传输线充电技术实现高功率亚纳秒电磁脉冲调制

分析比较了阻抗匹配和失配情况下传输线充电的原理和波过程。分析结果表明：失配情况下的最大优点是能够实现脉冲功率增益。应用阻抗为27 W、长度为540 mm传输线为充电传输线和长度分别为30,45,60 mm、阻抗均为5 W传输线为被充电传输线进行了对比试验。实验结果表明：在距离辐射天线6 m处,输出辐射场强随低阻抗传输线长度增加而略有增加,最大辐射场强为49 kV/m,考虑气体开关的实际能量损耗,这与理论分析的充电电压和功率增益关系相吻合;长度为45 mm的5 W被充电传输线的输出脉冲前沿约210 ps,幅度约为150 kV。     

新的亚纳秒前沿有界波电磁脉冲模拟器

新近建立的亚纳秒前沿有界波模拟器由高压脉冲源、传输线、分布式负载和大地板等组成。高压脉冲源为外触发的冲击电流发生器。传输线由12根非均匀分布的缆线制成。亚纳秒前沿模拟器的传输线为锥形，分布式负载也为锥形，工作区域设置在锥形传输线中。因为没有平直段，像一个开放式的GTEM小室，电磁脉冲的高频分量可以达到GHz。亚纳秒削沿模拟器是研究电子仪器孔缝耦合、特种装置电磁效应的较为理想的模拟设备。锥角的设计满足试验区域对场的均匀性要求，本设计为tgθ=0．5。     

基于超辐射机理产生X波段高功率亚纳秒脉冲研究

设计了一种基于超辐射机理的X波段相对论返波管结构, 利用全电磁2.5维粒子模拟程序对返波管中的超辐射机理进行了粒子模拟研究. 模拟表明: 在束430kV、束流4kA, 脉宽3.1ns的电子束驱动下,实现了峰值功率1.5GW、频率10GHz、脉宽500ps的亚纳秒微波脉冲输出, 峰值功率转换效率达到87.2%;在超辐射机理作用下, 微波峰值功率与电子束脉宽在一定的范围内成平方关系.     

紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置的设计研制

分析了三传输线型脉冲压缩装置的原理,从提高功率增益和小型化角度,在脉冲压缩装置中设计了一种3起端并联绕线的内置型高阻螺旋线结构。建立电路仿真模型和三维结构电磁场仿真模型,分析了高阻螺旋线特征参数对功率增益的影响。根据优化后的结果研制出紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置,经测试,前级输入脉冲宽度8 ns,功率1 GW时,输出脉冲宽度1.5 ns,功率3.7 GW,功率增益3.7。经过30万次运行考核,装置内部无滑闪和击穿现象,验证了设计可靠性。     

亚纳秒前沿有界波模拟器传输线设计的理论分析与实验

 介绍了亚纳秒前沿有界波模拟器的组成、主要技术指标和传输线结构。用时域有限差分法对模拟器的场传播和场分布进行了数值模拟,并实测了工作区域的电场分布。测量结果表明:不同位置处场的上升时间基本不变,约为800 ps,1 m×1 m×1 m工作区域内的电场两侧不均匀性约为10%,前后位置约为±50%,满足技术指标要求,场的分布与数值模拟结果相一致。     

亚纳秒脉冲传输线损耗分析

 脉冲传输线的介质材料选择和参数设计对传输线的损耗具有至关重要的影响,根据分布参数理论和电磁场微波理论,给出环氧玻璃纤维FR-4和聚四氟乙烯F₄B两种材料的损耗计算公式,在微带特性阻抗为50Ω,工作频率为10GHz时,FR-4和F₄B的介质衰减系数分别为0.095 dB/cm和0.0023dB/cm;当微带厚度为18μm,介质材料厚度为0.25mm时,FR-4和F₄B的导体衰减系数分别为0.0499dB/cm和0.0357dB/cm。数值计算和仿真结果表明,F₄B材料传输线的介质损耗和导体损耗相对较低,是一种较好的介质材料,选择合适的介质材料厚度可保证损耗较低且电路体积不至于过大。     

亚纳秒脉冲传输线损耗分析

脉冲传输线的介质材料选择和参数设计对传输线的损耗具有至关重要的影响,根据分布参数理论和电磁场微波理论,给出环氧玻璃纤维FR-4和聚四氟乙烯F4B两种材料的损耗计算公式,在微带特性阻抗为50Ω,工作频率为10GHz时,FR-4和F4B的介质衰减系数分别为0.095 dB/cm和0.0023dB/cm;当微带厚度为18μm,介质材料厚度为0.25mm时,FR-4和F4B的导体衰减系数分别为0.0499dB/cm和0.0357dB/cm。数值计算和仿真结果表明,F4B材料传输线的介质损耗和导体损耗相对较低,是一种较好的介质材料,选择合适的介质材料厚度可保证损耗较低且电路体积不至于过大。     

一种三传输线型亚纳秒脉冲压缩装置

介绍了一种采用三传输线型形成线压缩技术直接产生高功率亚纳秒脉冲的方法。给出了脉冲压缩的理论分析,设计了相应的脉冲压缩装置,并采用Pspice软件建立了电路模型,计算结果显示脉冲压缩装置的功率增益可达到2.25倍,验证了理论分析。基于现有的CKP1000超宽谱脉冲源,建立了完整的脉冲压缩实验系统并展开实验研究,结果表明：脉冲压缩装置在入射脉冲电压220 kV、脉宽5 ns的情况下,可产生峰值电压295 kV,半高宽约800 ps,前沿400 ps的亚纳秒脉冲,脉冲压缩装置的功率增益约为1.8倍,实验结果与理论值基本相符。     

亚纳秒脉冲高电压测量探头

为测量紧凑型快前沿高电压脉冲源的输出电压,设计了D-dot电压探头。分别进行了刻度因素标定和频响标定,采用前沿约50 ns的高压脉冲信号对探头进行在线标定确定探头的刻度因素。将探头安装在阻抗为50 的传输线上,用亚纳秒脉冲源进行频响标定,表明该探头的响应约为150 ps。高压实验结果表明该探头能够正确获取高电压快脉冲信号,工作稳定可靠。

     

亚纳秒脉冲高电压测量探头

为测量紧凑型快前沿高电压脉冲源的输出电压,设计了D-dot电压探头。分别进行了刻度因素标定和频响标定,采用前沿约50 ns的高压脉冲信号对探头进行在线标定确定探头的刻度因素。将探头安装在阻抗为50 的传输线上,用亚纳秒脉冲源进行频响标定,表明该探头的响应约为150 ps。高压实验结果表明该探头能够正确获取高电压快脉冲信号,工作稳定可靠。     

非线性传输线高功率实验

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100 kV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35 kV,脉冲半宽60 ns。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31 kV、中心频率308 MHz、3 dB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380 MHz、3 dB带宽为12%的宽谱辐射。实验结果与数值模拟基本吻合。     

ps脉冲传输线的多容性负载阻抗匹配模型和计算

指出提高微带横截面取样速率的关键问题是传输线多容性负载阻抗匹配,根据分布参数理论和微波传输线理论,提出局部匹配模型,推导出阻抗匹配计算公式。数值模拟和电路仿真结果表明,局部补偿匹配法对不同工作频率下的多负载电容ps脉冲传输线均可进行较好的补偿,传输线上的各点取样波形失真度很小,补偿效果明显,可以提高微带横截面取样速率。     

人造传输线行波电极电光调制器电极的设计方法

把人造传输线的观点引入电光调制器,实现相速度的匹配,是近年来才兴起的一个新的分支。它既继承了传统集总参数的部分特性,又实现了行波电极调制。讨论了这种新型电光调制器的相速度匹配原理和电极的设计方法,并给出了一个设计实例     

基于TPG2000的三路输出线理论设计与仿真

基于单台脉冲功率源产生多路电子束驱动多路微波器件的构想,提出了一种三路螺旋线输出方案,三路脉冲是由同一主脉冲产生,具有时间同步精度高的特点。以Tesla型脉冲功率源TPG2000为基础,经过理论计算,给出了三路输出线理论设计结果,对脉冲传输过程进行了建模仿真和结构优化,得到了三路参数相同的脉冲,其中两路脉冲比另一路延迟20 ns。     

基于TPG2000的三路输出线理论设计与仿真

基于单台脉冲功率源产生多路电子束驱动多路微波器件的构想,提出了一种三路螺旋线输出方案,三路脉冲是由同一主脉冲产生,具有时间同步精度高的特点。以Tesla型脉冲功率源TPG2000为基础,经过理论计算,给出了三路输出线理论设计结果,对脉冲传输过程进行了建模仿真和结构优化,得到了三路参数相同的脉冲,其中两路脉冲比另一路延迟20 ns。     

真空传输线板-锥过渡结构的功率流分析

真空传输线板-锥转角过渡是多模块汇流的Z箍缩装置经常采用的结构,在不考虑磁绝缘失效、介质损耗的前提下,采用有限差分方法分析转角过渡对功率流传输的影响。初步的计算和分析表明:随着转角的变大,由阻抗不匹配引起的反射将使传输效率有所降低;前沿较陡的快脉冲在这种结构中发生严重畸变,而低频脉冲则几乎不受影响。在板-锥过渡设计中采用小转角结构,尽量减小脉冲传输方向的变化,对保证脉冲高效传输有利。     

真空传输线板-锥过渡结构的功率流分析

真空传输线板-锥转角过渡是多模块汇流的Z箍缩装置经常采用的结构,在不考虑磁绝缘失效、介质损耗的前提下,采用有限差分方法分析转角过渡对功率流传输的影响。初步的计算和分析表明:随着转角的变大,由阻抗不匹配引起的反射将使传输效率有所降低;前沿较陡的快脉冲在这种结构中发生严重畸变,而低频脉冲则几乎不受影响。在板-锥过渡设计中采用小转角结构,尽量减小脉冲传输方向的变化,对保证脉冲高效传输有利。     

小型整体径向传输线的设计与实验

设计了一个小型整体径向传输线并对其传输特性进行了实验研究。该传输线由两块相距1 cm的铝合金平板组成,其特征阻抗采用双曲线型。1个输出端口位于传输线中央,20个输入端口均匀分布在传输线的外圆周上,最多可供20路脉冲同时注入。此传输线浸没于去离子水中,其单向传输时间为15 ns。负载由20个154 的电阻并联而成,以保证输出端的阻抗匹配。实验测得的输出电压波形与3维电磁场仿真结果非常接近。此外,还通过实验研究了不同驱动脉冲路数情况下小型整体径向传输线的输出电压,发现在驱动脉冲路数较少的情况下,输出电压的幅值几乎正比于驱动脉冲的路数。     

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30 kV时获得了频率303 MHz、峰峰值不小于40 kV的高压射频脉冲输出。