折叠型平板blumlein线的宽带滤波器

折叠型平板blumlein线的宽带滤波器

不同的技术领域对脉冲功能率系统有不同的要求。对于具有最重要的应用方向之一的脉冲功率微波源，需要充足的脉冲电子束能量10kj、100ns的脉冲宽度、100gw的峰值功率和100kw的平均脉冲功率。如何在确保上述参数基本满足的条件下,研制在可移动平台上装备的紧凑化和小型化的脉冲功率系统是人们努力的方向。近年来高功率微波(HPM)的研究重点集中在如何不断减小整个HPM系统的总体尺寸上,由于脉冲形成部分体积占装置体积的60%以上,所以减小HPM系统尺寸的最理想的方式是减小其中脉冲形成部分的体积。Blumlein线是脉冲功率装置的关键性部件,减小它的尺寸直接影响着系统装置的紧凑化和小型化。当前,对紧凑型脉冲功率装置进行比较系统的研究和分析的国家主要是美国,他们制定了一个专门计划——MURI(MultidisciplinaryUniversityResearchInitiative),该计划中一个重要的部分就是“紧凑型脉冲功率系统(CompactPortablePulsedPower,CP3)”的研制。本文基于对美国Sandia国家实验室研制的折叠型Blumlein线装置等相关设备的调研,研制了一种折叠型平板Blumlein线高功率微波驱动源。1变压器油capton薄膜本文研制的折叠型平板Blumlein线的设计和参数见文献,图1所示的是折叠线的结构,图2给出了相应的脉冲功率系统的装置示意图。此折叠型平板Blumlein线使用Kapton薄膜作为传输介质,变压器油作为填充介质(绝缘介质)。Kapton薄膜具有极好的耐压性(200kV/mm)、耐热性、耐辐射和耐有机溶剂等优点,是目前唯一能防止电晕击穿的介质薄膜,所以可以在厚度相对较薄的情况下耐受更高的电压,以减小折叠线的体积。变压器油具有高电阻率、高电场击穿强度和低介质损耗正切等优点。而且以上两种介质有着相近的相对介电常数,可以使装置内部的电场分布更加均匀以避免发生电击穿或表面闪络。折叠型平板Blumlein线的总体积是1.00m×0.40m×0.15m,文献给出的该折叠线的特征阻抗Z0=4.773Ω,与其匹配的负载特征阻抗约为10Ω。1.1带单独背压口与cts-m此装置中的主开关是一种多通道的轨道开关,它具有体积小(ϕ60mm×300mm)和电感低(40nH)等特点,结构如图3所示。在实验中,开关中充约0.3MPa的SF6和N2的混合气体,SF6与N2的体积比为1∶4。相关实验结果显示此开关仅有极小的损耗,非常适用于传输折叠线平板导体中的电流。1.2介质边缘宽度的确定对于折叠型平板Blumlein线来说,如果忽略折叠处的影响,可以将其等价为一个普通的平板Blumlein线,其特征阻抗为式中:μr和εr分别为传输线中介质的相对磁导率和相对介电常数;d和w分别为介质的厚度和平板的宽度。而负载Z=2Z0时,可以输出负载电压V1等于输入电压V0、脉宽τ两倍于周期T0的电压波形,,其中l为传输线的等效长度(为实际铜板长度的两倍)。为选择合适的介质边缘宽度,我们对不同位置和不同介质边缘宽度情况下的电场分布进行了计算模拟,结果显示:当边缘宽度小于3cm时,铜板边缘的电场强度都较大,也就是比较容易被击穿;而边缘宽度超过3cm时,铜板边缘的电场强度与宽度为3cm时并无很大改善。因此,我们选取介质边缘宽度为4cm。为选择合适的折叠方式,我们分析了折叠部分的特征阻抗,对不同折叠方式的介质内部的电场分布进行了计算模拟,最后我们选取了合适的r=10mm作为折叠部分的折叠内半径。1.3等效电容和ld图4所示为实验装置的等效电路模型,C1是充电电容,TX1是脉冲变压器。S是Blumlein线的主开关,其导通时间为30ns。Cd(50pF)和Ld(50nH)是负载的等效电容和等效电感,负载的等效阻抗是10Ω。选择给充电电容C1充电35kV,主开关的击穿电压不低于500kV,若负载匹配,可以在负载上得到一个脉冲宽度100ns、电压峰值500kV、电流峰值50kA的波形。2高工作率微波源实验2.1实验装置和真空度实验中我们选取了C波段磁绝缘振荡器(MILO)作为高功率微波源,阻抗为12Ω,二极管最佳工作状态为500kV,40kA,其中,束波互作用工作区主要由慢波结构、阴极杆、圆柱面阳极网和阳极筒组成,微波提取区主要由支撑杆和同轴提取区构成,结构如图5所示。器件以不锈钢为材料,阳极网采用丝粗0.3mm、几何透过率为80%的不锈钢网,工作区阴极杆表面贴天鹅绒。实验中真空度保持在2×10-2Pa以下。其实验工作频率一般在3.6GHz左右。在安装MILO之前,事先将图2所示的水电阻拆下,替换为一个连接装置以正确连接Blumlein线和MILO。2.2milo器件的微波衰减量的标定我们采用远场测量方法(即喇叭天线接收法)来确定器件辐射的微波功率。在实验测量中,远场条件为式中:L为微波辐射口至微波测量喇叭之间的距离;λ为微波波长;D为微波辐射口面与测量口面最大尺寸之和。本实验中D≈0.2m,λ=0.083m,L=5.0m,满足远场条件(L>0.96m),在测量辐射微波的功率时,将一个5cm标准矩形波导同轴转换头(也称BJ48口面天线)作为微波接收喇叭,其增益为5dB。根据此微波源在以前的实验中测得的数据,在频率3.6GHz时其辐射口增益为8.3dB,功率最强点在辐射角θ=30°左右,根据距离衰减公式αs=10lg(4πLs/λ2)可知,经过5m的距离后衰减为57.5dB。我们将微波接收喇叭置于θ=30°、距微波辐射口5m的位置,其所获取的微波信号经过衰减器、微波电缆、晶体检波器及同轴信号线输入数字示波器,利用示波器上读到的检波信号的幅值VMW(单位为mV)即可得出微波接收喇叭所接收到的微波功率,从而得到MILO器件辐射的微波总功率为式中:Pt的单位为MW;K为经标定得到的晶体检波器的灵敏度(单位为mV/dB);ξ为检波信号经过信号线的衰减系数,由于同轴信号线本身对电压波的衰减很小,且实验中其长度很短(小于1m),所以此衰减可以忽略,即ξ=1;A是标定出的固定衰减器的衰减量(单位为dB),由于微波电缆有较大的衰减,所以使用一根固定的微波电缆线进行衰减量标定后可以等同为一个固定衰减器;α是一个特定系统(由MILO、微波输出口到喇叭口之间的空气和接收喇叭组成)的衰减量(单位为dB),对于上述测量系统,α=57.5dB-8.3dB-5.0dB=44.2dB。由于晶体检波器的功率容量限制,其衰减量不能超过15dB,假设微波总功率在100～500MW之间,根据公式(3)可以得出所需加固定衰减器(包括微波电缆)的衰减值A在60dB左右。我们对所使用的晶体检波器和其它微波测量器件进行标定,得到晶体检波器灵敏度的标定曲线,如图6所示。通过计算得到晶体检波器测量值与微波输出功率的对应曲线,如图7所示。2.3微波电压、微波信号分析当图4中的充电电容C1充电35kV,开关中充约0.3MPa的SF6与N2混合气体,SF6与N2的体积比为1∶4时,可得到如图8所示的波形。二极管电压波形(Ch1)由电阻分压器测得,分压比为3200,所接衰减器为100∶1,则电压最大值为1.71V×3200×100=547.2kV;电流波形(Ch2)由小电阻分流器测得,电阻值为3.3mΩ,所接衰减器为200∶1,则电流最大值为0.68V×200÷3.3mΩ=41.2kA;从图8可以看出,电压脉宽大约为80ns。微波信号(Ch3)由上述微波测量系统测得,测量波形峰值为182mV,从图8所示曲线可以得出微波输出功率为350MW,微波脉宽是44.8ns。通过测量值可以计算出MILO的阻抗约为13Ω,与其设计值基本一致。可以看出我们设计制作安装的以折叠型平板Blumlein线为主体的脉冲功率实验装置用来驱动微波源产生高功率微波是有效的。3明编码线驱动低阻抗本文设计制作了一种使用折叠型平板Blumlein线的高功率微波驱动源。折叠线使用Kapton薄膜为传输介质,变压器油为绝缘填充介质。实验表明折叠线相比于其它结构的Blumlein线更加紧凑,能传