一种高功率宽谱四分之一波长开关振荡器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种高功率宽谱四分之一波长开关振荡器，由环形开关、四分之一波长同轴振荡腔和耦合器组成；通过对四分之一波长振荡器特性阻抗、开关、微波输出形式、高压脉冲馈入方式以及结构的特别设计，产生高功率宽谱微波振荡，通过耦合器馈入到天线上，通过天线辐射在空间产生高功率宽谱微波辐射；本实用新型采用同轴耦合输出结构，可以阻断充电电压直接加到天线，从而降低天线功率容量的设计难度；同时通过对耦合器的合理设计可以调节谐振器的Q值。采用同轴直馈方式，使得充电内杆可同时作为开关的电极，开关导通同时即将谐振腔封闭，避免了国际上同类宽谱谐振器从侧面充电造成微波泄露的不足，结构更为简单紧凑。
【专利说明】一种高功率宽谱四分之一波长开关振荡器
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及高功率微波【技术领域】，具体是指一种高功率宽谱四分之一波长开 关振荡器。
【背景技术】
[0002] 从高功率微波的效应角度来看，窄谱HPM和超宽谱HPM各有特点：窄谱高功率微 波频谱功率密度高，仅针对已知工作频率的效应目标具有很好效果；而超宽谱微波对未 知工作频率或者变频工作的效应目标可以完整覆盖，但功率密度较小，效应阈值需要非常 高的瞬时功率。正是针对以上窄谱和超宽谱微波优、劣势的比较，提出了介于窄谱与超宽 谱之间，并且兼顾两者优势的宽谱高功率微波概念。图1为典型效应物内部与四个方向 照射平面波的耦合系数曲线，可以看出，耦合系数在频率大于1GHz范围内都比较小，而在 100MHz - 800MHz频率范围内都比较高，图中也给出了三种电磁脉冲的频谱分布，其中宽谱 微波不仅覆盖了耦合系数较高的区域，而且具有较高的谱功率密度。
[0003] 高功率宽谱四分之一波长开关振荡器用来产生高功率宽谱微波，它由环形开关、 四分之一波长同轴振荡腔、耦合器所组成。其中环形开关位于同轴内芯与外筒之间，环形开 关的内芯一端接高压脉冲，一端接四分之一波长同轴振腔的内筒；四分之一波长同轴振荡 腔设计为低阻抗结构，用来实现对馈入高功率能量的储存；耦合器位于同轴振荡腔与输出 同轴线之间，其作用是调节四分之一波长同轴振荡腔的Q值，并隔离高压充电脉冲直接加 到辐射天线上。
[0004] 目前国内外同类技术多属于概念设计，产生功率较低，开关为单点导通，多采用 在振荡腔侧面充电，振荡腔与同轴输出线直接相联，充电时1?电压同时加载在天线和馈线 上，不利于天线的功率容量设计。 实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的是提供一种高功率宽谱四分之一波长开关振荡器，解决目前国 际上传统宽谱谐振器侧面充电和充电时天线也同时加载高压的难题，实现了输出脉冲带宽 可通过设计耦合器耦合系数来控制，可实现高功率宽谱微波输出
[0006] 本实用新型采用的技术方案：一种高功率宽谱四分之一波长开关振荡器，由环形 开关、四分之一波长同轴振荡腔和耦合器组成；所述环形开关内部设置有一根同轴内芯，所 述同轴内芯一端与脉冲功率源同轴结构连接，另一端连接四分之一波长振荡腔的同轴输入 端；所述耦合器内设置有耦合同轴内芯，耦合同轴内芯的一端连接四分之一波长振荡腔的 同轴输出端，另一端为f禹合输出端。
[0007] 在上述技术方案中，所述同轴内芯的输入端设置有若干个连接点，每一个连接点 上设置有密封圈和环形金属片。
[0008] 在上述技术方案中，所述环形开关与四分之一波长同轴振荡腔连接处设置有紧固 螺钉，所述紧固螺钉的位置可调。
[0009] 在上述技术方案中，所述耦合器的外壳为锥形结构。
[0010] 在上述技术方案中，所述耦合器内设置有集中电容，所述集中电容设置在耦合同 轴内芯与四分之一波长同轴振荡腔的输出端之间。
[0011] 在上述技术方案中，所述环形开关、四分之一波长同轴振荡腔和耦合器的内部均 为密封腔体，且腔体之间相通，且腔体内充有高压绝缘氮气。
[0012] 在上述技术方案中，所述四分之一波长同轴振荡腔的输入端与输出端的位置均为 同轴水平设置。
[0013] 在本方案中，高功率宽谱振荡器可以工作在200MHz?800MHz，从左边馈入的高功 率脉冲，对四分之一波长同轴振荡腔充电，设计充电到峰值电压时，环形开关导通，产生一 个阶跃脉冲向耦合器端传播，经耦合器和环形开关的来回反射形成谐振，同时通过耦合器 与同轴输出端输出衰减振荡的宽带脉冲，最后振荡脉冲由同轴传输线馈入到天线辐射。为 了实现高功率宽谱微波产生，根据国内外同行同类技术存在的优缺点，采用了同轴馈入、多 通道开关导通和耦合输出的技术路线。以往同类技术路线多采用侧馈、单通道开关和同轴 谐振腔与天线直接相连的方式。这种技术路线适用于较低功率的宽谱微波产生，当功率提 高时，侧方充电馈入口必需开较大的尺寸，否则会产生高压打火。但较大的馈入口，会产 生宽谱微波泄漏；同时较大的馈入口会影响开关电场分布，不利于开关的稳定导通；开关 单点导通会产生较大的通道电感和电阻不利于较高频率宽谱微波的产生；同轴谐振腔直接 与天线相连，使得充电电压直接加到天线上，不利于天线的绝缘设计。为了解决高功率宽谱 微波的产生，系统总体设计采用同轴馈入，馈入同轴内芯作为环形开关的高压电极。设计多 通道开关导通，便于减小通道开关电感和增大谐振腔储能；采用集中电容与分布电感相结 构的稱合器设计，防止充电高压直接加到天线上，减轻天线的绝缘设计难度。在谐振腔与天 线之间引入耦合器，可在保持同轴谐振器和天线的阻抗固定的情况下，可以通过设计耦合 器的散射系数，得到不同带宽的宽谱微波。
[0014] 在本方案中，环形开关设计为同轴结构，开关内芯左边接高压充电杆，右边接四分 之一波长振荡腔。当充电电压上升到一定幅度时，环形开关的环形地电极与同轴内芯高压 电极导通，环形开关的结构保证实现多通道导通。通过精细加工及安装可以保证环形开关 的同心度。开关腔内充高气压的绝缘氮气，采用氮气有利于开关以较高重频运行和增加环 形开关的导通电压。通过调节气压及开关间距，可以实现较好的多通道导通，多通道导通可 以降低开关电感，以利于振荡器工作在较高的频率。环形开关的另一个用用是当振荡器产 生振荡后，开关导通后产生的较小的间隔可以阻断振荡微波向左泄漏到脉冲源一端，有利 于提高宽谱微波产生效率。
[0015] 在本方案中，采用低阻抗四分之一波长同轴传输线设计，考虑到环形开关的导通 电感及同轴结构的端头效应，同轴谐振器的实际长度要稍小于四分之一宽谱微波中心频率 对应波长的长度。设计时同轴谐振腔的电容要与脉冲功率源的输出电容相匹配设计，以期 达到较高的充电效率；在同轴谐振腔的特性阻抗设计时还要考虑腔内的功率容量和电场分 布。要求谐振腔内不产生高压放电，同时要求谐振腔内的电场强度要明显小于环形开关处 的电场强度，以确保导通放电产生于开关处。同轴谐振腔内采用高压气体绝缘，谐振腔与环 形开关腔相通。
[0016] 本方案中，耦合器采用集中电容与分布电感相结合设计方案，集中电容由绝缘材 料介质块提供，分布电感由锥形同轴结构的外筒与内芯提供。利用了电容高通与电感低通 的特性，根据所产生的宽谱微波频率和带宽要求，优化设计集中电容与分布电感的结构参 数。可以在所要求的带宽内，实现较为平坦的耦合输出，同时对于带宽以外的低频产生较大 的抑制作用。
[0017] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：本实用新型的 开关振荡器低阻抗、谐振充电效率高、采用环形多通道开关设计，以减小开关导通电感和电 阻，使谐振器可以振荡在较高频率、采用同轴耦合输出结构，可以阻断充电电压直接加到天 线，从而降低天线功率容量的设计难度；同时通过对耦合器的合理设计可以调节谐振器的 Q值；采用同轴直馈方式，使得充电内杆可同时作为开关的电极，开关导通同时即将谐振腔 封闭，避免了国际上同类宽谱谐振器从侧面充电造成微波泄露的不足，结构更为简单紧凑。 将高功率容量设计与谐振器的低阻抗要求相结合，优化了腔内电场分布，可实现较高功率 的宽谱振荡重频脉冲输出，并在应用实验中稳定运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0019] 图1是本实用新型的结构示意图；
[0020] 图2是输出宽谱脉冲波形；
[0021] 图3是输出宽谱脉冲频谱；
[0022] 图4是S21曲线；
[0023] 图5是振荡器输出电压波形。
【具体实施方式】
[0024] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0025] 如图1，本实用新型所述的开关振荡器主要包括三个部分，即环形开关、四分之一 波长同轴谐振腔和耦合器，环形开关的腔体外壳通过紧固螺栓5与脉冲功率源的同轴外壳 1连接在一起，为了隔离脉冲功率源与环形开关内的腔体，在两者之间设置有一块绝缘支撑 4,同时在绝缘支撑4与外壳之间再设置有密封圈3,彻底实现脉冲功率源与环形开关腔的 气体隔离；同时与脉冲功率源的连接采用同轴结构内芯2,并与环形开关的同轴内芯连接， 环形开关的同轴内芯的连接处设置有若干个连接点，每一个连接点上都设置有环形金属片 6和密封圈7,环形金属片6的作用是确保旋转同轴内芯螺杆时，不会带动密封圈7同时 转动，以确何密封圈7不会被损坏，而密封圈7是实现脉冲功率源馈入端与环形开关腔之 间气体密封隔离，防止高压气体泄露到脉冲功率源一侧；在环形开关与四分之一波长同轴 谐振腔之间设置有紧固螺钉8,其功能是连接环形开关腔同轴外筒与不同开关半径的环形 开关地电极9,实现环形开关间距的调节；环形开关地电极9设置在四分之一波长同轴谐振 腔的外筒10与内筒11之间，四分之一波长同轴谐振腔的外筒10通过紧固螺铨14与耦合 器连接，在连接处设置有密封圈13,用来实现谐振腔与耦合器同轴外筒连接处的气体密封； 在四分之一波长同轴谐振腔的输出口设置集中电容12,承担实现谐振器产生的宽谱微波耦 合输出的功能外，还具有绝缘支撑和实现环形开关同心的作用；在集中电容12上设置有耦 合器同轴内芯15,其功能是与稱合器外筒16-起实现组成稱合器的分布电感，分布电感与 集中电容一起实现宽谱微波f禹合输出的功能；f禹合器的外筒16为锥形结构，f禹合器的输出 端设置有绝缘支撑17,其功能是实现耦合器的同轴结构支撑和实现耦合器与天馈系统之间 的气体隔离，防止谐振腔内的高压气体泄漏到天馈系统中。
[0026] 本实用新型中通过对振荡器特性阻抗和耦合器的优化设计，可得到较大的功率产 生效率，产生的宽谱振荡波形及频谱如图2和图3所示，图2为模拟中充电电压IV时产生的 宽谱脉冲电压波形，波形为幅值指数衰减的振荡脉冲，脉冲峰值约为充电电压的〇. 86倍， 图3为输出宽谱脉冲的归一化频谱，中心频率为305MHz，百分比带宽为21%。耦合器的S21 曲线如图4所示。在200MHz?800MHz耦合输出曲线较为平坦，在0?200MHz低频，微波 输出得到明显的仰制。电场主要集中于环形开关处，开关处电场强度是其他区域的两倍以 上，确保击穿发生在开关处。通过输出同轴线内筒的电容分压器监测谐振器的输出脉冲，图 5为电压分压器测得的输出宽谱脉冲波形，中心频率304MHz，带宽25%
[0027] 本实用新型并不局限于前述的【具体实施方式】。本实用新型扩展到任何在本说明 书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组 合。
【权利要求】
1. 一种高功率宽谱四分之一波长开关振荡器，其特征在于由环形开关、四分之一波长 同轴振荡腔和耦合器组成；所述环形开关内部设置有一根同轴内芯，所述同轴内芯一端与 脉冲功率源同轴结构连接，另一端连接四分之一波长振荡腔的同轴输入端；所述耦合器内 设置有f禹合同轴内芯，f禹合同轴内芯的一端连接四分之一波长振荡腔的同轴输出端，另一 端为f禹合输出端。
2. 根据权利要求1所述的一种高功率宽谱四分之一波长开关振荡器，其特征为所述同 轴内芯的输入端设置有若干个连接点，每一个连接点上设置有密封圈和环形金属片。
3. 根据权利要求2所述的一种高功率宽谱四分之一波长开关振荡器，其特征为所述环 形开关与四分之一波长同轴振荡腔连接处设置有紧固螺钉，所述紧固螺钉的位置可调。
4. 根据权利要求1所述的一种高功率宽谱四分之一波长开关振荡器，其特征为所述耦 合器的外壳为锥形结构。
5. 根据权利要求4所述的一种高功率宽谱四分之一波长开关振荡器，其特征为所述耦 合器内设置有集中电容，所述集中电容设置在耦合同轴内芯与四分之一波长同轴振荡腔的 输出端之间。
6. 根据权利要求1所述的一种高功率宽谱四分之一波长开关振荡器，其特征为所述环 形开关、四分之一波长同轴振荡腔和耦合器的内部均为密封腔体，且腔体之间相通，且腔体 内充有高压绝缘氮气。
7. 根据权利要求1所述的一种高功率宽谱四分之一波长开关振荡器，其特征为所述四 分之一波长同轴振荡腔的输入端与输出端的位置均为同轴水平设置。
【文档编号】H01P7/04GK203839499SQ201420201708
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】廖勇, 徐刚, 谢平, 张晋琪, 陆巍 申请人:中国工程物理研究院应用电子学研究所