高功率宽谱微波产生及耦合输出技术研究

高功率宽谱微波产生及耦合输出技术研究

采用开关噪声器制作宽谱微波，然后通过超宽带天线辐射，是制作宽谱微波的重要技术路线。开关分离器是它的核心。典型开关谐振器由1/4波长同轴谐振器和一端对地开关组成。国外开关谐振器以美国空军实验室的Matrix系统为代表,1/4波长开关同轴谐振器馈入150kV高压脉冲,产生带宽约10%,中心频率约181MHz的宽谱振荡,通过3.667m的半抛物面冲击脉冲辐射天线(IRA)辐射,在15m可得到6kV/m的辐射场强。总之,开关谐振器是高功率脉冲功率技术、开关技术和谐振腔技术的结合。本文以馈入电压为500kV的高功率宽谱开关谐振器设计为例,分析了高功率开关谐振器的高功率脉冲馈入技术、开关设计技术和耦合输出技术。1地开关1/4波长同轴谐振器开关谐振器有多种结构,本文研究的开关谐器是基于图1所示单端对地开关1/4波长同轴谐振器。其工作原理是高功率脉冲源对低阻抗的同轴谐振充电,同轴谐振器一端对地开关导通后,谐振器产生谐振,谐振脉冲通过谐振器另一端经耦合电容和电感耦合到高阻抗天线辐射。1.1谐振器的特性阻抗谐振器的脉冲功率源为Marx发生器,其放电电容为333pF,放电电感为540nH。考虑到开关电感对谐振周期的影响,设计200MHz谐振器同轴结构长度为290mm,脉冲源对谐振器为谐振充电方式。图2是谐振器特性阻抗与功率/能量传输效率之间的关系曲线,当谐振器的特性阻抗为2.9Ω时,得到最大功率/能量传输效率,此时谐振器的电容与Marx放电电容相等。同轴谐振器较低的特性阻抗不利于功率容量设计,开关谐振器为保证充电时在开关导通,一般设计开关处最大场强为谐振器其余部位的2倍以上,当设计谐振器特性阻抗为10Ω时,开关处场强比谐振器内其余部分场强至少高出1倍,才可确保高压击穿发生在开关处。谐振器的Q值可表示为式中:Za,Zc分别是天线和谐振器的特性阻抗。一般可取天线特性阻抗为100Ω,当谐振器特性阻抗为10Ω时,Q=7.85,因此综合考虑,可取谐振器特性阻抗为10Ω,此时,开关谐振器的充电效率约70%,对谐振器的最大充电时间为9.8ns。1.2立足于开关导通控制的特点对于较高功率的谐振器,其馈入结构尺寸较大,本文讨论两种常用的馈入结构,即侧馈式和直馈式,如图3所示。侧馈方式一个突出的优点是可以通过旋转谐振器外螺杆滑动骑在内筒上的环形开关实现谐振频率的连续调节,而不足之处是开关导通后,有一部分充电能量未得到有效利用,同时充电时会带来同轴谐振器靠近侧馈端场强分布不均匀,影响环形开关多通道的形成。图4是侧馈方式开关处不同角度的充电波形(设靠近侧馈端为0°),同轴结构的不同角度的充电电压不一致。远离侧馈端的一侧充电电压峰值较高,当开关导通电压较高时,会带来环形开关的单侧导通。直馈方式要实现谐振频率的调节较为困难,但容易保证充电电场在谐振器内均匀分布,有利于环形开关多通道的形成。图5是直馈方式谐振器开关处不同角度的充电波形,不同角度的充电波形完全重合。1.3齿状多通道环形开关开关是谐振器的关键部件之一。采用多通道开关可大幅度降低开关导通电感和电阻对谐振频率的影响,增加谐振器长度,提高充电效率。文献提出采用快开关技术可以提高通道数量,文献认为采用多齿环形开关设计有利于形成稳定的多通道导通。其原理是将环形开关设计为多齿状,实现各开关导通点之间的高阻隔离,防止开关一点导通后,降低其余通道点的电场,从而影响多通道的形成。本文设计了两种齿状多通道环形开关,分别是用于高阻抗传输线和低阻抗传输线,如图6所示。开关中两相邻齿的角度为10°,高阻环形开关内芯半径为10mm,外筒内半径为18mm;低阻环形开关内芯半径为84mm,外筒内半径为94mm;齿槽深度均为10mm。图7是高阻与低阻多通道开关一点导通时导通电压对另一侧对称点充电波形的影响。齿槽对于高阻多通道环形开关作用较为明显,有齿槽时可将其它点导通的影响降低约1/2。1.4耦合器结构要求采用集中电容与高阻同轴结构提供的分布电感构成耦合器,实现振荡微波的能量提取,耦合器的作用是实现宽谱微波振荡在所要求的频率带宽内以较为均匀的耦合度耦合输出,同时对充电脉冲的抵频隔离,防止高压脉冲信号直接加到天线上。耦合器结构如图3所示,具体结构尺寸经过优化计算。根据谐振Q值可得到谐振器到耦合器之间的反射系数Q=10～20时,要求ρ=0.85～0.92。为此要求谐振器到耦合器之间的s21=0.52～0.38,图8是所设计耦合器的s21曲线,在频率为150～250MHz时,s21=0.37～0.48。图9是开关未导通时充电波形、反射波(虚线)和耦合输出波形(点线),反射波形幅度接近馈入波形,说明对于充电脉冲信号,耦合器起到了较好的隔离效果。2低通插装阀谐振器的设计分别设计了侧馈和直馈以及高阻开关和低阻开关200MHz的1/4波长同轴谐振器,辐射天线采用组合振子天线。Marx脉冲功率源输出电压约500kV。实验结果表明,采用侧馈方式,当开关导通电压为最大充电峰值电压的60%以下时,谐振输出较为稳定;当开关导通电压接近最大充电峰值电压时,谐振输出不稳定,出现频率跳动现象(跳向低频),当跳向低频时,由于耦合器反射系数较大而输出幅度较小。检查谐振器,发现环形开关在侧馈入口对称一侧的内筒开关处有大量开关导通击穿痕迹,而在侧馈口一侧开关导通痕迹较少。这说明侧馈时,充电电场在同轴结构的分布不均匀,而采用直馈方式,谐振输出稳定性有一定程度的改善。高阻环形开关谐振器比低阻开关谐振器工作稳定。对于高阻环形开关谐振器,开关采用齿状结构,对谐振的稳定作用较为明显。通过一系列实验,最终得到最佳的开关谐振器设计为直馈式高阻齿状环形开关谐振器,其设计图如图10所示,谐振器辐射场波形如图11所示。辐射因子达到150kV,辐射场频谱中心频率约195MHz,频谱带宽约30%。3多通道开关振幅频率通过对谐振器数值模拟和实验发现,开关多通道的形成对谐振特性有明显的影响,根据多通道开关理论,要实现开关多通道导通,要求多通道的形成时间间隔式中:δ(v)表示通道击穿电压的标准偏差;[V/(dV/dt)]表示开关电压导通时的脉冲上升时间;τL,τR分别表示通道电感和通道电阻引起的时间延迟;τtrans表示电磁波在相邻通道之间的传输时间。开关导通越快,则δ(v)越小。对于本文的开关脉冲上升时间(约9.8ns),开关为自击穿方式,取δ(v)=5%,则多通道开关形成时间间隔为0.98ns。表1,2分别是低阻(10Ω)开关谐振器与高阻(138Ω)开关谐振器通道个数对开关多通道形成及谐振频率的影响。对于高阻和低阻多通道开关,均是多于1个通道后,通道导通可能会降低相邻通道电压,但通道个数的变化对低阻开关谐振频率影响较大。开关设计为多齿结构后,对于高阻开关,其电感较大,电容较小,比低阻开关更不利于电磁波在相邻通道间的传输。因此,多齿结构对于高阻开关谐振器的稳定作用较为明显。表1,2中仅计算了通道电感、电阻时间项对谐振频率的影响,实际上,通道导通后,电磁波向谐振器另一端传播的多路径效应也会影响谐振频率。图12是数值模拟计算得到的通道多路径效应对谐振频率的影响。对于低阻开关谐振器,通道导通多路径效应对谐振频率影响较大,而随着通道数量的增加,通道多路径效应对谐振频率的影响逐渐减弱。4谐振器实验研究本文在输出电压约500kV的Marx脉冲源平台上,设计了中心频率为200