高功率寬譜微波產(chǎn)生及耦合輸出技術(shù)研究

高功率寬譜微波產(chǎn)生及耦合輸出技術(shù)研究

采用開(kāi)關(guān)噪聲器制作寬譜微波，然后通過(guò)超寬帶天線輻射，是制作寬譜微波的重要技術(shù)路線。開(kāi)關(guān)分離器是它的核心。典型開(kāi)關(guān)諧振器由1/4波長(zhǎng)同軸諧振器和一端對(duì)地開(kāi)關(guān)組成。國(guó)外開(kāi)關(guān)諧振器以美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的Matrix系統(tǒng)為代表,1/4波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)同軸諧振器饋入150kV高壓脈沖,產(chǎn)生帶寬約10%,中心頻率約181MHz的寬譜振蕩,通過(guò)3.667m的半拋物面沖擊脈沖輻射天線(IRA)輻射,在15m可得到6kV/m的輻射場(chǎng)強(qiáng)?？傊?開(kāi)關(guān)諧振器是高功率脈沖功率技術(shù)、開(kāi)關(guān)技術(shù)和諧振腔技術(shù)的結(jié)合。本文以饋入電壓為500kV的高功率寬譜開(kāi)關(guān)諧振器設(shè)計(jì)為例,分析了高功率開(kāi)關(guān)諧振器的高功率脈沖饋入技術(shù)、開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)和耦合輸出技術(shù)。1地開(kāi)關(guān)1/4波長(zhǎng)同軸諧振器開(kāi)關(guān)諧振器有多種結(jié)構(gòu),本文研究的開(kāi)關(guān)諧器是基于圖1所示單端對(duì)地開(kāi)關(guān)1/4波長(zhǎng)同軸諧振器。其工作原理是高功率脈沖源對(duì)低阻抗的同軸諧振充電,同軸諧振器一端對(duì)地開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后,諧振器產(chǎn)生諧振,諧振脈沖通過(guò)諧振器另一端經(jīng)耦合電容和電感耦合到高阻抗天線輻射。1.1諧振器的特性阻抗諧振器的脈沖功率源為Marx發(fā)生器,其放電電容為333pF,放電電感為540nH。考慮到開(kāi)關(guān)電感對(duì)諧振周期的影響,設(shè)計(jì)200MHz諧振器同軸結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為290mm,脈沖源對(duì)諧振器為諧振充電方式。圖2是諧振器特性阻抗與功率/能量傳輸效率之間的關(guān)系曲線,當(dāng)諧振器的特性阻抗為2.9Ω時(shí),得到最大功率/能量傳輸效率,此時(shí)諧振器的電容與Marx放電電容相等。同軸諧振器較低的特性阻抗不利于功率容量設(shè)計(jì),開(kāi)關(guān)諧振器為保證充電時(shí)在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通,一般設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)處最大場(chǎng)強(qiáng)為諧振器其余部位的2倍以上,當(dāng)設(shè)計(jì)諧振器特性阻抗為10Ω時(shí),開(kāi)關(guān)處場(chǎng)強(qiáng)比諧振器內(nèi)其余部分場(chǎng)強(qiáng)至少高出1倍,才可確保高壓擊穿發(fā)生在開(kāi)關(guān)處。諧振器的Q值可表示為式中:Za,Zc分別是天線和諧振器的特性阻抗。一般可取天線特性阻抗為100Ω,當(dāng)諧振器特性阻抗為10Ω時(shí),Q=7.85,因此綜合考慮,可取諧振器特性阻抗為10Ω,此時(shí),開(kāi)關(guān)諧振器的充電效率約70%,對(duì)諧振器的最大充電時(shí)間為9.8ns。1.2立足于開(kāi)關(guān)導(dǎo)通控制的特點(diǎn)對(duì)于較高功率的諧振器,其饋入結(jié)構(gòu)尺寸較大,本文討論兩種常用的饋入結(jié)構(gòu),即側(cè)饋式和直饋式,如圖3所示。側(cè)饋方式一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)諧振器外螺桿滑動(dòng)騎在內(nèi)筒上的環(huán)形開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)諧振頻率的連續(xù)調(diào)節(jié),而不足之處是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后,有一部分充電能量未得到有效利用,同時(shí)充電時(shí)會(huì)帶來(lái)同軸諧振器靠近側(cè)饋端場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻,影響環(huán)形開(kāi)關(guān)多通道的形成。圖4是側(cè)饋方式開(kāi)關(guān)處不同角度的充電波形(設(shè)靠近側(cè)饋端為0°),同軸結(jié)構(gòu)的不同角度的充電電壓不一致。遠(yuǎn)離側(cè)饋端的一側(cè)充電電壓峰值較高,當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電壓較高時(shí),會(huì)帶來(lái)環(huán)形開(kāi)關(guān)的單側(cè)導(dǎo)通。直饋方式要實(shí)現(xiàn)諧振頻率的調(diào)節(jié)較為困難,但容易保證充電電場(chǎng)在諧振器內(nèi)均勻分布,有利于環(huán)形開(kāi)關(guān)多通道的形成。圖5是直饋方式諧振器開(kāi)關(guān)處不同角度的充電波形,不同角度的充電波形完全重合。1.3齒狀多通道環(huán)形開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)是諧振器的關(guān)鍵部件之一。采用多通道開(kāi)關(guān)可大幅度降低開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電感和電阻對(duì)諧振頻率的影響,增加諧振器長(zhǎng)度,提高充電效率。文獻(xiàn)提出采用快開(kāi)關(guān)技術(shù)可以提高通道數(shù)量,文獻(xiàn)認(rèn)為采用多齒環(huán)形開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)有利于形成穩(wěn)定的多通道導(dǎo)通。其原理是將環(huán)形開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)為多齒狀,實(shí)現(xiàn)各開(kāi)關(guān)導(dǎo)通點(diǎn)之間的高阻隔離,防止開(kāi)關(guān)一點(diǎn)導(dǎo)通后,降低其余通道點(diǎn)的電場(chǎng),從而影響多通道的形成。本文設(shè)計(jì)了兩種齒狀多通道環(huán)形開(kāi)關(guān),分別是用于高阻抗傳輸線和低阻抗傳輸線,如圖6所示。開(kāi)關(guān)中兩相鄰齒的角度為10°,高阻環(huán)形開(kāi)關(guān)內(nèi)芯半徑為10mm,外筒內(nèi)半徑為18mm;低阻環(huán)形開(kāi)關(guān)內(nèi)芯半徑為84mm,外筒內(nèi)半徑為94mm;齒槽深度均為10mm。圖7是高阻與低阻多通道開(kāi)關(guān)一點(diǎn)導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通電壓對(duì)另一側(cè)對(duì)稱點(diǎn)充電波形的影響。齒槽對(duì)于高阻多通道環(huán)形開(kāi)關(guān)作用較為明顯,有齒槽時(shí)可將其它點(diǎn)導(dǎo)通的影響降低約1/2。1.4耦合器結(jié)構(gòu)要求采用集中電容與高阻同軸結(jié)構(gòu)提供的分布電感構(gòu)成耦合器,實(shí)現(xiàn)振蕩微波的能量提取,耦合器的作用是實(shí)現(xiàn)寬譜微波振蕩在所要求的頻率帶寬內(nèi)以較為均勻的耦合度耦合輸出,同時(shí)對(duì)充電脈沖的抵頻隔離,防止高壓脈沖信號(hào)直接加到天線上。耦合器結(jié)構(gòu)如圖3所示,具體結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算。根據(jù)諧振Q值可得到諧振器到耦合器之間的反射系數(shù)Q=10～20時(shí),要求ρ=0.85～0.92。為此要求諧振器到耦合器之間的s21=0.52～0.38,圖8是所設(shè)計(jì)耦合器的s21曲線,在頻率為150～250MHz時(shí),s21=0.37～0.48。圖9是開(kāi)關(guān)未導(dǎo)通時(shí)充電波形、反射波(虛線)和耦合輸出波形(點(diǎn)線),反射波形幅度接近饋入波形,說(shuō)明對(duì)于充電脈沖信號(hào),耦合器起到了較好的隔離效果。2低通插裝閥諧振器的設(shè)計(jì)分別設(shè)計(jì)了側(cè)饋和直饋以及高阻開(kāi)關(guān)和低阻開(kāi)關(guān)200MHz的1/4波長(zhǎng)同軸諧振器,輻射天線采用組合振子天線。Marx脈沖功率源輸出電壓約500kV。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用側(cè)饋方式,當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電壓為最大充電峰值電壓的60%以下時(shí),諧振輸出較為穩(wěn)定;當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電壓接近最大充電峰值電壓時(shí),諧振輸出不穩(wěn)定,出現(xiàn)頻率跳動(dòng)現(xiàn)象(跳向低頻),當(dāng)跳向低頻時(shí),由于耦合器反射系數(shù)較大而輸出幅度較小。檢查諧振器,發(fā)現(xiàn)環(huán)形開(kāi)關(guān)在側(cè)饋入口對(duì)稱一側(cè)的內(nèi)筒開(kāi)關(guān)處有大量開(kāi)關(guān)導(dǎo)通擊穿痕跡,而在側(cè)饋口一側(cè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通痕跡較少。這說(shuō)明側(cè)饋時(shí),充電電場(chǎng)在同軸結(jié)構(gòu)的分布不均勻,而采用直饋方式,諧振輸出穩(wěn)定性有一定程度的改善。高阻環(huán)形開(kāi)關(guān)諧振器比低阻開(kāi)關(guān)諧振器工作穩(wěn)定。對(duì)于高阻環(huán)形開(kāi)關(guān)諧振器,開(kāi)關(guān)采用齒狀結(jié)構(gòu),對(duì)諧振的穩(wěn)定作用較為明顯。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn),最終得到最佳的開(kāi)關(guān)諧振器設(shè)計(jì)為直饋式高阻齒狀環(huán)形開(kāi)關(guān)諧振器,其設(shè)計(jì)圖如圖10所示,諧振器輻射場(chǎng)波形如圖11所示。輻射因子達(dá)到150kV,輻射場(chǎng)頻譜中心頻率約195MHz,頻譜帶寬約30%。3多通道開(kāi)關(guān)振幅頻率通過(guò)對(duì)諧振器數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),開(kāi)關(guān)多通道的形成對(duì)諧振特性有明顯的影響,根據(jù)多通道開(kāi)關(guān)理論,要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)多通道導(dǎo)通,要求多通道的形成時(shí)間間隔式中:δ(v)表示通道擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差;[V/(dV/dt)]表示開(kāi)關(guān)電壓導(dǎo)通時(shí)的脈沖上升時(shí)間;τL,τR分別表示通道電感和通道電阻引起的時(shí)間延遲;τtrans表示電磁波在相鄰?fù)ǖ乐g的傳輸時(shí)間。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通越快,則δ(v)越小。對(duì)于本文的開(kāi)關(guān)脈沖上升時(shí)間(約9.8ns),開(kāi)關(guān)為自擊穿方式,取δ(v)=5%,則多通道開(kāi)關(guān)形成時(shí)間間隔為0.98ns。表1,2分別是低阻(10Ω)開(kāi)關(guān)諧振器與高阻(138Ω)開(kāi)關(guān)諧振器通道個(gè)數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)多通道形成及諧振頻率的影響。對(duì)于高阻和低阻多通道開(kāi)關(guān),均是多于1個(gè)通道后,通道導(dǎo)通可能會(huì)降低相鄰?fù)ǖ离妷?但通道個(gè)數(shù)的變化對(duì)低阻開(kāi)關(guān)諧振頻率影響較大。開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)為多齒結(jié)構(gòu)后,對(duì)于高阻開(kāi)關(guān),其電感較大,電容較小,比低阻開(kāi)關(guān)更不利于電磁波在相鄰?fù)ǖ篱g的傳輸。因此,多齒結(jié)構(gòu)對(duì)于高阻開(kāi)關(guān)諧振器的穩(wěn)定作用較為明顯。表1,2中僅計(jì)算了通道電感、電阻時(shí)間項(xiàng)對(duì)諧振頻率的影響,實(shí)際上,通道導(dǎo)通后,電磁波向諧振器另一端傳播的多路徑效應(yīng)也會(huì)影響諧振頻率。圖12是數(shù)值模擬計(jì)算得到的通道多路徑效應(yīng)對(duì)諧振頻率的影響。對(duì)于低阻開(kāi)關(guān)諧振器,通道導(dǎo)通多路徑效應(yīng)對(duì)諧振頻率影響較大,而隨著通道數(shù)量的增加,通道多路徑效應(yīng)對(duì)諧振頻率的影響逐漸減弱。4諧振器實(shí)驗(yàn)研究本文在輸出電壓約500kV的Marx脈沖源平臺(tái)上,設(shè)計(jì)了中心頻率為200