一种基于平板型Blumlein传输线的宽谱高功率微波辐射系统的制作方法

本发明涉及宽谱高功率微波
技术领域：
，尤其是涉及一种基于平板型Blumlein传输线的宽谱高功率微波辐射系统的结构。
背景技术：
：超宽谱和窄谱射频脉冲是高功率微波的两种典型技术类型，超宽谱射频脉冲的频带范围宽，但是功率谱密度低；窄谱射频脉冲的频带范围窄，但功率谱密度高；为了兼具两者的技术优点，提出了宽谱高功率微波技术；作为宽谱高功率微波辐射系统中最关键的部件之一，高功率微波振荡器的性能直接影响到系统的辐射特性，因此，宽谱微波振荡器技术成为该领域的研究重点和难点。目前，在宽谱高功率微波振荡器
技术领域：
，主要采用的技术方案包括：单级同轴型四分之一波长振荡器、直线型开关阵列微波振荡器和色散天线；其中，四分之一波长振荡器通常产生中心频率为百MHz的射频脉冲，受限于传输线的电长度，难以产生GHz以上的微波；直线型开关阵列微波振荡器通常产生中心频率为GHz的射频脉冲，若中心频率逐渐降低至百MHz时，整个系统的长度显著增加，极大地限制了装置的工程应用；对于色散天线技术体制，天线类型比较固定，选择余地较小，而且受限于天线的带宽，在实际应用中难度较大。利用电磁脉冲在两段传输线(Z1、Z2)以及负载(Z3)的传输过程中折反射效应，基于平板型Blumlein传输线的宽谱高功率微波振荡器可产生宽谱高功率微波。其优点在于：相同物理长度下，可产生中心频率2倍于同轴型四分之一波长振荡器的射频脉冲；而且通过改变中极板的位置，可调节两段传输线的电长度，从而实现对高功率微波中心频率的在线调控。技术实现要素：要解决的技术问题目前，宽谱高功率微波辐射系统存在着体积大、结构复杂、微波中心频率范围窄，且频率无法在线调节等问题，鉴于此，本发明提供了一种基于平板型Blumlein传输线的宽谱高功率微波辐射系统，能够产生功率为百MW～GW量级，中心频率为百MHz～GHz，而且可以在线调节高功率微波的中心频率。技术方案为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。基于平板型Blumlein传输线的宽谱高功率微波辐射系统，其特征在于，脉冲驱动源产生高功率电压脉冲，当电压幅值满足气体火花开关闭合条件时，电磁波开始在Blumlein的两段传输线传播，利用传输线与负载阻抗失配而产生的折反射效应，在天线馈入口处形成一定频率的宽谱振荡脉冲，并最终通过天线辐射产生高功率微波。具体而言：一种基于平板型Blumlein传输线的宽谱高功率微波辐射系统，包括脉冲驱动源、微波振荡器和天线，脉冲驱动源产生纳秒脉冲，微波振荡器将纳秒脉冲调制为特定频率的振荡脉冲，通过天线在空间产生宽谱高功率微波辐射；其特征在于所述微波振荡器包括微波振荡器外壳、平板型Blumlein传输线、气体火花开关、D-dot电压测试探头和气嘴，平板型Blumlein传输线位于微波振荡器外壳内，包括上极板、中极板和下极板，其中，中极板安装在微波振荡器外壳两侧卡槽可以在电磁脉冲传播方向上进行位置调节，上极板和下极板被钳夹固定在微波振荡器外壳上，相对位置无法移动；中极板和下极板的中心处分别配有一条滑道，气体火花开关的两个电极分别安装在中极板和下极板的滑道内；在微波振荡器的输入端口，脉冲驱动源输出端的圆柱形内导体与中极板连接，脉冲驱动源输出端的圆柱形外导体与下极板连接；在微波振荡器的输出端口，下极板和上极板均伸出微波振荡器外壳，并与天线连接；D-dot电压测试探头装配在上极板的尾部，且靠近天线位置，用于测量上、下极板之间的电压脉冲波形，气嘴设在微波振荡器外壳上。下极板与中极板之间的特征阻抗为Z1，中极板与上极板之间的特征阻抗为Z2，上极板与下极板之间的特征阻抗和负载天线的阻抗相等，且均为Z3，平板传输线阻抗的计算如下：Z=(μϵ)1/2(dD)]]>式中：μ为磁导率，ε为介电常数，d为平板间距，D为平板宽度；定义系数a和k分别为：a=2(Z1-Z2)(Z3+Z1+Z2)]]>k=(Z3-Z1-Z2)(Z3+Z1+Z2)]]>当系数a和k分别满足下列两种情况之一时：a<0;k=0;]]>或者a<0;k>0;]]>即可使天线辐射出一定中心频率的微波。下极板和中极板之间的有效长度等于中极板和上极板的之间的有效长度。所述的气嘴可以没有，替换成微波振荡器内部装填变压器油。所述的微波振荡器外壳采用尼龙、有机玻璃、环氧树脂或聚四氟乙烯。气体火花开关可采用球形、椭圆形、圆角矩形的单通道放电电极结构，亦可采用圆环状的多通道放电电极结构。有益效果本发明提出的一种基于平板型Blumlein传输线的宽谱高功率微波辐射系统，优点为：1.基于平板型Blumlein传输线的微波振荡器体积小、结构简单、紧凑，将两条传输线折叠布置，可在相同物理长度下，产生中心频率为四分之一波长振荡器2倍的宽谱高功率微波，辐射高功率微波的频率范围可从百MHz～GHz。2.平板型Blumlein传输线的中极板和气体火花开关均可独立在电磁脉冲传播方向上进行调节，通过调整中极板和气体火花开关的相对位置，可以改变两段传输线的电长度，进而实现对高功率微波中心频率的在线调节。3.脉冲驱动源输出脉冲首先为Blumlein的两段传输线充电，当中、下极板之间的电压达到气体火花开关的击穿电压时，开关放电，电磁脉冲开始在中、下极板和上、中极板之间传播，通过两段传输线与天线阻抗失配产生的折反射效应，在天线馈入口处形成一定中心频率的振荡脉冲；通过改变阻抗的失配系数，可以进一步调整产生振荡脉冲包络的衰减速度和振荡周期数。附图说明图1是基于平板型Blumlein传输线的宽谱高功率微波辐射系统剖面图；图2是平板型Blumlein传输线的微波振荡器剖面图；图3是微波振荡器输入及输出波形；图4是微波振荡器输出波形的频谱图；图5是天线辐射波形其中：1-微波振荡器外壳；2-上极板；3-中极板；4-下极板；5-气体火花开关；6-D-dot电压测试探头；7-气嘴；8-O型圈；9-钳夹；10-卡槽；11-滑道。具体实施方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：一种基于平板型Blumlein传输线的宽谱高功率微波辐射系统，该装置通过脉冲驱动源产生纳秒脉冲，并利用微波振荡器将纳秒脉冲调制为特定频率的振荡脉冲，通过天线在空间产生宽谱高功率微波辐射；微波振荡器由平板型Blumlein传输线和气体火花开关构成；Blumlein传输线的中极板可在电磁脉冲传输方向上进行位置调节；气体火花开关安装在中、下极板之间的滑道内，可通过气体火花开关和中极板的相对位置，产生一定频率的振荡脉冲；利用本发明可以构建出能够产生中心频率为几百MHz～几GHz的宽带高功率微波辐射系统具体结构，并实现中心频率的在线调节；解决了小体积、可变频高功率微波产生的技术难题。参见图1，示出了基于平板型Blumlein传输线的宽谱高功率微波辐射系统剖面图，图2示出了平板型Blumlein传输线的微波振荡器剖面图。一种基于平板型Blumlein传输线的宽谱高功率微波辐射系统，包括脉冲驱动源、微波振荡器和天线；其中，微波振荡器由微波振荡器外壳1，上极板2、中极板3、下极板4、气体火花开关5、D-dot电压测试探头6、气嘴7、O型圈8、钳夹9、卡槽10和滑道11，上极板2、中极板3和下极板4构成平板型Blumlein传输线；脉冲驱动源为同轴型输出，输出端的内导体和外导体分别连接至平板型Blumlein传输线的中极板和下极板，其中，外导体和下极板接地，保持零电位，内导体输出高电压脉冲。脉冲驱动源输出端的圆柱形内导体插入至微波振荡器外壳内部，通过O型圈8实现密封；通过使用钳夹9，将微波振荡器的上、下极板位置固定；在微波振荡器的输出端口，上、下极板伸出微波振荡器外壳，与天线连接，通过在孔缝处涂抹密封胶进行密封处理；D-dot电压测试探头6装配在上极板的尾部，且靠近天线端，用于测量上、下极板之间的电压波形。气嘴7设在微波振荡器外壳1上，通过气嘴7来提高微波振荡器腔体内的气压，以此增强平板传输线的绝缘强度。微波振荡器的中极板3借助于卡槽10，可在电磁脉冲传播方向上自由移动；在中、下极板的中心分别安装有滑道11；气体火花开关5的两个电极分别安装在中、下极板的滑道11内；若中、下极板之间的有效长度为l1，上、中极板之间的有效长度为l2，通过改变中极板和气体火花开关的相对位置，可以调整有效长度l1和l2，正常工作条件下，需满足条件：l1＝l2(1)平板型Blumlein传输线的上极板和下极板被钳夹固定在微波振荡器外壳，相对位置无法移动，通过涂抹密封胶，实现微波振荡器腔体输出端口的密封；中极板通过两侧卡槽可以在电磁脉冲传播方向上进行位置调节，并且传输线中极板和下极板的中心处分别配有一条滑道，气体火花开关的两个电极分别安装在中极板和下极板的滑道内；传输线的下极板与中极板之间的特征阻抗为Z1，中极板与上极板之间的特征阻抗为Z2，上极板与下极板之间的特征阻抗和负载天线的阻抗相等，且均为Z3，平板传输线阻抗的计算如下：Z=(μϵ)1/2(dD)---(2)]]>式中：μ为磁导率，ε为介电常数，d为平板间距，D为平板宽度；分别定义阻抗系数a和k分别为：a=2(Z1-Z2)(Z3+Z1+Z2)---(3)]]>k=(Z3-Z1-Z2)(Z3+Z1+Z2)---(4)]]>当系数a和k分别满足下列情况之一时：a<0;k=0;---(5)]]>或者a<0;k>0;---(6)]]>即可产生一定频率的高功率微波。气体火花开关内部填充绝缘气体，优选地，可选用纯净且干燥的N2、SF6或者N2/SF6的混合气体，气压范围在0.1MPa～1MPa。优选地，圆筒状电极可选用不锈钢、黄铜、铜钨合金材质，气体火花开关的间隙距离能够在1～10mm之间任意调节。优选地，微波振荡器内部装填变压器油，其作用与气嘴是一样的。微波振荡器外壳可采用尼龙、有机玻璃、环氧树脂、聚四氟乙烯材质。其中，图3给出了馈入至微波振荡器的电磁脉冲波形以及经过微波振荡器后的射频电磁脉冲，输入波形参数为：电压幅值为1(归一化处理)，脉冲前沿约4ns的双指数脉冲；微波振荡器输出波形参数为：电压幅值1.4V，脉冲前沿约0.2ns；从图4中可见，振荡脉冲的中心频率约1.2GHz；通过天线辐射以后的脉冲波形如图5所示。因此，本发明的优点是：1.基于平板型Blumlein传输线的宽谱高功率微波辐射系统的体积小，结构简单、紧凑，无需真空环境；相对于常见的宽谱高功率微波振荡器，具有物理尺寸小、微波中心频率可调范围宽，且频率可在线调节等优点。2.通过调节微波振荡器的中极板和气体火花开关的位置，可改变两段传输线的电长度，从而改变辐射微波的中心频率；此外，通过改变两段传输线和天线的阻抗，可调节辐射微波的振荡周期数目。当前第1页1 2 3