一种高特性阻抗超宽谱脉冲功率合成结构

一种高特性阻抗超宽谱脉冲功率合成结构

功率合成是改善超宽谱电磁脉辐射强度的有效途径之一。超宽谱脉冲功率合成通常有2种方式:一种是空间功率合成,采用辐射天线组阵的方式,每个阵元同步输入1路超宽谱脉冲,然后在空间进行场强叠加,该合成方式具有高方向性、高增益的特点,在高功率系统中应用较多,但通常系统体积庞大。另一种方式是线路功率合成,多路脉冲合成后共用一副天线进行辐射,在高功率系统中通常采用多路同轴线并联输出后,馈入辐射天线发射,由于并联后输出端特性阻抗降低,因此,在与高特性阻抗的辐射天线连接时,通常需要接入一段高变比的变阻抗线,这导致系统合成效率降低。另外,使用专门设计的高效率功率合成器也是功率合成的一条途径,但会限制系统的功率容量。在低功率系统中,目前应用最多的是微带线线路合成方式,该方式具有结构简单、紧凑的特点,但这种方式会导致合成后带宽降低,输出脉冲前沿变慢,损耗较大,合成效率不高。基于传输线变压器(transmissionlinetransformer,TLT)原理进行功率合成是近期开始应用的一种新颖、高效的合成方法,目前主要应用于阻抗变换及窄带功率合成中。文献研究了一种基于传输线变压器的串并混合窄脉冲功率合成装置,能将幅度约为4.5kV/50Ω、前沿为1.5ns的4路窄脉冲合成为1路8.8kV/50Ω、前沿为2.1ns的窄脉冲,功率合成效率约95.6%,验证了用该方法进行超宽谱脉冲功率合成的可行性,但是合成后脉冲前沿明显变慢,导致辐射效率降低。本文基于传输线变压器原理,采用同轴线两级串联的方法设计了一种超宽谱脉冲功率合成结构,并应用于前沿200ps的超宽谱窄脉冲合成。1合成结构原理超宽谱脉冲功率合成需要解决3个问题:首先,尽可能提高合成效率,这是超宽谱功率合成要解决的最主要问题;其次,要将脉冲源、合成结构及辐射天线结合起来,减少阻抗失配,以提高馈电效率;最后,合成脉冲不能发生大的畸变,若脉冲波形发生变化导致前沿变慢,将降低天线的辐射场强,影响辐射效果。基于以上认识,设计了如图1所示的合成结构。该结构采用两级合成方式,第1级由4根等长的50Ω同轴传输线组成。每根同轴传输线接1路输出特性阻抗为50Ω超宽谱脉冲源。每2根同轴线组成传输线变压器,在输出端串联后各接1根特性阻抗为100Ω的同轴传输线。2根100Ω同轴线再组成传输线变压器构成合成结构的第2级,在输出端进行串联后接特性阻抗为200Ω的超宽带辐射天线。这样,从脉冲源输出端的50Ω至辐射天线的200Ω,理论上实现了阻抗匹配,尽可能地提高了馈电效率。合成结构采用同轴线,也比通常的微带线损耗小、带宽高,可在提高传输效率的同时减少脉冲畸变。同时可以看出,在每一个传输线变压器中都存在一个短路回路,这会对脉冲传输造成负面影响。在窄谱脉冲基于传输线变压器的合成方式中,通常采用加磁环的方式抑制短路回路的影响,然而,由于超宽谱脉冲的脉宽很短,只要使每根同轴线的电长度不低于传输脉冲脉宽电长度的一半,即可消除短路回路对主脉冲造成的影响,不会使传输脉冲发生畸变。2抛物反射面天线实验所用的脉冲源为半导体器件全固态电路脉冲源,具有重复频率高、抖动小的特点。每路脉冲源输出超宽谱脉冲波形如图2所示。脉冲前沿为200ps,半高宽为600ps,峰值电压为1.7kV。辐射天线采用共面TEM馈电结构的抛物反射面天线,如图3所示。天线直径为2.1m,由2对特性阻抗各为400Ω的馈臂并联组成,并联成200Ω后连接功率合成结构。4路合成结构如图4所示,最下面为4根50Ω同轴线,各接1路脉冲源,串联合成后各接1根100Ω同轴线,再串联合成为200Ω后馈入超宽带天线。3辐射场测试结果4路脉冲波形一致并同步输出是进行功率合成的前提条件。实验首先对每路脉冲源单独接天线进行辐射,连接方法在文献中已有详述,测量主轴辐射场rEp值、rEp,p值及脉宽tp,p。其中,r为测试距离,实验中r为50m;Ep为峰值场强;Ep,p为峰-峰值场强。对超宽谱脉冲远场主轴辐射场,rE为恒值,该值通常为衡量超宽带天线辐射性能的重要参数。测试结果如图5所示。所有结果均为多次测量的平均值,可以看出,4路辐射场波形一致性很好,脉宽都为570ps,每路幅值稍有差异,同步性较好,测得4路同步最大延迟为20ps。将4路脉冲源采用前述方法进行合成后馈入超宽带天线进行辐射。测得合成后不同重复频率下的辐射场波形如图6所示。对单次合成波形,测得辐射场rEp为18.5kV,rEp,p为34.8kV,约为单路脉冲辐射场的2倍。对于功率合成效率的计算,由于辐射场rE值与合成脉冲电压成正比,因此,可以由rE值求得合成效率,计算公式为其中,Ecom为合成后测得的辐射场强;Ei为每路单独辐射时的场强。由式(1)测得按峰值场强计算的功率合成效率为99%,显示该合成方式具有很高的合成效率。测得合成后辐射脉冲宽度为570ps,与单路辐射脉冲宽度一致,波形没有畸变。当重频提高时,由于脉冲源抖动性变大,因此合成场强也略有降低。重频20kHz时,合成器能稳定工作。4亚纳第三级超宽谱脉冲功率合成设计了一种基于传输线变压器原理、采用两级合成方式的超宽谱脉冲功率合成结构。实验验证了该合成方式进行亚纳秒量级超宽谱脉冲功率合成的有效性。该合