TEM喇叭天线辐射机理分析和优化设计

在频域和时域研究了TEM喇叭天线的辐射机理。在频域,高频信号激励的TEM喇叭表现为口径天线的辐射特性,具有良好的方向性;低频信号激励的TEM喇叭可视作偶极子天线,具有全向辐射特性;在时域,脉冲激励的TEM喇叭天线辐射场由四个子波叠加构成,在不同方向上,各个子波的波形和相对时序不同,导致不同方向上辐射场波形也不相同。根据辐射机理研究结果,提出了一种TEM喇叭天线末端加载设计并给出了其优化设计方法,有效地改善了天线主轴辐射性能,提高了辐射因子和天线效率。

TEM喇叭天线脉冲辐射特性

采用时域有限积分法(FIT)对相同几何口径尺寸下不同长度TEM喇叭天线的主轴辐射特性进行了研究,分析了有限长TEM喇叭天线与理想(无限长)TEM喇叭天线主轴辐射场存在差异的原因,导出了有限长TEM喇叭天线主轴辐射场在接近理想TEM喇叭天线辐射场条件下天线长度与激励脉冲宽度(或脉冲上升时间)之间的关系。在此基础上,根据文献中的研究结果,并结合激励脉冲波形,给出了TEM喇叭天线几何参数的优化设计方法。

小型超宽谱高功率微波辐射系统

小型超宽谱高功率微波辐射系统由Tesla型100 kV级ns脉冲源、Peaking-Chopping型亚纳秒气体开关及TEM喇叭天线构成。系统重复运行频率100 Hz,辐射因子rEp值75 kV,主轴辐射场中心频率520MHz,-3 dB频谱范围230～810 MHz。系统集成于一便携箱内,体积为80 cm×50 cm×26 cm,质量约45 kg。该系统结构紧凑,能够快速展开和撤收,可方便用于超宽谱高功率微波应用技术研究。

超宽谱电磁脉冲辐射场测量系统

介绍了一套自行研制的高功率超宽谱电磁脉冲辐射场测量系统,该系统主要由TEM喇叭接收天线、同轴传输线、宽带示波器及微型计算机组成。其中,TEM喇叭上极板为等腰三角形金属板,顶角14°,高60 cm,下极板为80 cm×30 cm矩形金属板,两金属板间夹角为7°,采用同轴线直接馈电方式,馈电点高度1mm。分析了测量系统的基本理论,采用时域有限差分和离散傅里叶变换相结合的方法对TEM喇叭接收天线的传递函数进行了计算,建立了信号衰减补偿方法。实测了抛物反射面脉冲辐射天线的辐射场,测得主轴上远区辐射场主脉冲波形与辐射天线的激励信号近似成微分关系,当激励信号的前后沿变快时,测得的辐射场也相应增大。测量结果表明,该系统能够反映脉冲辐射场的变化特性,具有良好的波形保真性和宽频带特性。

TEM喇叭超宽带接收特性分析

采用时域有限差分(FDTD)和离散傅里叶变换(DFFT)相结合的方法计算了不同长度及不同张角TEM喇叭接收天线的传递函数及灵敏度,采用最大相对误差和相对平均偏差分析了TEM喇叭超宽带接收的波形保真性与其几何尺寸之间的关系。分析结果表明:在设计高灵敏度及高波形保真性的超宽带TEM喇叭脉冲测量天线时,对TEM喇叭的张角和长度应进行折衷考虑。

TEM喇叭天线末端加载设计及实验

通过对TEM喇叭天线辐射机理的研究,指出了脉冲激励的TEM喇叭天线辐射场由4个子波叠加构成,在不同方向上,各个子波的波形和相对时序不同,导致不同方向上辐射场波形也不相同。由于天线末端辐射子波和馈电点辐射子波极性相反,在主轴方向上两者相互抵消,引起天线主轴辐射性能退化。针对这一问题,提出了一种TEM喇叭天线末端加载设计方法,可改变天线末端辐射子波极性,使其与馈电点辐射子波同相叠加。数值模拟和实验结果表明,该设计方法提高了TEM喇叭天线主轴辐射因子rEp值和rEp-p值,并改善了天线的低频辐射性能。

小型超宽谱高功率微波辐射系统设计与实验

研制了一台小型超宽谱高功率微波辐射系统,该系统由Tesla型100 kV级ns脉冲源、Peaking-chopping型亚ns气体开关及TEM喇叭天线构成.系统重复运行频率为100Hz,辐射因子rEp值为75 kV,主轴辐射场中心频率为520 MHz,-3 dB频谱范围为230～810 MHz.系统集成于一便携箱内,体积为80 cm×50 cm×26 cm,重量约45 kg.该系统结构紧凑,能够快速展开和撤收,可方便用于超宽谱高功率微波应用技术研究.

高压氮气亚纳秒开关放电特性实验研究

利用幅值约220 kV、脉宽约4 ns的高压纳秒脉冲源,对高压氮气亚纳秒气体开关放电特性进行了实验研究.实验结果表明:当气压在3～10 MPa间变化,间隔距离在0.6～1.2 mm间变化时,氮气间隙击穿电压随气压和间隙距离的增大而增大,并随气压的增大略呈饱和趋势,最高击穿电场约为2 MV/cm.开关输出电压波形的上升时间变化范围为145～190 ps,该上升时间随气压、击穿电场以及间隙距离增大而减小.

双路输出超宽谱高功率微波驱动源Tesla变压器

为实现2×5GW级双路输出超宽谱高功率微波驱动源的小型化,选择研制了一种与双筒脉冲形成线(Blumlein线)相配一体化的带有开路磁芯的Tesla变压器,作为初级脉冲功率源。进行了Tesla变压器的理论分析,利用简化的磁路模型研究了Tesla变压器初次级线圈电感等电参数的估算方法,给出了Tesla变压器磁芯截面的估算和磁芯制作方法。该Tesla变压器最大输出电压880kV,充电时间约20μs,耦合系数约0.95,实验结果与理论设计相符。

超宽带双脉冲辐射天线

研究了一种高功率超宽带双脉冲辐射天线,其设计思想为:辐射天线辐射两路不同脉宽的超宽谱电磁脉冲,且两路脉冲在时间上有一定延时,从而达到拓宽辐射场频谱宽度的目的。设计了一种采用三馈源的半抛物反射面超宽带天线,并对其进行了数值模拟与实验研究。采用短时傅里叶变换对辐射组合脉冲进行了联合时频分析,结果表明该天线能有效辐射双路不同脉宽的超宽谱脉冲,双脉冲辐射场的频谱宽度比单脉冲辐射场有了明显的拓宽,验证了采用双脉冲辐射是拓宽辐射场频谱的有效方法。

超宽带匹配馈电结构的设计与实验

设计研制了一种低阻抗传输线向高阻抗超宽带天线馈电的馈电结构,理想情况下,该馈电方法可实现特性阻抗为50Ω的同轴传输线向特性阻抗为200Ω的超宽带天线匹配馈电。分别用TEM喇叭天线和抛物反射面天线进行了实验验证,结果表明,与同轴线直接馈电相比,采用该匹配馈电结构后,TEM喇叭天线的辐射场强提高了15%,反射面天线的辐射场强提高了27%。

高辐射效率超宽谱脉冲辐射天线的设计与实验

设计了一种采用共面TEM馈电结构的抛物反射面超宽谱脉冲辐射天线,分析了该种馈电结构的阻抗特性与辐射特性。实验表明当馈入电压为3kV、前沿180ps的超宽谱脉冲时,该天线主轴辐射场测试距离与峰值场强之积平均值达到18.3kV,相较于常用的TEM喇叭馈电的超宽带反射面天线,其辐射效率有了显著的提高。

切比雪夫渐变线TEM喇叭天线数值模拟

设计了一种采用切比雪夫渐变线的TEM喇叭天线,分析了其工作原理,采用数值模拟的方法研究了其阻抗特性、传输特性与辐射特性,并在不同的馈入脉冲下与常用的线性渐变TEM喇叭天线进行了性能对比。结果表明:切比雪夫渐变线TEM喇叭天线具有低反射、高带宽和高辐射场强的优点,其性能要明显优于线性渐变TEM喇叭天线,且馈入脉冲越宽,性能越明显。分析了最大反射系数对切比雪夫渐变线TEM喇叭天线辐射性能的影响,馈入脉冲越窄时,宜选择反射系数越大的辐射天线。

一种高功率共面馈电脉冲辐射天线的设计实验

设计了一种高功率共面馈电脉冲辐射天线。该天线馈源采用双组电大尺寸共面极板馈臂,将馈电点置于焦点处,与直径2.1m的抛物反射面相配合,实现超宽谱短脉冲的有效定向辐射。提出了一种由同轴输入到4端输出的高功率馈电巴伦,解决了高功率情况下同轴线到4馈臂共面馈电问题。对所设计天线进行测试实验,结果表明:在馈电脉冲宽度为450ps、峰值电压为142kV时,辐射因子达到800kV。

超宽带天线辐射中心的时域测量方法

采用时域方法测量超宽带天线的辐射中心时,找出一个参考点,使天线以此点为中心的辐射波在辐射主轴某一范围内的波形时延最小,该参考点即为天线的辐射中心。该方法无需考虑馈入脉冲的频率,仅需观察天线辐射场各方向的波形时延。用时域测量方法测量了超宽带TEM喇叭天线的辐射中心,并用TEM喇叭做为馈源的抛物反射面天线进行了验证,结果证明了该方法的可行性与准确性。

快脉冲二极管运行监测探头研制

研制了真空二极管电流电压参数监测用的电容分压器、微分环以及标定实验平台,对其工作原理及结构进行了描述,完成了探测器灵敏度实验标定和理论模拟,确定了探测器灵敏度的参数。从而解决了该探测器离线标定和在线使用之间的矛盾,并验证了设计的合理性。

一种新型超宽带喇叭阵列天线

研制了一套16阵元的小型超宽带喇叭阵列天线,阵元天线由渐变横向电磁场(TEM)喇叭加框型电流环构成,分析了设计原理结构,给出了数值模拟结果并进行了试验研究。在每个单元馈入峰值电压4 k V,前沿180 ps超宽谱脉冲时,获得了r E值82 k V。整个系统紧凑小巧,具有较高的辐射效率,适合低功率情况下超宽谱脉冲的辐射。

Tesla型脉冲功率源主开关绝缘恢复特性

以Tesla变压器作为脉冲功率源,采用双脉冲法,对4mm间隙、4MPa压强的氮气开关绝缘恢复特性进行了实验研究。实验开关电极材料为紫铜,形状为环形。结果表明:在开关放电结束后约0.3ms内,开关几乎处于导通状态,属于火花通道去电离阶段;而后其绝缘恢复系数以指数曲线上升,直至约3ms后完全恢复,属于气体温度恢复阶段。Tesla变压器使得高压氮气火花开关的绝缘恢复曲线分段特征更为明显,由于火花通道去电离前其电阻对变压器次级电容呈并联关系,对变压器次级充电有旁路作用。

百MW过模结构太赫兹源特性

采用粒子模拟方法对一种基于过模结构的表面波振荡器相对论太赫兹源进行了研究,模拟得到了频率为0.148 THz的电磁波输出,主要输出模式为TM01模式。该结构的特点是没有反射结构,电磁波会进入二极管区域。研究了电子束电压和二极管区域内电磁场对输出功率和频率的影响以及器件几何结构参数对输出功率的影响。计算结果表明,泄露到二极管区域的电磁波对器件工作状态影响很小,但是二极管参数对器件的输出功率影响很大。

百kV级纳秒脉冲源的设计与实验研究

GW级Tesla型脉冲源在触发开关技术研究中作为触发脉冲源使用,抖动较大,触发开关工作不稳定,需要为其研制一台触发器以解决这一问题。结合其他使用需求,设计了一台百kV级纳秒脉冲源,该脉冲源采用Tesla变压器结合单筒脉冲形成线结构,进行了Tesla变压器结构、Tesla变压器初次级参数、Tesla开路磁芯与初级电路设计,调试结果为:最高输出电压100kV,峰值功率250MW,重复频率1～100Hz,输出脉冲宽度约4ns,前沿约1ns。该脉冲源作为触发器使用,可以将GW级Tesla型纳秒脉冲源抖动由500ns降低至150ns,满足触发开关研究需求,还可用于产生超宽谱短脉冲进行辐射。