高功率寬譜微波產(chǎn)生及耦合輸出技術研究

高功率寬譜微波產(chǎn)生及耦合輸出技術研究

采用開關噪聲器制作寬譜微波，然后通過超寬帶天線輻射，是制作寬譜微波的重要技術路線。開關分離器是它的核心。典型開關諧振器由1/4波長同軸諧振器和一端對地開關組成。國外開關諧振器以美國空軍實驗室的Matrix系統(tǒng)為代表,1/4波長開關同軸諧振器饋入150kV高壓脈沖,產(chǎn)生帶寬約10%,中心頻率約181MHz的寬譜振蕩,通過3.667m的半拋物面沖擊脈沖輻射天線(IRA)輻射,在15m可得到6kV/m的輻射場強?？傊?開關諧振器是高功率脈沖功率技術、開關技術和諧振腔技術的結合。本文以饋入電壓為500kV的高功率寬譜開關諧振器設計為例,分析了高功率開關諧振器的高功率脈沖饋入技術、開關設計技術和耦合輸出技術。1地開關1/4波長同軸諧振器開關諧振器有多種結構,本文研究的開關諧器是基于圖1所示單端對地開關1/4波長同軸諧振器。其工作原理是高功率脈沖源對低阻抗的同軸諧振充電,同軸諧振器一端對地開關導通后,諧振器產(chǎn)生諧振,諧振脈沖通過諧振器另一端經(jīng)耦合電容和電感耦合到高阻抗天線輻射。1.1諧振器的特性阻抗諧振器的脈沖功率源為Marx發(fā)生器,其放電電容為333pF,放電電感為540nH?？紤]到開關電感對諧振周期的影響,設計200MHz諧振器同軸結構長度為290mm,脈沖源對諧振器為諧振充電方式。圖2是諧振器特性阻抗與功率/能量傳輸效率之間的關系曲線,當諧振器的特性阻抗為2.9Ω時,得到最大功率/能量傳輸效率,此時諧振器的電容與Marx放電電容相等。同軸諧振器較低的特性阻抗不利于功率容量設計,開關諧振器為保證充電時在開關導通,一般設計開關處最大場強為諧振器其余部位的2倍以上,當設計諧振器特性阻抗為10Ω時,開關處場強比諧振器內(nèi)其余部分場強至少高出1倍,才可確保高壓擊穿發(fā)生在開關處。諧振器的Q值可表示為式中:Za,Zc分別是天線和諧振器的特性阻抗。一般可取天線特性阻抗為100Ω,當諧振器特性阻抗為10Ω時,Q=7.85,因此綜合考慮,可取諧振器特性阻抗為10Ω,此時,開關諧振器的充電效率約70%,對諧振器的最大充電時間為9.8ns。1.2立足于開關導通控制的特點對于較高功率的諧振器,其饋入結構尺寸較大,本文討論兩種常用的饋入結構,即側饋式和直饋式,如圖3所示。側饋方式一個突出的優(yōu)點是可以通過旋轉諧振器外螺桿滑動騎在內(nèi)筒上的環(huán)形開關實現(xiàn)諧振頻率的連續(xù)調(diào)節(jié),而不足之處是開關導通后,有一部分充電能量未得到有效利用,同時充電時會帶來同軸諧振器靠近側饋端場強分布不均勻,影響環(huán)形開關多通道的形成。圖4是側饋方式開關處不同角度的充電波形(設靠近側饋端為0°),同軸結構的不同角度的充電電壓不一致。遠離側饋端的一側充電電壓峰值較高,當開關導通電壓較高時,會帶來環(huán)形開關的單側導通。直饋方式要實現(xiàn)諧振頻率的調(diào)節(jié)較為困難,但容易保證充電電場在諧振器內(nèi)均勻分布,有利于環(huán)形開關多通道的形成。圖5是直饋方式諧振器開關處不同角度的充電波形,不同角度的充電波形完全重合。1.3齒狀多通道環(huán)形開關開關是諧振器的關鍵部件之一。采用多通道開關可大幅度降低開關導通電感和電阻對諧振頻率的影響,增加諧振器長度,提高充電效率。文獻提出采用快開關技術可以提高通道數(shù)量,文獻認為采用多齒環(huán)形開關設計有利于形成穩(wěn)定的多通道導通。其原理是將環(huán)形開關設計為多齒狀,實現(xiàn)各開關導通點之間的高阻隔離,防止開關一點導通后,降低其余通道點的電場,從而影響多通道的形成。本文設計了兩種齒狀多通道環(huán)形開關,分別是用于高阻抗傳輸線和低阻抗傳輸線,如圖6所示。開關中兩相鄰齒的角度為10°,高阻環(huán)形開關內(nèi)芯半徑為10mm,外筒內(nèi)半徑為18mm;低阻環(huán)形開關內(nèi)芯半徑為84mm,外筒內(nèi)半徑為94mm;齒槽深度均為10mm。圖7是高阻與低阻多通道開關一點導通時導通電壓對另一側對稱點充電波形的影響。齒槽對于高阻多通道環(huán)形開關作用較為明顯,有齒槽時可將其它點導通的影響降低約1/2。1.4耦合器結構要求采用集中電容與高阻同軸結構提供的分布電感構成耦合器,實現(xiàn)振蕩微波的能量提取,耦合器的作用是實現(xiàn)寬譜微波振蕩在所要求的頻率帶寬內(nèi)以較為均勻的耦合度耦合輸出,同時對充電脈沖的抵頻隔離,防止高壓脈沖信號直接加到天線上。耦合器結構如圖3所示,具體結構尺寸經(jīng)過優(yōu)化計算。根據(jù)諧振Q值可得到諧振器到耦合器之間的反射系數(shù)Q=10～20時,要求ρ=0.85～0.92。為此要求諧振器到耦合器之間的s21=0.52～0.38,圖8是所設計耦合器的s21曲線,在頻率為150～250MHz時,s21=0.37～0.48。圖9是開關未導通時充電波形、反射波(虛線)和耦合輸出波形(點線),反射波形幅度接近饋入波形,說明對于充電脈沖信號,耦合器起到了較好的隔離效果。2低通插裝閥諧振器的設計分別設計了側饋和直饋以及高阻開關和低阻開關200MHz的1/4波長同軸諧振器,輻射天線采用組合振子天線。Marx脈沖功率源輸出電壓約500kV。實驗結果表明,采用側饋方式,當開關導通電壓為最大充電峰值電壓的60%以下時,諧振輸出較為穩(wěn)定;當開關導通電壓接近最大充電峰值電壓時,諧振輸出不穩(wěn)定,出現(xiàn)頻率跳動現(xiàn)象(跳向低頻),當跳向低頻時,由于耦合器反射系數(shù)較大而輸出幅度較小。檢查諧振器,發(fā)現(xiàn)環(huán)形開關在側饋入口對稱一側的內(nèi)筒開關處有大量開關導通擊穿痕跡,而在側饋口一側開關導通痕跡較少。這說明側饋時,充電電場在同軸結構的分布不均勻,而采用直饋方式,諧振輸出穩(wěn)定性有一定程度的改善。高阻環(huán)形開關諧振器比低阻開關諧振器工作穩(wěn)定。對于高阻環(huán)形開關諧振器,開關采用齒狀結構,對諧振的穩(wěn)定作用較為明顯。通過一系列實驗,最終得到最佳的開關諧振器設計為直饋式高阻齒狀環(huán)形開關諧振器,其設計圖如圖10所示,諧振器輻射場波形如圖11所示。輻射因子達到150kV,輻射場頻譜中心頻率約195MHz,頻譜帶寬約30%。3多通道開關振幅頻率通過對諧振器數(shù)值模擬和實驗發(fā)現(xiàn),開關多通道的形成對諧振特性有明顯的影響,根據(jù)多通道開關理論,要實現(xiàn)開關多通道導通,要求多通道的形成時間間隔式中:δ(v)表示通道擊穿電壓的標準偏差;[V/(dV/dt)]表示開關電壓導通時的脈沖上升時間;τL,τR分別表示通道電感和通道電阻引起的時間延遲;τtrans表示電磁波在相鄰通道之間的傳輸時間。開關導通越快,則δ(v)越小。對于本文的開關脈沖上升時間(約9.8ns),開關為自擊穿方式,取δ(v)=5%,則多通道開關形成時間間隔為0.98ns。表1,2分別是低阻(10Ω)開關諧振器與高阻(138Ω)開關諧振器通道個數(shù)對開關多通道形成及諧振頻率的影響。對于高阻和低阻多通道開關,均是多于1個通道后,通道導通可能會降低相鄰通道電壓,但通道個數(shù)的變化對低阻開關諧振頻率影響較大。開關設計為多齒結構后,對于高阻開關,其電感較大,電容較小,比低阻開關更不利于電磁波在相鄰通道間的傳輸。因此,多齒結構對于高阻開關諧振器的穩(wěn)定作用較為明顯。表1,2中僅計算了通道電感、電阻時間項對諧振頻率的影響,實際上,通道導通后,電磁波向諧振器另一端傳播的多路徑效應也會影響諧振頻率。圖12是數(shù)值模擬計算得到的通道多路徑效應對諧振頻率的影響。對于低阻開關諧振器,通道導通多路徑效應對諧振頻率影響較大,而隨著通道數(shù)量的增加,通道多路徑效應對諧振頻率的影響逐漸減弱。4諧振器實驗研究本文在輸出電壓約500kV的Marx脈沖源平臺上,設計了中心頻率為200