超宽谱辐射源的参数匹配

超宽谱辐射源的参数匹配

作为一种高效微波技术，超级宽谱微波技术（uwb）在2004年达到了较高的知名度，并且具有易于色度波带的特点。超宽谱微波一般采用脉冲压缩技术、亚纳秒开关与脉冲形成技术产生单周期脉冲或冲击脉冲,通过超宽谱天线进行辐射。在技术路线上,一般采用基于Tesla变压器或脉冲变压器技术的高压脉冲电源作为前级能源,脉冲产生采用单线或双线技术通过亚纳秒多通道开关形成脉冲,通过同轴阻抗变换及传输线将亚纳秒脉冲馈入辐射天线,超宽谱辐射天线一般采用TEM喇叭、冲击脉冲辐射天线(IRA),TEM喇叭阵列等辐射方式。本文在理论计算的基础上,以脉冲变压器、低阻抗脉冲产生器、同轴阻抗变换装置及新型超宽谱Cassegrain双反射辐射天线为主体的技术路线,设计了高功率超宽谱辐射源,开展了实验研究,对理论设计和技术路线进行了验证。1电源和网络等作用原理高功率超宽谱辐射源主要由高压脉冲电源、低阻抗脉冲产生器、阻抗变换装置及传输线、双反射面IRA天线组成。高压脉冲电源将市电转变成高压脉冲,为脉冲辐射源提供前级能源;低阻抗脉冲产生采用形成线对形成线充电技术获得;阻抗变换及传输线将高压脉冲从低阻抗变换到辐射所需要的阻抗,并将脉冲不失真地传输给辐射天线;为了提高辐射增益,在辐射天线前端放置了一个锐化开关,可将PFL形成的脉冲整形到需要的频谱,然后通过发射天线向空间辐射。图1为超宽谱辐射源组成图。2理论设计2.1直流高压电源保护及工作原理通过对辐射源各部分参数的分配情况,对脉冲电源的参数要求是:在350pF电容上输出1.2MV,充电时间小于3μs,重复频率100Hz。经过理论分析论证后确定,高压脉冲电源采用谐振充电、高压脉冲变压器一次升压的方式,以保证系统具有较高的能量传输效率及可靠性。高压脉冲电源主要包括直流高压电源V1、储能电容C1、中储电容C2、放电开关S1、脉冲变压器T及负载电容C3等。系统的基本工作原理如图2(a)所示。首先高压直流电源对储能电容C1和中储电容C2充电,当充电到预定电压值后,使开关S1闭合,C2上的电能通过高压脉冲变压器T耦合到负载电容C3上,完成第一次充放电过程;当第一次充放电完成后,C2的充电方式变成C1和C2间的LC谐振充电方式,C2上的电压增高到正常工作电压,开关S1闭合后,当C3上电压达到自击穿开关S2的击穿电压时,自击穿开关S2将导通,电容C3开始向后续负载放电;控制开关S1重复闭合、关断,电容C3就输出重复频率的高压脉冲,其理论波形如图2(b)所示。直流高压电源V1初级端采用三相交流调压器直接调节市电输出电压,从而达到调节输出直流高压的目的。储能电容C1上的能量转移到中储电容C2上采用的是LC谐振充电方式,高压脉冲变压器T选用铁基非晶材料的大环铁芯,次级绕组采用螺旋渐开式绕组,以保证匝间及绕组对铁芯的绝缘距离。2.2脉冲形成线对功率增益的影响通过理论计算,超宽谱样机采用形成线对形成线充电技术产生低阻抗脉冲。脉冲形成原理如图3所示。根据形成线可以分为以下3个过程:首先是负载电容C0对源传输线STL的充电过程;第二个过程是源传输线对脉冲形成线的充电过程;第三个过程是脉冲形成线对负载放电的过程。负载电容C0采用分布参数电容,CSTL为源传输线的等效电容,设C0上初始电压为U0,当开关K1导通时,C0通过分布电感L对STL进行谐振充电,在不计损耗的条件下,对STL的最大充电电压为1377kV。形成线对形成线充电技术是一种用于产生纳秒、亚纳秒脉冲的技术,它包括源传输线(STL)、脉冲形成线(PFL)和开关K2。源传输线的阻抗和电长度均要求大于脉冲形成线的阻抗和电长度,源传输线被预先充上电,当开关导通后,对脉冲形成线进行放电,放电时间只有几ns。图4为PFL在不同阻抗下获得的功率增益理论结果。从图中可以得出,当PFL阻抗为1.75Ω时,功率增益达到最大,为2.48,此时的能量转换效率也接近最大,为82.7%。为了满足绝缘和装配等方面的要求,考虑适当提高PFL的阻抗。综合考虑后,选取PFL阻抗为2.7Ω,在理想条件下,获得功率增益为2.29,能量效率为76%。脉冲形成线的阻抗为Z,电长度为t,被充电到UPFL,负载为R,根据电磁波的传播原理,当完全匹配时,在负载R上产生的电压幅度为UPFL/2,脉冲宽度2t。在实际脉冲形成过程中,存在诸多因素的损耗,如开关的电压损耗、分布参数带来的电压损耗、介质损耗、结构上不匹配带来的损耗等。其中开关的电压损耗最大,除了开关导通时的电阻损耗外,为保证开关能稳定导通,导通电压一般设定为最大电压的90%。计算形成线的理论输出功率时,暂且忽略其它电压损耗,假定每级开关的电压损耗为10%。2.3抗变换长度对功率传输效率的影响为了在尽可能小的结构尺寸下输出尽可能大的功率,用Magic程序对阻抗变换方式和长度分别进行计算,对结构进行选择。在阻抗变换段的首尾径向尺寸和长度一定的情况下,选择阻抗变换段以下述几种方式变化时的最优方案:外径为线性变化锥体,阻抗变换为“指数线”变化;外径为线性变化锥体,阻抗随长度线性变化;内外径均为线性变化锥体。计算结果为内外径均为线性变化时,阻抗变换的功率效率最高。阻抗变换的长度对输出功率有很大的影响:太短,阻抗变换太快,反射较大,会降低输出功率;太长,反射虽然小,但传输损耗加大,同时,工程设计要求结构尺寸不宜太长。通过理论计算,选择一个最优长度。图5为阻抗变换长度与功率传输效率的关系曲线,从图中可以看出:随着阻抗变换长度的增加,功率传输效率逐渐升高;传输效率的升高速度由快变慢,根据理论计算结果和工程设计要求,阻抗变换长度取2.5m。为了解决高功率传输的绝缘及长距离传输损耗问题,设计中采用高压SF6气体作为传输线的绝缘介质。结构采用模块化设计,既满足不失真传输纳秒脉冲要求,又方便安装调试。2.4天线参数及天线结构根据超宽谱辐射源对天线的增益要求,天线抛物面口径选择为7m。通过理论计算来选择反射面类型、反射面焦径比、副反射面和馈源结构等,完成天线系统的理论设计。反射面天线的类型有单反射面、双反射面、单(双)偏置反射面几种类型,数值模拟和验证实验证明,对于脉冲产生的输出波形,双反射面天线辐射场增益与前馈式反射面天线基本相当,但双反射面天线设计能减少馈线长度,从而减小馈线损耗,且在工程上更容易实现,因此选择双反射面与馈源喇叭构成冲击脉冲辐射天线(IRA)。采用FDTD程序,对7m双反射面的轴上辐射场进行数值模拟。馈源为指数型TEM喇叭,计算结果为:焦径比为0.4时,轴上辐射场(纵轴)最大。由于喇叭的馈入功率较高,将馈源喇叭封闭于充气的尼龙箱体中来解决功率容量问题。通过理论计算确定TEM喇叭的参数,指数TEM喇叭天线采用喇叭宽度和高度分别为W(z)=Wf2exp[zLln(WaWf)](1)H(z)=Hf2exp[zLln(HaHf)](2)W(z)=Wf2exp[zLln(WaWf)](1)Η(z)=Ηf2exp[zLln(ΗaΗf)](2)式中:Wf为馈入口喇叭宽度;Z为长度方向变量;L为喇叭总长度;Wa为喇叭末端宽度;Hf为馈入口喇叭高度;Ha为喇叭末端高度。采用FDTD对TEM喇叭进行优化计算,确定喇叭口径尺寸(高度、宽度和长度)及馈源喇叭与传输线间的过渡长度,达到最大的辐射增益。由于馈入信号的低频较多,使得副反射面的形状与平板接近,因此将副反射面设计为平板反射面,并用FDTD进行数值模拟。对于7m口径的双反射面抛物面天线,改变副反射面的直径得到双反射面天线的轴上辐射场与副面直径的关系,当副反射面直径为100cm时,天线轴上辐射场最大。通过理论计算,辐射天线采用新型的超宽谱双反射面天线结构,抛物面口径为7m、焦径比为0.4、副反射面直径为1m。图6是数值计算得到的天线方向图(脉冲前沿按600ps计算),E面和H面方向图较为一致,3dB宽度约4°。根据辐射场强理论公式得到Emax(r,t)=D4πcfgdVdt(3)Emax(r,t)=D4πcfgdVdt(3)式中:D为抛物面口面直径;r为测试点与辐射天线的距离;c为光速;fg为天线特征阻抗与空间阻抗的比值;V为馈入脉冲电压;t为馈入脉冲前沿。若输入到馈源上的电压为900kV、脉冲前沿600ps,可得到辐射因子为10.5MV。3高功率脉冲电源的结构优化将高压脉冲电源主体部件安装在变压器油中,在安装完毕后,抽真空、滤油,保证变压器油耐压要求。控制高压脉冲电源前级电源电压为低压(正常工作电压20%以下)状态,在单次工作条件下,监测高压变压器初级的电压、电流及变压器输出波形,测试输出波形的最大充电时间,为高压调试提供参考;在单次工作条件下,逐步提高脉冲电源的工作电压到1.2MV,通过监测高压电源的输出波形,调试高压电源的工作状态参数;在脉冲电源输出电压1.2MV下,调节脉冲电源的重复频率从1Hz逐步提高到100Hz,其间调节相关状态参数以匹配高压脉冲电源在不同重复频率稳定工作。调试过程中,发现高压变压器绝缘支架多次出现击穿情况,通过数值模拟,对变压器绕组的电场分布进行了优化,对绕组的支撑绝缘部件进行了结构优化并对材料进行了优选,最后解决了高压绝缘问题,输出指标为:输出电压1.2MV、充电时间2.3μs、重复频率100Hz。输出波形如图7(a)所示。高功率脉冲产生主要包括源传输线和脉冲形成线的调试、形成线充电时间确认、各级开关状态调试、解决低阻抗高压绝缘问题等。调试过程为:在单次条件下,控制高压电源输出电压约800kV,测量源传输线和脉冲形成线的充电时间;在单次条件下,将高压脉冲电源的输出电压从800kV逐步提高到1.2MV,期间实时监测各级充电电压波形,调节各开关的参数保持导通工作状态,确定各级开关最佳工作状态参数;完成满负荷运行后,进行重复频率调试。由于电压高、阻抗低,调试过程中,PFL多次出现高压击穿现象。通过数值模拟,对结构变化点电场分布进行优化,适当提高阻抗,选择固态绝缘介质结合高压气体的绝缘方式,解决了低阻抗PFL高压绝缘问题,输出指标为:输出功率超过30GW、脉冲宽度1.6ns、重复频率100Hz,输出波形(100Hz重叠波形)如图7(b)所示。辐射天线的调试主要包括通过锐化开关对输入天线的脉冲进行整形,以达到最佳的辐射效果;在高功率下,解决馈源天线的绝缘问题。在距离辐射源约200m、高约50m的测试塔上架设测试天线,在一种开关状态下,分别在H面和E面寻找最大辐射场,以此角度为基准测试点进行调试测试。在单次条件下,调节锐化开关,测量经锐化开关后的输出脉冲电压和脉冲前后沿,寻找最大辐射场时的最佳开关状态参数,测量辐射场和辐射方向图;逐步提高脉冲电源的重复频率到100Hz,测量经锐化开关后的输出脉冲电压和脉冲前后沿,并根据测试结果适时调节开关状态,测量天线的功率容量和辐射场强。通过调试,实现了锐化开关的多通道工作,解决了馈源TEM喇叭天线在重复频率下的高压绝缘问题,脉冲上升沿达到300ps水平,功率容量超过30GW如图7(c)所示。辐射场测试结果为:等效辐射峰值功率超过2×1012W,辐射因子超过8MV,H面与E面3dB宽度分别为2.35°和2.27°(方向图比理论结果窄,是因为脉冲经锐化后前沿变快引起的),如图7(d)所示。4高功率脉冲电源的调试本文对高功率超宽谱辐射源进行了介绍。通过实验调试,完成对电场集中点的优化改进、各部分间的参数匹配、锐化开关