一種高調(diào)諧頻率寬譜微波輻射裝置的設(shè)計

一種高調(diào)諧頻率寬譜微波輻射裝置的設(shè)計

寬譜微波考慮了超寬帶微波和窄帶微波的優(yōu)點。它具有小型和緊湊的特點。在組合和效果方面，它具有獨特的優(yōu)勢，近年來在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。產(chǎn)生寬譜微波的方式主要有兩種:一種以德國的DS110系列為代表,將瞬態(tài)脈沖信號直接加到寬譜天線輻射,利用天線的一定寬帶特性提取寬譜能量輻射,其優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊;一種以美國的MATRIX系統(tǒng)為代表,先通過諧振器產(chǎn)生寬譜信號,再通過耦合輸出,最后經(jīng)天線輻射。第2種方法的優(yōu)點是將諧振器與輻射天線分開設(shè)計,可通過耦合器實現(xiàn)諧振器與天線之間的直流高壓隔離,減小了天線功率容量的設(shè)計難度,并且可以通過調(diào)節(jié)諧振器,實現(xiàn)寬譜微波頻率的調(diào)節(jié)。實現(xiàn)寬譜微波的頻率調(diào)節(jié)有多種方法,本文采取螺桿連續(xù)調(diào)節(jié)環(huán)形開關(guān)在同軸傳輸線中的相對位置的方式,改變有效諧振長度,并根據(jù)寬譜微波最佳效應(yīng)頻率,設(shè)計了200～400MHz可調(diào)頻諧振器。1諧振器開關(guān)設(shè)計系統(tǒng)主要由脈沖功率源、λ/4同軸諧振器、耦合器和輻射天線構(gòu)成,如圖1所示,其中虛線部分即是本文的研究內(nèi)容。脈沖功率源采用輸出電壓約500kV的Tesla變壓器。同軸諧振器由1/4波長同軸結(jié)構(gòu)加環(huán)形開關(guān)構(gòu)成,諧振器與天線之間的耦合器由集中電容和分布電感構(gòu)成。Tesla變壓器次級電容約200pF,次級電容通過主開關(guān)對同軸諧振器諧振充電。為了增大脈沖功率源對諧振器的功率傳輸效率,采用低阻抗諧振器,諧振器長度為400mm。圖2是諧振器特性阻抗與充電功率效率關(guān)系曲線,當同軸諧振器的特性阻抗為7Ω時,達到最大充電效率。從最大儲能角度考慮,在功率容量限制條件下,同軸諧振器的最佳特性阻抗為30Ω?？紤]到同軸諧振器的儲能、功率容量、高壓氣壓容器設(shè)計和電性能參數(shù),設(shè)計同軸諧振器的特性阻抗為10Ω?？烧{(diào)頻寬譜微波產(chǎn)生裝置如圖3所示。同軸諧振器結(jié)構(gòu)外筒內(nèi)徑為200mm,內(nèi)筒外徑為168mm,同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)芯長度為400mm。諧振器的電容約159pF,充電同軸通道的外筒內(nèi)徑約100mm,充電同軸通道的內(nèi)筒外徑為17mm。諧振器和充電通道的總電容約為166pF。諧振器和充電通道的總電感約為56nH。由于充電電感遠大于諧振器同軸電感,因此充電時可將諧振器看成集中參數(shù)元件。根據(jù)脈沖功率諧振充電公式計算,設(shè)計充電效率為0.9,則可得到最大充電電壓492kV,充電時間約7ns.諧振器開關(guān)采用環(huán)形開關(guān)設(shè)計,可利用環(huán)形開關(guān)的多通道導(dǎo)通特點降低開關(guān)電感和電阻對諧振特性的影響。環(huán)形開關(guān)要產(chǎn)生多通道導(dǎo)通,需要較快的充電脈沖,設(shè)計開關(guān)厚度8mm端頭倒圓,開關(guān)間距約10mm。諧振開關(guān)充電500kV時電場分布如圖4所示。最大場強71kV/mm,設(shè)計諧振器最高充3.5MPa壓力的氮氣。根據(jù)瞬態(tài)脈沖氣體擊穿的經(jīng)驗公式,諧振器內(nèi)開關(guān)處最大擊穿場強為73kV/mm。開關(guān)處場強比諧振器內(nèi)其余部分場強至少高出1倍,可確保高壓擊穿發(fā)生在開關(guān)處。為提取微波能量,λ/4傳輸線振蕩器開路一端接耦合器,饋入到耦合器上的電壓為Va(t),則Va(t)=TV0(t)?ΓTV0(t?τ)+ΓT2V0(t?2τ)?ΓT3V0(t?3τ)+ΓT4V0(t?4τ)?Λ(1)Va(t)=ΤV0(t)-ΓΤV0(t-τ)+ΓΤ2V0(t-2τ)-ΓΤ3V0(t-3τ)+ΓΤ4V0(t-4τ)-Λ(1)式中:T為諧振傳輸線到耦合器的透射率;Γ為反射率;V0(t)為諧振器開關(guān)導(dǎo)通后向耦合器傳輸?shù)拿}沖電壓;τ=2L/c,其中L為傳輸線長度,L=λ/4。經(jīng)振蕩器輸出是一串阻尼振蕩脈沖。振蕩周期為2τ。脈沖信號幅度降低到e-1=0.37時,擁有的脈沖個數(shù)為N=int[?1/(2lnΓ)](2)Ν=int[-1/(2lnΓ)](2)為得到20%左右的帶寬,則脈沖信號幅度降低到e-1的振蕩脈沖個數(shù)為3,則要求Γ=0.85。此時諧振器的Q值為Q=πN=9.42。設(shè)計耦合器輸出阻抗為50Ω。輸出同軸結(jié)構(gòu)外筒內(nèi)徑為98mm,內(nèi)筒外徑為42.6mm。耦合器由集中電容和分布電感組成,結(jié)構(gòu)如圖5所示,由圓柱介質(zhì)塊構(gòu)成集中電容,由錐變中的高阻同軸結(jié)構(gòu)構(gòu)成分布電感。設(shè)計要求在可調(diào)頻段內(nèi)耦合器有較為均勻的耦合系數(shù),因此根據(jù)所要求的反射率,要求在200～400MHz耦合器的傳輸系數(shù)S12=0.53,同時要求在200MHz以下有較大的反射系數(shù),以防止充電電壓直接耦合到天線上。經(jīng)過數(shù)值模擬優(yōu)化計算,得到如圖6所示的耦合器傳輸系數(shù)曲線。圖7是數(shù)值模擬200,400MHz寬譜微波的耦合輸出波形。輸出波形3dB帶寬分別為13%和15%。隨著諧振頻率增加,諧振Q值會相應(yīng)降低,這與文獻介紹的1/4波長開關(guān)同軸諧振器所滿足的經(jīng)驗公式V0fQn為一恒定值相吻合(V0是開關(guān)導(dǎo)通電壓,n是與具體諧振器結(jié)構(gòu)相關(guān)的某一固定因子)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后錐變長度為81.2mm,介質(zhì)塊直徑為140mm,厚度為35mm,介質(zhì)材料為有機玻璃。電容小電極板直徑為106.6mm,錐變同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)芯靠近電容端的直徑為48.8mm,靠近輸出端的直徑為10mm。輻射天線要求在可調(diào)頻范圍內(nèi)具有良好的前向輻射特性并,有一定的增益。選擇低頻特性較好的組合振子天線,天線結(jié)構(gòu)如圖8所示。組合振子天線是一種低頻補償TEM喇叭天線,在標準TEM喇叭天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加了磁偶極子回路。TEM喇叭正極板與下地平板構(gòu)成磁偶極子回路,與上地平板構(gòu)成電偶極子。磁偶極子回路一方面吸收低頻能量,改善天線低頻駐波特性,另一方面在低頻段可與電偶極子共同增強天線前向輻射,同時消減天線后向輻射。為了進一步增大天線輻射方向性,利用1m口徑的小拋物面作為反射板。圖9是將同軸諧振器、耦合器與輻射天線整體數(shù)值模擬得到的輻射場典型波形。天線在200～400MHz電壓駐波比小于3,方向圖主瓣均在正方向。對于帶寬約20%的寬譜脈沖,200,300,400MHz的輻射因子與饋入脈沖電壓之比分別為1.0,1.2,0.9。耦合器和輻射天線均會對諧振頻率產(chǎn)生影響,表1是數(shù)值模擬計算得到的實際諧振長度與理論諧振長度的對照表。模擬計算得到的諧振長度比理論計算得到的平均縮短44mm。由于實際諧振長度的縮短,降低了實際充電能量的利用率。2同帶風(fēng)壓型諧振器振蕩系統(tǒng)在中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所高功率Tesla變壓器實驗平臺上搭建實驗系統(tǒng),對諧振器充電電壓和耦合器輸出波形采用電容分壓器測量。用經(jīng)過標定的對數(shù)周期天線測量輻射場。由于輻射頻率較低,輻射場方向性較弱,在輻射場測量時,尤其要消除地面對輻射場測量的影響,宜采用斜距場法或地面反射場法,天線輻射極化宜采用垂直極化。諧振器工作在穩(wěn)定狀態(tài)時,諧振器內(nèi)充2.2MPa的N2。圖10是環(huán)形開關(guān)未導(dǎo)通時,諧振器諧振充電波形,諧振周期約14ns,與設(shè)計相吻合。圖11是諧振器工作在穩(wěn)定狀態(tài)時諧振器充電導(dǎo)通典型波形波形(工作頻率235MHz)。充電時間為6.5ns,開關(guān)導(dǎo)通時間約1ns。實測穩(wěn)定工作時,諧振器充電電壓約407kV,是充電峰值電壓的90%。產(chǎn)生的振蕩脈沖峰值電壓約404kV。圖12是開關(guān)穩(wěn)定工作后,耦合器輸出波形,耦合器輸出電壓約303kV。耦合器輸出疊加上頻率約70MHz的低頻振蕩,說明有一部分能量未能參與同軸諧振器振蕩。將低頻成份濾波后,實際得到高頻振蕩耦合輸出電壓約174kV。實驗中發(fā)現(xiàn),當充高氣壓N2(或增大開關(guān)間距)時,諧振器工作頻率和輸出幅度均不穩(wěn)定。原因可能是開關(guān)在高氣壓(或開關(guān)間距增大)時開關(guān)導(dǎo)通不穩(wěn)定和多通道數(shù)量減少或分布不均勻有關(guān)。對環(huán)形開關(guān)和耦合器的改進設(shè)計將是下一步的工作重點。圖13是諧振頻率為220,250MHz時的輻射場波形,頻率向高端調(diào)節(jié)時,輻射場波形的振蕩周期減逐漸減小。實驗得到的實際諧振長度比表1數(shù)值模擬結(jié)果還要進一步縮短4cm左右。表2是若干頻率下裝置的輻射因子和頻譜百分比帶寬,可見隨頻率增高,諧振器振蕩Q值降低,輻射場帶寬增加。3組合振子輻射天線上輻射本文設(shè)計了一套可連續(xù)調(diào)頻寬譜高功率產(chǎn)生和輻射裝置,