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。     

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。     

L波段高功率波导缝隙阵设计与数值模拟

设计了一种基于宽边纵缝驻波阵的高功率射频微波辐射系统,系统由四路矩形波导以及聚四氟乙烯天线窗组成。天线内采用真空绝缘实现天线高功率容量,天线窗真空侧采用周期刻三角槽技术抑制高功率微波介质表面击穿。在波导缝隙阵与天线窗之间设计支撑板,除支撑天线窗外还可抑制表面波电流。采用HFSS数值模拟软件对辐射系统进行了优化设计。数值模拟结果表明,设计的辐射系统在频率为1.575 GHz时,增益为22.7 dBi,天线口径效率为98.3%,反射系数为-25 dB,带宽达到5%,带宽内天线增益波动小于等于0.4 dB、天线口径效率大于等于98%、主瓣指向偏差小于等于1.2。系统功率容量达到1.92 GW。     

扇形波导谐振宽边纵缝的归一化电导

扇形波导可作为高功率微波圆柱共形波导缝隙阵天线的基本单元。分析了扇形波导中主模场分量,根据实际情况对主模场进行了合理近似。采用互易定理推导由波导主模横向场分量和缝隙场分量表示的波导场分量的前向或后向散射系数。根据波导传输线理论,将波导宽边纵缝等效为并联导纳,再根据波导边界条件得到扇形波导宽边谐振纵缝的归一化电导与波导散射系数之间的关系式。根据缝隙天线与振子天线的互补关系得到扇形波导谐振缝隙的辐射阻抗,结合波导功率平衡关系得到由波导横向场散射系数表示的缝隙辐射功率表达式,得到归一化电导的与谐振宽边纵缝的偏移位置、缝隙宽度、波导波长以及扇形波导尺寸参数之间的解析表达式。给出了算例,在波导中间区域,通过商用软件计算得到的电导与理论公式结果基本吻合。     

X波段极化可重构高功率微波辐射器仿真设计

为了提高高频段高功率微波反射面天线的馈电效率,同时使波束波导馈线更加紧凑,提出一种新型的X波段极化可重构高功率微波辐射器结构。通过波纹喇叭辐射器产生准高斯的HE11模辐射,采用双相位修正镜组成的波束变换系统实现将准高斯波束转换为电场分布更为均匀的平顶波束或其余期望分布的波束,平顶分布的输出波束可使得馈源在相同介质窗尺寸下获得更高的功率容量,同时实现了波束传播方向的90°转弯;此外采用双圆极化栅网的级联组合,实现了对输出波束极化特性的调变。通过全电磁波仿真分析验证了该辐射器的设计思路。     

1 MV紧凑型重频Marx发生器绝缘设计和数值分析

 通过分析六氟化硫气体在静态高电压和脉冲高电压作用下的绝缘特性对Marx模块式开关结构和外筒尺寸进行了优化设计，着重优化设计了Marx发生器中的两个关键绝缘部位——开关腔体结构和外金属筒与顶部电容绝缘距离，并通过数值模拟计算，分析了该区域的局部3维电场强度分布。结果表明:最大场强均小于六氟化硫的沿面闪络和电击穿场强阈值。对模块式开关腔和外筒尺寸进行优化得到的绝缘结构满足0.3 MPa下六氟化硫的绝缘要求。     

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°。     

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%。     

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°。     

高功率超宽带双极脉冲产生技术

介绍了采用C-P组合开关产生双极脉冲和采用Blumlein线产生双极脉冲两种高功率双极脉冲产生技术,理想情况下,这两种双极脉冲形成线产生的双极脉冲电压峰-峰值均等于入射脉冲峰值电压的2倍。设计了相应的高功率双极脉冲形成线,并采用Pspice软件对形成线进行了模拟计算。在同一台高功率超宽带单极脉冲源上,分别对这两种双极脉冲形成线进行高压实验研究,结果为:C-P组合开关双极脉冲形成线在入射脉冲电压为855.5 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,可以产生负峰电压为812.0 kV、正峰电压为603.2 kV、半周期为720 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.65倍。Blumlein双极脉冲形成线在入射脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,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。