化设计,便于级联,结构紧凑,可灵活输出恒峰值的双极性或单极性正(负)脉冲。     

Blumlein双极脉冲形成线

 为了提高超宽带系统的辐射因子,对超宽带脉冲整形技术进行了深入研究,介绍了采用Blumlein线产生双极脉冲的高功率双极脉冲产生技术。对采用Blumlein线产生双极脉冲的原理进行了讨论,通过数值模拟分析了影响双极脉冲形成的主要因素。设计了一套Blumlein高功率双极脉冲形成线,在800 kV脉冲源上开展了高压实验研究,分析了开关及形成线长度对形双极脉冲的影响。在输入单极脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,Blumlein双极脉冲形成线可以产生负峰电压为571.9 kV、正峰电压为550.4 kV、半周期为740 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.72倍,辐射因子为4.54 MV。     

高功率半抛物面冲击脉冲辐射天线系统实验研究

 描述了研制的一种集高重复频率、高功率冲击脉冲源和半抛物面反射器冲击脉冲辐射天线为一体的新型超宽带辐射天线系统,内容包括天线理论分析、系统工程设计和实验。研制的紧凑型高功率半IRA实验系统,在轴上30m处电场达13kV/m。     

高功率超宽带脉冲辐射实验装置研制

 研制了高功率超宽带脉冲辐射实验装置。该装置主要由脉冲充电电源、超宽带脉冲产生装置、超宽带脉冲发射天线三部分组成。达到的主要指标为：脉冲电源输出电压600 kV、重复频率100 Hz；脉冲压缩输出峰值功率约10 GW、脉宽1.2 ns；在辐射天线轴上220 m处，辐射峰值电场16.1 kV/m、等效辐射功率0.42×10¹² W；辐射场E面方向图半功率宽度为8°，H面方向图半功率宽度为9°。     

高功率超宽谱辐射源实验研究

 对高功率超宽谱辐射源的参数进行了理论分析设计,对高压电源、脉冲产生、阻抗变换及传输线、天线等各部分的具体参数进行了分解匹配。根据理论计算结果,设计了一套高功率超宽谱辐射装置并进行了实验研究,对输出功率、辐射效率等进行了调试,在2.7 Ω负载上获得脉冲输出功率超过30 GW、脉冲宽度1.6 ns,通过超宽谱Cassegrain双反射面天线辐射,等效辐射峰值功率超过2×10¹² W,辐射因子超过8 MV,H面与E面3 dB宽度分别为2.35°和2.27°。     

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。     

电-磁振子组合型超宽带天线数值分析

 采用CST MICROWAVE STUDIO电磁场数值计算软件,对电-磁振子组合型超宽带（UWB）天线结构参数与天线性能之间的物理关系进行了分析。电磁组合型天线的物理结构包括三部分：天线的馈电系统、TEM喇叭辐射单元和电流环辐射单元。激励源采用高斯脉冲，边界为6层理想吸收边界（PML6）。仿真结果表明：组合天线的外导体屏蔽和电流环分别改善了不同频带内的端口参数；当电流环周长(105 cm)约等于天线尺寸(50 cm)的2倍时，天线的反射能量较小，端口参数曲线平坦；天线的物理尺寸决定其辐射带宽，尺寸越大，低频辐射特性越好。     

复合振子天线辐射特性的数值模拟

 讨论了由电单极子和磁振子组合而成的复合振子天线结构和工作原理，用时域有限差分方法模拟了天线的辐射特性，计算了天线从同轴线的馈电效率，对于单极脉冲和双极脉冲馈源，馈电效率分别为65%和81%。给出了天线的电压驻波比、辐射近场和远场、能量方向图等。模拟结果表明：在H面内辐射方向图是轴线对称的，其形状是心型；在E面内，方向图关于轴线不对称，辐射最大值方向向上偏离大约15°。这种天线具有宽带特性和较高的馈电效率，适合于超宽带电磁脉冲辐射的天线阵列的应用。     

超宽带天线中同轴到平板过渡研究

 从理论上分析了渐变式传输线阻抗变换的反射与频率的关系，进而分析了同轴到平板过渡的电压驻波比关系式； 用3维FDTD方法动态模拟了瞬态脉冲信号在同轴到平板过渡中的传输过程，分析了信号在过渡中的损耗，设计了具有高功率容量的渐变式同轴到平板过渡和TEM喇叭天线，对渐变式同轴到平板过渡的反射和带过渡结构的天线方向图进行了测量。实验表明瞬态脉冲信号经过同轴到平板过渡没有产生畸变，适当选择过渡长度可使脉冲传输效率大于85%。实验结果验证了理论和数值模拟的结果。     

100 kV重复频率高压脉冲电源

为研究气体间隙的放电特性,设计了输出幅度在30～100 kV、重复频率1～5 kHz可调的高压脉冲电源。利用谐振充电的原理,将10 kV的初级电源的能量转移到中储电容,中储电容的电压升高到至少18 kV。在光触发信号的作用下,氢闸流管导通,中储电容上的能量通过脉冲变压器放电,在脉冲变压器的副边得到最大幅度为100 kV的负脉冲,其脉宽大于200 ns,前沿时间小于90 ns。整个装置在不加散热系统的情况下,可连续工作1 min以上。     

超宽带电磁脉冲与地雷耦合的数值模拟

 用数值方法研究了超宽带电磁脉冲与地雷耦合问题。验证了截断有耗边界的完全匹配层方法，给出了超宽带信号经天线发射后在不同距离处的辐射场。通过数值模拟，给出了不同作用距离和作用角条件下地雷体内的耦合电磁场。