折疊型平板blumlein線的寬帶濾波器

折疊型平板blumlein線的寬帶濾波器

不同的技術(shù)領(lǐng)域?qū)γ}沖功能率系統(tǒng)有不同的要求。對于具有最重要的應(yīng)用方向之一的脈沖功率微波源，需要充足的脈沖電子束能量10kj、100ns的脈沖寬度、100gw的峰值功率和100kw的平均脈沖功率。如何在確保上述參數(shù)基本滿足的條件下,研制在可移動平臺上裝備的緊湊化和小型化的脈沖功率系統(tǒng)是人們努力的方向。近年來高功率微波(HPM)的研究重點集中在如何不斷減小整個HPM系統(tǒng)的總體尺寸上,由于脈沖形成部分體積占裝置體積的60%以上,所以減小HPM系統(tǒng)尺寸的最理想的方式是減小其中脈沖形成部分的體積。Blumlein線是脈沖功率裝置的關(guān)鍵性部件,減小它的尺寸直接影響著系統(tǒng)裝置的緊湊化和小型化。當(dāng)前,對緊湊型脈沖功率裝置進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究和分析的國家主要是美國,他們制定了一個專門計劃——MURI(MultidisciplinaryUniversityResearchInitiative),該計劃中一個重要的部分就是“緊湊型脈沖功率系統(tǒng)(CompactPortablePulsedPower,CP3)”的研制。本文基于對美國Sandia國家實驗室研制的折疊型Blumlein線裝置等相關(guān)設(shè)備的調(diào)研,研制了一種折疊型平板Blumlein線高功率微波驅(qū)動源。1變壓器油capton薄膜本文研制的折疊型平板Blumlein線的設(shè)計和參數(shù)見文獻(xiàn),圖1所示的是折疊線的結(jié)構(gòu),圖2給出了相應(yīng)的脈沖功率系統(tǒng)的裝置示意圖。此折疊型平板Blumlein線使用Kapton薄膜作為傳輸介質(zhì),變壓器油作為填充介質(zhì)(絕緣介質(zhì))。Kapton薄膜具有極好的耐壓性(200kV/mm)、耐熱性、耐輻射和耐有機(jī)溶劑等優(yōu)點,是目前唯一能防止電暈擊穿的介質(zhì)薄膜,所以可以在厚度相對較薄的情況下耐受更高的電壓,以減小折疊線的體積。變壓器油具有高電阻率、高電場擊穿強(qiáng)度和低介質(zhì)損耗正切等優(yōu)點。而且以上兩種介質(zhì)有著相近的相對介電常數(shù),可以使裝置內(nèi)部的電場分布更加均勻以避免發(fā)生電擊穿或表面閃絡(luò)。折疊型平板Blumlein線的總體積是1.00m×0.40m×0.15m,文獻(xiàn)給出的該折疊線的特征阻抗Z0=4.773Ω,與其匹配的負(fù)載特征阻抗約為10Ω。1.1帶單獨背壓口與cts-m此裝置中的主開關(guān)是一種多通道的軌道開關(guān),它具有體積小(?60mm×300mm)和電感低(40nH)等特點,結(jié)構(gòu)如圖3所示。在實驗中,開關(guān)中充約0.3MPa的SF6和N2的混合氣體,SF6與N2的體積比為1∶4。相關(guān)實驗結(jié)果顯示此開關(guān)僅有極小的損耗,非常適用于傳輸折疊線平板導(dǎo)體中的電流。1.2介質(zhì)邊緣寬度的確定對于折疊型平板Blumlein線來說,如果忽略折疊處的影響,可以將其等價為一個普通的平板Blumlein線,其特征阻抗為式中:μr和εr分別為傳輸線中介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率和相對介電常數(shù);d和w分別為介質(zhì)的厚度和平板的寬度。而負(fù)載Z=2Z0時,可以輸出負(fù)載電壓V1等于輸入電壓V0、脈寬τ兩倍于周期T0的電壓波形,,其中l(wèi)為傳輸線的等效長度(為實際銅板長度的兩倍)。為選擇合適的介質(zhì)邊緣寬度,我們對不同位置和不同介質(zhì)邊緣寬度情況下的電場分布進(jìn)行了計算模擬,結(jié)果顯示:當(dāng)邊緣寬度小于3cm時,銅板邊緣的電場強(qiáng)度都較大,也就是比較容易被擊穿;而邊緣寬度超過3cm時,銅板邊緣的電場強(qiáng)度與寬度為3cm時并無很大改善。因此,我們選取介質(zhì)邊緣寬度為4cm。為選擇合適的折疊方式,我們分析了折疊部分的特征阻抗,對不同折疊方式的介質(zhì)內(nèi)部的電場分布進(jìn)行了計算模擬,最后我們選取了合適的r=10mm作為折疊部分的折疊內(nèi)半徑。1.3等效電容和ld圖4所示為實驗裝置的等效電路模型,C1是充電電容,TX1是脈沖變壓器。S是Blumlein線的主開關(guān),其導(dǎo)通時間為30ns。Cd(50pF)和Ld(50nH)是負(fù)載的等效電容和等效電感,負(fù)載的等效阻抗是10Ω。選擇給充電電容C1充電35kV,主開關(guān)的擊穿電壓不低于500kV,若負(fù)載匹配,可以在負(fù)載上得到一個脈沖寬度100ns、電壓峰值500kV、電流峰值50kA的波形。2高工作率微波源實驗2.1實驗裝置和真空度實驗中我們選取了C波段磁絕緣振蕩器(MILO)作為高功率微波源,阻抗為12Ω,二極管最佳工作狀態(tài)為500kV,40kA,其中,束波互作用工作區(qū)主要由慢波結(jié)構(gòu)、陰極桿、圓柱面陽極網(wǎng)和陽極筒組成,微波提取區(qū)主要由支撐桿和同軸提取區(qū)構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖5所示。器件以不銹鋼為材料,陽極網(wǎng)采用絲粗0.3mm、幾何透過率為80%的不銹鋼網(wǎng),工作區(qū)陰極桿表面貼天鵝絨。實驗中真空度保持在2×10-2Pa以下。其實驗工作頻率一般在3.6GHz左右。在安裝MILO之前,事先將圖2所示的水電阻拆下,替換為一個連接裝置以正確連接Blumlein線和MILO。2.2milo器件的微波衰減量的標(biāo)定我們采用遠(yuǎn)場測量方法(即喇叭天線接收法)來確定器件輻射的微波功率。在實驗測量中,遠(yuǎn)場條件為式中:L為微波輻射口至微波測量喇叭之間的距離;λ為微波波長;D為微波輻射口面與測量口面最大尺寸之和。本實驗中D≈0.2m,λ=0.083m,L=5.0m,滿足遠(yuǎn)場條件(L>0.96m),在測量輻射微波的功率時,將一個5cm標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換頭(也稱BJ48口面天線)作為微波接收喇叭,其增益為5dB。根據(jù)此微波源在以前的實驗中測得的數(shù)據(jù),在頻率3.6GHz時其輻射口增益為8.3dB,功率最強(qiáng)點在輻射角θ=30°左右,根據(jù)距離衰減公式αs=10lg(4πLs/λ2)可知,經(jīng)過5m的距離后衰減為57.5dB。我們將微波接收喇叭置于θ=30°、距微波輻射口5m的位置,其所獲取的微波信號經(jīng)過衰減器、微波電纜、晶體檢波器及同軸信號線輸入數(shù)字示波器,利用示波器上讀到的檢波信號的幅值VMW(單位為mV)即可得出微波接收喇叭所接收到的微波功率,從而得到MILO器件輻射的微波總功率為式中:Pt的單位為MW;K為經(jīng)標(biāo)定得到的晶體檢波器的靈敏度(單位為mV/dB);ξ為檢波信號經(jīng)過信號線的衰減系數(shù),由于同軸信號線本身對電壓波的衰減很小,且實驗中其長度很短(小于1m),所以此衰減可以忽略,即ξ=1;A是標(biāo)定出的固定衰減器的衰減量(單位為dB),由于微波電纜有較大的衰減,所以使用一根固定的微波電纜線進(jìn)行衰減量標(biāo)定后可以等同為一個固定衰減器;α是一個特定系統(tǒng)(由MILO、微波輸出口到喇叭口之間的空氣和接收喇叭組成)的衰減量(單位為dB),對于上述測量系統(tǒng),α=57.5dB-8.3dB-5.0dB=44.2dB。由于晶體檢波器的功率容量限制,其衰減量不能超過15dB,假設(shè)微波總功率在100～500MW之間,根據(jù)公式(3)可以得出所需加固定衰減器(包括微波電纜)的衰減值A(chǔ)在60dB左右。我們對所使用的晶體檢波器和其它微波測量器件進(jìn)行標(biāo)定,得到晶體檢波器靈敏度的標(biāo)定曲線,如圖6所示。通過計算得到晶體檢波器測量值與微波輸出功率的對應(yīng)曲線,如圖7所示。2.3微波電壓、微波信號分析當(dāng)圖4中的充電電容C1充電35kV,開關(guān)中充約0.3MPa的SF6與N2混合氣體,SF6與N2的體積比為1∶4時,可得到如圖8所示的波形。二極管電壓波形(Ch1)由電阻分壓器測得,分壓比為3200,所接衰減器為100∶1,則電壓最大值為1.71V×3200×100=547.2kV;電流波形(Ch2)由小電阻分流器測得,電阻值為3.3mΩ,所接衰減器為200∶1,則電流最大值為0.68V×200÷3.3mΩ=41.2kA;從圖8可以看出,電壓脈寬大約為80ns。微波信號(Ch3)由上述微波測量系統(tǒng)測得,測量波形峰值為182mV,從圖8所示曲線可以得出微波輸出功率為350MW,微波脈寬是44.8ns。通過測量值可以計算出MILO的阻抗約為13Ω,與其設(shè)計值基本一致?？梢钥闯鑫覀冊O(shè)計制作安裝的以折疊型平板Blumlein線為主體的脈沖功率實驗裝置用來驅(qū)動微波源產(chǎn)生高功率微波是有效的。3明編碼線驅(qū)動低阻抗本文設(shè)計制作了一種使用折疊型平板Blumlein線的高功率微波驅(qū)動源。折疊線使用Kapton薄膜為傳輸介質(zhì),變壓器油為絕緣填充介質(zhì)。實驗表明折疊線相比于其它結(jié)構(gòu)的Blumlein線更加緊湊,能傳