紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置的设计研制

分析了三传输线型脉冲压缩装置的原理,从提高功率增益和小型化角度,在脉冲压缩装置中设计了一种3起端并联绕线的内置型高阻螺旋线结构。建立电路仿真模型和三维结构电磁场仿真模型,分析了高阻螺旋线特征参数对功率增益的影响。根据优化后的结果研制出紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置,经测试,前级输入脉冲宽度8 ns,功率1 GW时,输出脉冲宽度1.5 ns,功率3.7 GW,功率增益3.7。经过30万次运行考核,装置内部无滑闪和击穿现象,验证了设计可靠性。

形成线脉冲压缩技术在超宽谱技术中的应用

分析了基于同轴Blumlein线的高功率脉冲源对低阻抗短形成线充电、实现脉冲压缩的基本原理,给出了理想情况下,脉冲压缩后输出的高功率超宽谱脉冲电压、功率增益及能量效率计算公式。利用电路仿真软件建立了脉冲压缩电路模型,通过模拟验证了理论分析。模拟了实际主脉冲波形对输出脉冲的影响,结果表明:低阻抗压缩线充电时间变长、充电电压峰值降低;通过在前级脉冲源与脉压形成线之间增加一定长度传输线,可以有效提高压缩线充电电压。针对典型的同轴Blumlein线高功率脉冲源———紧凑Tesla型高功率脉冲源CKP-1000,设计了脉冲压缩装置和测量系统,建立了完整的脉冲压缩实验系统,开展了脉冲压缩试验。该脉压系统可将4.5ns输入脉冲压缩为前沿940ps、半高宽约1ns的亚纳秒脉冲,实现了约2.2倍的功率增益。实验数据与理论分析基本吻合。

高电压纳秒气体开关绝缘恢复特性的实验研究

气体开关绝缘恢复曲线中存在的＂平台现象＂,大大延长了开关的绝缘恢复时间,但其存在原因尚未取得共识。为此,结合GW级Tesla型ns脉冲源,在开关工作电压约220 k V情况下,研究了不同气压（0.1~7 MPa）的N2、H2、SF6 3种气体开关的恢复特性及稳定性。结果表明：对于N2、H2开关,随着气压的升高,开关恢复曲线中的＂平台现象＂逐渐减弱,当气压超过一定阈值后,开关＂平台现象＂消失;对于SF6开关,则不存在＂平台现象＂。可见对于N2、H2、SF6 3种气体＂平台现象＂产生的原因是不同的,同时Tesla型脉冲源对开关的＂平台现象＂也具有一定的影响。N2、H2、SF6气体绝缘恢复系数达到95%的最短时间分别为7.1 ms、0.68 ms、5.4 ms。

Chopping-peaking开关形成高功率超宽带双极脉冲的实验研究

设计研制了一种chopping peaking组合开关型高功率双极脉冲形成装置,通过调节两个开关的导通时刻来得到不同形状的双极脉冲。理想情况下,形成的双极脉冲电压峰 峰值等于入射脉冲峰值电压的2倍,实验中入射脉冲峰值电压为205kV的单极脉冲,获得了最大峰 峰电压为360kV的双极脉冲,是入射脉冲峰值电压的1.76倍。双极脉冲的持续时间可以改变,最大值为单极脉冲的脉宽。入射脉冲上升时间越小,得到的双极脉冲峰 峰电压就越大。

紧凑Tesla变压器型纳秒脉冲源

采用带有开路磁芯的Tesla变压器与单筒脉冲形成线一体化结构,研制了一台基于Tesla变压器的紧凑GW级纳秒脉冲源,该源包括一个40Ω脉冲形成线、内置Tesla变压器、初级电路及高压吹气主开关等,具有变比高、结构紧凑、能量传输效率高、便于重复频率运行等特点。给出了脉冲形成线、Tesla变压器和主开关等的工作原理、设计方法和模拟计算。实验结果表明,该脉冲源输出电压大于200kV,脉冲宽度约8ns,可以在重复频率100Hz、平均输出功率1GW情况下稳定运行,实验结果与理论设计相符。

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。

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。

高功率超宽带馈源设计与实验

针对大型抛物反射面天线中的高功率超宽带馈源,提出一种恒阻抗不平衡-平衡转换结构(巴伦)加切比雪夫渐变线TEM喇叭的馈源设计方法,采用数值模拟研究了其阻抗特性、传输特性与辐射特性,并进行了测试实验。结果表明:该种馈源结构在较小的体积下具有低反射、高带宽和高馈电效率的优点。该馈源已成功应用于大型高功率抛物反射面天线。

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。

不闭合磁芯的Tesla变压器初次级线圈电感估算

对具有不闭合磁芯的Tesla变压器磁路进行了研究,计算了Tesla变压器磁路中磁力线分布以及各处磁感应强度分布,结果表明:在磁芯所在位置,磁力线主要集中在磁芯内部;在内外筒磁芯之间,磁力线主要分布在初次级线圈以外磁芯两端之间的空隙中。实际的Tesla变压器漏磁较小,分析了在没有漏磁的理想情况下Tesla变压器不闭合磁芯对初、次级线圈电感的影响,并给出了初、次级线圈电感的估算公式,利用估计公式得出的结果与实际测量对比,误差范围在15%以内,该公式在Tesla变压器设计和参数估算时不失为一种简便易行的处理方法。

基于脉冲形成线充电的脉冲压缩技术

利用脉冲压缩技术,将具有一定初始电压的高阻抗长脉冲形成线对低阻抗短脉冲形成线充电到一定值时,其输出开关导通,在其后的传输线上可以产生高功率短脉冲。给出了脉冲压缩理论分析;前级脉冲驱动源采用GW级纳秒脉冲形成线,其特性阻抗为40Ω、电长度为3.9ns,输出脉冲宽度约8ns;研制了与前级脉冲驱动源匹配的脉冲压缩装置和变阻抗传输线,考虑到脉冲压缩装置低阻抗形成线绝缘击穿和开关导通限制,选取脉压装置形成线特性阻抗6.5Ω、电长度0.5ns。利用GW级纳秒脉冲驱动源开展了脉冲压缩实验,得到了输出功率增益达4倍左右的脉宽1.5ns高功率短脉冲,输出脉冲功率增益与理论值基本相符。

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。

2×5 GW级双路输出脉冲驱动源Tesla变压器研制

为实现2×5 GW级双路输出超宽谱高功率微波驱动源的小型化,研制了一种初级脉冲功率源——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.通过对Tesla变压器的理论分析,并根据简化的磁路模型得出了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.实验结果表明,Tesla变压器最大输出电压为880 kV,充电时间约为20 μts,耦合系数约为0.95,与理论值吻合较好.

4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究

利用峰值功率可达1GW的纳秒脉冲源CKP1000开展了4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究。使用trigatron作为触发开关,通过单路开关触发特性实验研究优化了开关的结构与工作参数,单路开关抖动0.2ns,建立了实验装置,实现了4路GW级纳秒脉冲源并联同步输出。同步实验结果为:纳秒脉冲源输出电压230kV,峰值功率1GW,脉冲宽度6ns,4路输出脉冲同步偏差95%以上概率分布在1ns以内,平均同步偏差630ps。

三谐振型高压脉冲发生器

Tesla型脉冲源在小型化设计中存在次级线圈绝缘压力大、形成线受磁心及线圈结构限制等问题,三谐振变压器可以有效解决以上问题,为此笔者研制了1台基于非闭合磁心的三谐振型高压脉冲产生装置。通过对三谐振脉冲变压器无损电路的分析,给出了在高耦合系数条件下采用第1峰进行充电的设计思路及方法。在已有GW级Tesla变压器基础上,研制了1台基于三谐振脉冲变压器的脉冲功率源。实验结果表明:系统最大工作电压约为280 kV,为次级线圈电压的1.6倍,输出脉宽2.7 ns。

在Delphi下调用并操控Fortran计算程序

介绍了利用Delphi与Fortran混合编程技术和多线程应用程序技术,在Delphi下调用并操控Fortran计算程序的方法。

全同轴型Marx发生器的研制与场路协同仿真

针对Marx发生器小型化的应用需求和快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程的实际情况,开展了全同轴结构Marx发生器的研制和场路协同仿真。Marx发生器采用基于环形电容器、环形开关、锥形隔离电感、轴心单边充电的全同轴结构方案,避免结构偏心带来的局部场增强效应。在CST软件中建立了Marx发生器实际结构模型,利用时变材料和场路协同仿真功能实现了充放电过程的动态仿真,仿真结果显示出快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程。据此可以对绝缘设计进行优化,并分析结构参数对输出脉冲的影响。研制的5级Marx发生器体积小于0.015 m 3,可在10μs内充电至88 kV,对40Ω传输线输出峰值电压210 kV的高压脉冲,峰值功率约1.1 GW,脉冲前沿5.3 ns,半高宽11.2 ns。