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%。     

一种紧凑型宽谱辐射源

 采用快前沿Marx发生器直接驱动辐射天线,设计了一种紧凑型宽谱辐射源。Marx发生器采用3 300 pF低电感陶瓷电容器作为储能电容,采用螺旋形空芯电感作为充电电感,通过各级气体火花开关迅速放电,在负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。系统设计为同轴一体化结构,整个Marx发生器放置在一个密封的金属圆筒内,通过充氮气或者六氟化硫气体来绝缘。辐射系统包括振荡器及辐射天线两部分,系统辐射场中心频率为206 MHz,辐射因子40 kV,可重复频率10 Hz运行。     

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。     

紧凑型宽谱高功率微波辐射器仿真设计

为了提高宽谱高功率微波辐射源的辐射因子,提出采用双路同步输出的宽谱谐振器驱动2×2宽带高功率贴片天线阵的技术思路。设计了一种双路同步输出的宽谱高功率脉冲谐振器,由两个同轴谐振腔尾尾相连,并共用一个环形对地开关,实现两路宽谱脉冲的同步产生与输出,通过对"T"形充电结构进行优化,使输出宽谱脉冲幅值达到充电电压的0.89倍。2×2宽带高功率单层贴片天线阵采用气体基底和单层贴片结构以降低重量,单层贴片设计为E形以拓展工作带宽,通过对天线阵几何参数进行全局优化,优化后的天线阵百分比带宽为47%(驻波比VSWR小于2),中心频率300 MHz的增益为11.8dB。对天线阵工作过程中的电场强度分析表明,在天线罩内填充105 Pa的SF6气体时,理论功率容量可达到7.4GW。对整个辐射系统的电性能进行了仿真分析,系统的理论辐射因子可达谐振器充电电压的2.8倍。     

高功率双频宽谱平面倒F天线设计分析

设计了一种双频带的高功率宽谱平面倒F天线。在矩形贴片上开L形槽实现天线双频辐射。采用圆锥过渡实现同轴馈线到平板之间的宽带阻抗匹配;通过折叠振子电容加载和合理增加天线高度和宽度实现天线宽带设计。经过优化设计,实现了274 MHz和680 MHz的双频输出,反射系数S11不超过-6dB的低频带宽和高频带宽分别达到14.6%和20.1%。天线的低频和高频增益分别达到4.4dB和4.6dB,对应辐射效率分别达到98%和99%。主辐射方向上的低频和高频远场辐射场与距离乘积与馈入宽带脉冲幅度比值分别为1.07和1.14。对天线的高功率容量进行了设计,将天线置于充0.2 MPa压力SF6气体的增强尼龙箱体中,天线可承受200 MW宽谱高功率微波。     

开关激励宽谱电磁脉冲谐振器频域响应特性

开关激励的同轴/4谐振器是产生宽谱高功率电磁脉冲的主要方式之一,采用冲击脉冲方法分析了带耦合器输出的宽带脉冲谐振器频域响应特性。首先推导了频域响应特性与耦合器耦合系数之间的关系,并得到了产生脉冲的带宽表达式,利用Taguchi算法优化设计了宽带耦合器,使其在200~500 MHz的耦合系数S21接近0.6,之后利用轴对称的柱坐标2D-FDTD对带耦合器的宽带脉冲谐振器工作过程进行了模拟,对于不同的谐振长度,可产生200~500 MHz中心频率的宽带脉冲,其频谱和带宽与理论结果吻合较好。     

小型化紧凑型高功率宽谱源

分析改进了电感隔离型重频Marx发生器整体电路和主元件排列,实现了自建立和结构紧凑的发生器。优化设计了谐振器的对地开关和耦合器,提高了谐振器的输出效率。通过实验研究得出:宽谱源辐射因子175kV,重复频率20Hz,中心频率300MHz,百分比带宽22%。该源体积小于0.2m3,重量约200kg。通过系统集成,使整套系统具备了可移动、整体360°旋转和远程控制等功能。     

低阻抗紧凑型Marx直接驱动高功率微波源北大核心CSCD

研制了一套紧凑型脉冲功率源系统,用于驱动低阻抗磁绝缘线振荡器(MILO)。脉冲功率源采用Marx发生器技术路线,由10级电容和开关组成,单级电容为100nF/100kV电容,开关采用环形轨道气体火花间隙开关,通过紧凑型结构设计,降低系统回路电感,采用电阻作为级间放电的隔离元件,整个Marx发生器系统放置于变压器绝缘油中,以实现高压绝缘。Marx发生器系统充电电压为±50kV,总储能5kJ,在12Ω的水负载上可以获得600kV,50kA的脉冲输出,脉冲上升时间小于100ns。系统尺寸为1.2m×0.5m×0.6m。基于该低阻抗脉冲功率系统,直接驱动低阻抗磁绝缘线振荡器。在二极管电压约450kV,电流约40kA条件下,测得辐射微波功率约400MW,微波脉宽约60ns,微波频率1.23GHz,辐射微波模式为TM01模。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

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。