一种形成线对非匹配传输线充电型高功率宽谱振荡器

摘要

本发明公开了一种形成线对非匹配传输线充电型高功率宽谱振荡器，振荡器的电路结构为：低阻线的高压输入端连接Marx发生器的高压输出端，低阻线的高压输出端通过主开关连接到非匹配传输低阻线的高压输入端，非匹配传输低阻线的高压输出端通过锐化开关连接到非匹配传输高阻线的输入端，非匹配传输高阻线的输出端通过匹配电阻连接到地；非匹配传输低阻线的高压输入端通过短路开关连接到地，低阻线、非匹配传输低阻线、非匹配传输高阻线的低压端均连接到地。该振荡器与只利用非匹配传输线产生高功率宽谱振荡脉冲装置相比，短路开关与锐化开关的尺寸更小，工作更稳定，产生的宽谱振荡的中心频率更高。

说明书

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种利用非匹配传输线的方式产生高功率宽谱振荡脉冲。

背景技术

介于窄带与超宽带间的宽谱电磁脉冲具有较宽的频谱分布和较高的频谱功率密度，其独特的频谱特征在一定程度上弥补了超宽带高功率微波频谱功率密度过低和窄带频带覆盖范围过窄的不足。近年来，宽谱高功率微波技术在国内外得到了较快的发展，基于小型化紧凑型脉冲功率技术研制的宽谱高功率微波系统，机动性能好。目前已研制的宽谱高功率微波系统中，绝大部分系统的中心频率位于100MHz-800MHz之间，这一频段是常规电子设备后门耦合效率较高的频率范围。而且相对于超宽带频谱和窄带频谱来说，宽带频谱具有较高的谱功率密度。

随着宽谱高功率微波关键技术和效应机理研究的不断深入，宽谱高功率微波系统在高效率、小型化和实用化方面表现出了巨大的发展潜力。利用传统的方式产生宽谱振荡在功率和中心频率上面受到限制，利用形成线对非匹配传输线充电的方式产生宽谱振荡，更容易实现高功率和较高的中心频率。

文章“非匹配传输线产生宽谱脉冲实验研究”（强激光与粒子束，2014年第26卷第9期，P095006-1）提到，利用Marx发生器直接为非匹配传输线充电，产生的振荡脉冲的中心频率比较低。主要原因为：1)短路开关与锐化开关导通比较慢，这主要是因为Marx发生器输出脉冲比较宽，前沿比较慢，为非匹配传输线充电时间比较长；2)短路开关的径向尺寸比较大，加工、装配带来的误差比较大，很难保证开关与传输线同轴，开关导通不太均匀。

发明内容

本发明的目的是为实现高功率的宽谱振荡同时实现较高的中心频率，提供一种利用形成线对非匹配传输线充电的方式产生高功率宽谱振荡脉冲器；该振荡器与只利用非匹配传输线产生高功率宽谱振荡脉冲装置相比，短路开关与锐化开关的尺寸更小，工作更稳定，产生的宽谱振荡的中心频率更高。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案：

一种形成线对非匹配传输线充电型高功率宽谱振荡器，所述振荡器的电路结构为：低阻线的高压输入端连接Marx发生器的高压输出端，低阻线的高压输出端通过主开关连接到非匹配传输低阻线的高压输入端，非匹配传输低阻线的高压输出端通过锐化开关连接到非匹配传输高阻线的输入端，非匹配传输高阻线的输出端通过匹配电阻连接到地；所述非匹配传输低阻线的高压输入端通过短路开关连接到地，所述低阻线、非匹配传输低阻线、非匹配传输高阻线的低压端均连接到地。

在上述技术方案中，所述振荡器包括以下物理结构：低阻线内筒、低阻线外筒以及设置在低阻线内筒和低阻线外筒之间的填充介质；非匹配低阻线内筒、非匹配低阻线外筒以及设置在非匹配低阻线内筒和非匹配低阻线外筒之间的非匹配传输线填充介质；低阻线内筒与非匹配低阻线内筒之间连接主开关，非匹配低阻线内筒和非匹配低阻线外筒之间设置有短路开关；非匹配低阻线内筒的另一端连接锐化开关，锐化开关的另一端连接到非匹配高阻线。

在上述技术方案中，所述宽谱振荡器的低阻线内筒与非匹配低阻线内筒同轴心设置，且低阻线内筒与非匹配低阻线内筒内部密封，密封空间内充有高压SF₆气体。

在上述技术方案中，所述短路开关为环形开关，环形开关的内径大于非匹配低阻线内筒的外径。

在上述技术方案中，所述非匹配高阻线包括非匹配高阻线外筒和非匹配高阻线内筒，所述锐化开关为环形开关，环形开关连接在非匹配高阻线的内筒与非匹配低阻线内筒之间。

在上述技术方案中，所述填充介质为有机玻璃。

在上述技术方案中，所述非匹配高阻线外筒和非匹配高阻线内筒之间填充为空气。

本发明的工作原理是：Marx等高压脉冲源对低阻线充电，当充电到一定值时低阻线与非匹配传输线之间的主开关导通后，低阻线给非匹配传输线中的低阻线充电，当充电到最大值时，短路开关-锐化开关同时导通，由于非匹配传输线中的低阻线与高阻线之间的阻抗不匹配以及短路开关的短路反射，在高阻传输线上形成宽谱振荡脉冲。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

利用形成线对非匹配传输线充电，也就是Marx发生器先对形成线充电，而不是采用Marx发生器直接对非匹配传输线直接充电的方式。采用形成线对非匹配传输线充电的方式可以比较好的解决上面的两个问题。形成线对非匹配传输线充电时间比较短，4~5ns就可以完成，这样短路开关与锐化开关导通就比较快。采用Marx发生器直接对非匹配传输线直接充电的方式充电时间比较长，大概30ns。同时由于充电时间缩短，绝缘介质的击穿场强增高，绝缘距离变短，非匹配传输线的径向尺寸可以减小。短路开关与锐化开关的径向尺寸就可以减小。更容易保证开关与传输线的同轴，实现多通道导通。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的电路图；

图2是本发明的结构图；

其中：Ⅰ为宽谱振荡器的低阻线部分，Ⅱ为宽谱振荡器的非匹配传输线部分； 1是低阻线填充介质，2是低阻线外筒，3是低阻线内筒，4是主开关，5是短路开关，6是非匹配传输线填充介质，7是非匹配传输线内筒，8是非匹配传输线的锐化开关。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的电气连接示意图，Marx发生器产生的高压脉冲直接输入到低阻线T1的高压端上，低阻线T1的高压输出端通过一个主开关K5连接到非匹配传输低阻线T2的高压端上，同时在非匹配传输低阻线T2的高压端与低压端之间连接一个短路开关K6，非匹配传输低阻线T2的高压输出端通过锐化开关K7连接到非匹配传输高阻线T3，非匹配传输高阻线T3的高压输出端通过一个匹配电阻R4连接到地；且低阻线T1、非匹配传输低阻线T2、非匹配传输高阻线T3的低压端均接地。

如图2所示，根据图1中的电气原理，设计的本发明的振荡器，包括两个部分，振荡器前端为宽谱振荡器的低阻线部分，后端为宽谱振荡器的非匹配传输线部分。宽谱振荡器的低阻线部分包括低阻线外筒和低阻线内筒，在内外筒之间填充有低阻线填充介质，形成线为低阻的填充有机玻璃介质的同轴线，填充有机玻璃可以缩短形成线的长度。在低阻线内筒的输出端环形口上设置环形主开关，用于连接宽谱振荡器的非匹配传输线部分。

宽谱振荡器的非匹配传输线部分包括两个部分，一部分为非匹配传输低阻线，包括非匹配传输低阻线内筒和非匹配传输低阻线外筒，非匹配传输低阻线内筒的输入端连接到环形主开关上，且在非匹配传输低阻线内筒与非匹配传输低阻线外筒之间设置环形的短路开关，并且在非匹配传输线内筒与非匹配传输线外筒之间填充有机玻璃；另一部分为非匹配传输高阻线，非匹配传输高阻线也有内筒与外筒，非匹配传输高阻线的内筒与非匹配传输低阻线内筒之间连接锐化开关，非匹配传输高阻线的内筒与外筒之间填充为空气。

图2中的两个部分都是同轴心设置，内部空间密封，当Marx等高压脉冲源对低阻线充电，当充电到一定值时低阻线与非匹配传输线之间的主开关导通后，低阻线给非匹配传输线中的低阻线充电，当充电到最大值时，短路开关-锐化开关同时导通，由于非匹配传输线中的低阻线与高阻线之间的阻抗不匹配以及短路开关的短路反射，在高阻传输线上形成宽谱振荡脉冲。

按照上述方案实施的例：

低阻传输线与非匹配传输线。低阻传输线外筒的外径为：320mm、内经为：310mm；低阻传输线内筒的外经为：257mm、内径为：251mm；低阻传输线与非匹配传输线之间的环形开关（主开关）的外径为：132.6mm、内径为130.6mm，开关的端面倒R1的圆角。

非匹配传输线中低阻线外筒的外径为：170mm、内经为：160mm；非匹配传输线中低阻线内筒的外径为：132.6mm、内经为：128.6mm；非匹配传输线中高阻线外筒的外径为：170mm、内经为：160mm；非匹配传输线中高阻线内筒的外径为：69.4mm、内经为：65.4mm；锐化开关的外径为：69.4mm、内经为：65.4mm；短路开关为厚2mm的片状环形开关，开关的内径为138.6mm。

低阻传输线与非匹配传输线之间的环形开关、非匹配传输线的环形短路开关-锐化开关分别密封在不同的高气压腔体中，腔体利用有机玻璃绝缘子和O型密封圈实现高压气体的密封。腔体中充高压SF₆气体，主要有两个作用，一是可以提高腔体的绝缘，二是可以缩短开关导通时间，提高宽谱振荡脉冲的中心频率。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明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。