一種高特性阻抗超寬譜脈沖功率合成結(jié)構(gòu)

一種高特性阻抗超寬譜脈沖功率合成結(jié)構(gòu)

功率合成是改善超寬譜電磁脈輻射強(qiáng)度的有效途徑之一。超寬譜脈沖功率合成通常有2種方式:一種是空間功率合成,采用輻射天線組陣的方式,每個(gè)陣元同步輸入1路超寬譜脈沖,然后在空間進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)疊加,該合成方式具有高方向性、高增益的特點(diǎn),在高功率系統(tǒng)中應(yīng)用較多,但通常系統(tǒng)體積龐大。另一種方式是線路功率合成,多路脈沖合成后共用一副天線進(jìn)行輻射,在高功率系統(tǒng)中通常采用多路同軸線并聯(lián)輸出后,饋入輻射天線發(fā)射,由于并聯(lián)后輸出端特性阻抗降低,因此,在與高特性阻抗的輻射天線連接時(shí),通常需要接入一段高變比的變阻抗線,這導(dǎo)致系統(tǒng)合成效率降低。另外,使用專門設(shè)計(jì)的高效率功率合成器也是功率合成的一條途徑,但會(huì)限制系統(tǒng)的功率容量。在低功率系統(tǒng)中,目前應(yīng)用最多的是微帶線線路合成方式,該方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊的特點(diǎn),但這種方式會(huì)導(dǎo)致合成后帶寬降低,輸出脈沖前沿變慢,損耗較大,合成效率不高?；趥鬏斁€變壓器(transmissionlinetransformer,TLT)原理進(jìn)行功率合成是近期開始應(yīng)用的一種新穎、高效的合成方法,目前主要應(yīng)用于阻抗變換及窄帶功率合成中。文獻(xiàn)研究了一種基于傳輸線變壓器的串并混合窄脈沖功率合成裝置,能將幅度約為4.5kV/50Ω、前沿為1.5ns的4路窄脈沖合成為1路8.8kV/50Ω、前沿為2.1ns的窄脈沖,功率合成效率約95.6%,驗(yàn)證了用該方法進(jìn)行超寬譜脈沖功率合成的可行性,但是合成后脈沖前沿明顯變慢,導(dǎo)致輻射效率降低。本文基于傳輸線變壓器原理,采用同軸線兩級(jí)串聯(lián)的方法設(shè)計(jì)了一種超寬譜脈沖功率合成結(jié)構(gòu),并應(yīng)用于前沿200ps的超寬譜窄脈沖合成。1合成結(jié)構(gòu)原理超寬譜脈沖功率合成需要解決3個(gè)問題:首先,盡可能提高合成效率,這是超寬譜功率合成要解決的最主要問題;其次,要將脈沖源、合成結(jié)構(gòu)及輻射天線結(jié)合起來,減少阻抗失配,以提高饋電效率;最后,合成脈沖不能發(fā)生大的畸變,若脈沖波形發(fā)生變化導(dǎo)致前沿變慢,將降低天線的輻射場(chǎng)強(qiáng),影響輻射效果?；谝陨险J(rèn)識(shí),設(shè)計(jì)了如圖1所示的合成結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用兩級(jí)合成方式,第1級(jí)由4根等長(zhǎng)的50Ω同軸傳輸線組成。每根同軸傳輸線接1路輸出特性阻抗為50Ω超寬譜脈沖源。每2根同軸線組成傳輸線變壓器,在輸出端串聯(lián)后各接1根特性阻抗為100Ω的同軸傳輸線。2根100Ω同軸線再組成傳輸線變壓器構(gòu)成合成結(jié)構(gòu)的第2級(jí),在輸出端進(jìn)行串聯(lián)后接特性阻抗為200Ω的超寬帶輻射天線。這樣,從脈沖源輸出端的50Ω至輻射天線的200Ω,理論上實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配,盡可能地提高了饋電效率。合成結(jié)構(gòu)采用同軸線,也比通常的微帶線損耗小、帶寬高,可在提高傳輸效率的同時(shí)減少脈沖畸變。同時(shí)可以看出,在每一個(gè)傳輸線變壓器中都存在一個(gè)短路回路,這會(huì)對(duì)脈沖傳輸造成負(fù)面影響。在窄譜脈沖基于傳輸線變壓器的合成方式中,通常采用加磁環(huán)的方式抑制短路回路的影響,然而,由于超寬譜脈沖的脈寬很短,只要使每根同軸線的電長(zhǎng)度不低于傳輸脈沖脈寬電長(zhǎng)度的一半,即可消除短路回路對(duì)主脈沖造成的影響,不會(huì)使傳輸脈沖發(fā)生畸變。2拋物反射面天線實(shí)驗(yàn)所用的脈沖源為半導(dǎo)體器件全固態(tài)電路脈沖源,具有重復(fù)頻率高、抖動(dòng)小的特點(diǎn)。每路脈沖源輸出超寬譜脈沖波形如圖2所示。脈沖前沿為200ps,半高寬為600ps,峰值電壓為1.7kV。輻射天線采用共面TEM饋電結(jié)構(gòu)的拋物反射面天線,如圖3所示。天線直徑為2.1m,由2對(duì)特性阻抗各為400Ω的饋臂并聯(lián)組成,并聯(lián)成200Ω后連接功率合成結(jié)構(gòu)。4路合成結(jié)構(gòu)如圖4所示,最下面為4根50Ω同軸線,各接1路脈沖源,串聯(lián)合成后各接1根100Ω同軸線,再串聯(lián)合成為200Ω后饋入超寬帶天線。3輻射場(chǎng)測(cè)試結(jié)果4路脈沖波形一致并同步輸出是進(jìn)行功率合成的前提條件。實(shí)驗(yàn)首先對(duì)每路脈沖源單獨(dú)接天線進(jìn)行輻射,連接方法在文獻(xiàn)中已有詳述,測(cè)量主軸輻射場(chǎng)rEp值、rEp,p值及脈寬tp,p。其中,r為測(cè)試距離,實(shí)驗(yàn)中r為50m;Ep為峰值場(chǎng)強(qiáng);Ep,p為峰-峰值場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)超寬譜脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)主軸輻射場(chǎng),rE為恒值,該值通常為衡量超寬帶天線輻射性能的重要參數(shù)。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。所有結(jié)果均為多次測(cè)量的平均值,可以看出,4路輻射場(chǎng)波形一致性很好,脈寬都為570ps,每路幅值稍有差異,同步性較好,測(cè)得4路同步最大延遲為20ps。將4路脈沖源采用前述方法進(jìn)行合成后饋入超寬帶天線進(jìn)行輻射。測(cè)得合成后不同重復(fù)頻率下的輻射場(chǎng)波形如圖6所示。對(duì)單次合成波形,測(cè)得輻射場(chǎng)rEp為18.5kV,rEp,p為34.8kV,約為單路脈沖輻射場(chǎng)的2倍。對(duì)于功率合成效率的計(jì)算,由于輻射場(chǎng)rE值與合成脈沖電壓成正比,因此,可以由rE值求得合成效率,計(jì)算公式為其中,Ecom為合成后測(cè)得的輻射場(chǎng)強(qiáng);Ei為每路單獨(dú)輻射時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)。由式(1)測(cè)得按峰值場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算的功率合成效率為99%,顯示該合成方式具有很高的合成效率。測(cè)得合成后輻射脈沖寬度為570ps,與單路輻射脈沖寬度一致,波形沒有畸變。當(dāng)重頻提高時(shí),由于脈沖源抖動(dòng)性變大,因此合成場(chǎng)強(qiáng)也略有降低。重頻20kHz時(shí),合成器能穩(wěn)定工作。4亞納第三級(jí)超寬譜脈沖功率合成設(shè)計(jì)了一種基于傳輸線變壓器原理、采用兩級(jí)合成方式的超寬譜脈沖功率合成結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該合成方式進(jìn)行亞納秒量級(jí)超寬譜脈沖功率合成的有效性。該合