高功率超宽带电磁脉冲技术

高功率超宽带电磁脉冲源对许多应用 ,如冲击脉冲雷达、探测地雷、微波武器等是十分重要的。本文评述在快速高压开关和超宽带天线发展中的最新进展 。

高功率微波电磁脉冲对铁路PCB类设备的危害影响及防护措施研究

随着我国铁路朝着电气化和信息化方向不断发展,各种由精密PCB设计集成的电力电子设备广泛应用于各种强弱电系统,当这些设备遭受高功率微波等强电磁脉冲武器照射攻击时,若自身防护能效不足,则会导致设备出现异常状态,直接或间接地影响行车安全。文章通过建模仿真分析高功率微波电磁脉冲对铁路PCB设备的辐射影响和危害评估,并从工程角度提出了一些针对铁路PCB设备应对强电磁冲击的防护建议。

0.5~2.5 GHz超宽带高功率功率放大器设计

本文首先对NXP半导体公司生产的MMRF5014H射频功率氮化镓晶体管进行源牵引和负载牵引获取晶体管的源阻抗和负载阻抗,再采用切比雪夫阻抗变换器进行阻抗匹配,设计了一款工作频率在0.5~2.5 GHz范围内的超宽带、高功率、高增益的功率放大器。仿真结果显示:在工作频带内饱和输出功率范围为50.09 dBm(102.1 W)~51.53 dBm(142.1 W),增益范围为10.09~11.66 dB,功率附加效率为49.61%~65.08%。

0.2~2.0GHz100W超宽带GaN功率放大器

设计并实现了一款基于0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的100 W超宽带功率放大器。基于SiC无源工艺设计了集成无源器件(IPD)输入预匹配电路芯片;设计了基于陶瓷基片的T型集成输出预匹配电路;基于建立的传输线变压器(TLT)的精确模型,设计了宽带阻抗变换器,在超宽频带内将50Ω的端口阻抗变换至约12.5Ω,再通过多节微带电路与预匹配后的GaN HEMT芯片实现阻抗匹配。最终,以较小的电路尺寸实现了功率放大器的超宽带性能指标。测试结果表明,功率放大器在0.2~2.0 GHz频带内,在漏极电压36 V、输入功率9 W、连续波的工作条件下,输出功率大于103 W,漏极效率大于50%,输入电压驻波比(VSWR)≤2.5。

超宽带高功率脉冲对裸导线的耦合特性分析

针对裸露导线面临的电磁干扰问题,基于时域有限差分法(finite-difference time-domain,FDTD),利用CST模拟仿真了超宽带高功率脉冲(ultra-wide band high power pulse,UWBHPP)对裸露导线的耦合响应特性。首先,基于FDTD算法,对沿水平方向铺设的裸露导线进行建模;其次,计算了不同超宽带高功率脉冲垂直辐照离地10 cm的裸露导线时,不同长度裸露导线耦合信号的结果;最后,分别分析了裸露线缆耦合电压峰值及耦合电压上升沿与线缆长度的关系。仿真结果表明:裸露导线的耦合电压峰值先随线缆长度的增加而增加,最终趋于稳定;耦合电压的上升沿随线缆长度的增加也会趋于稳定;相近脉冲宽度、不同上升沿的UWBHPP信号对耦合信号影响较小,相近上升沿、不同脉冲宽度的UWBHPP信号对耦合信号影响较大。仿真结果可为线缆的电磁防护设计提供了参考。

宽带高抑制性能电磁脉冲防护电路设计与实验

强电磁脉冲易通过天线、孔缝、线缆等多种耦合途径进入电子系统内部,造成敏感电子设备出现短暂故障或永久损毁。安装电磁脉冲防护电路可有效提高电子设备抗强电磁脉冲能力。基于LC选频网络和瞬态电压抑制(TVS)二极管,设计了一种宽带高抑制性能电磁脉冲防护电路,防护电路工作带宽超过2 GHz、插入损耗低于0.6 dB。系统性研究了防护电路对频谱分布在工作带宽内多种电磁脉冲(方波脉冲、宽带高功率微波、窄带高功率微波)的防护能力。结果表明:防护电路对不同类型电磁脉冲电压抑制比大于40 dB、耐受功率超过387 kW、而响应时间仅0.7 ns。该防护电路具有工作频带宽、电磁抑制性能好、响应速度快、耐受功率高等特点,对电子信息系统电磁防护加固具有重要意义。

高功率超宽带组合天线的设计与实验

为满足高功率纳秒脉冲的发射需求,设计了一种适用于高功率微波的超宽带组合天线,对比了将点馈式巴伦和直馈式巴伦应用于高功率超宽带组合天线后天线的驻波曲线和表面电场分布情况,分析了组合天线阻抗与尺寸的关系,利用Klopfenstein阻抗渐变线降低反射,利用可调平板调整天线磁偶极子面积以提升天线低频性能,并通过驻波测试实验加以验证。在此基础上,进行了高功率微波实验,在全底宽3 ns、峰-峰值121 kV、中心频率329 MHz高功率双极脉冲的激励下,可实现功率容量73 MW,有效电压增益1.97。

基于脉冲耦合的超宽带高功率电脉冲源

以固态半导体器件为基础,基于超快电子学中的晶体管雪崩导通理论,利用脉冲耦合原理,在时域上将多路高压皮秒脉冲耦合输出,获得了超宽带高功率脉冲。通过四路脉冲耦合实验验证了该设计思路的可行性,提高了输出脉冲功率。实验中,单路高压皮秒脉冲的幅度为1.33kV,宽度为770ps,峰值抖动≤1%,脉宽抖动≤1%,四路脉冲耦合后,输出脉冲幅度为2.66 kV,宽度为875 ps,峰值抖动≤1%,脉宽抖动≤1%。该方法可以推广至多路脉冲耦合,获得更高的功率。

基于光电导开关的高功率超宽带微波脉冲产生技术

光控光电导开关因其具有传统高功率脉冲器件所不具有的优良特性 ,在产生高功率微波脉冲领域具有很大的发展潜力。利用光控光电导开关可以直接从直流电源产生高功率的微波脉冲。本文首先介绍了光控光电导开关的结构和两种不同的工作模式 ,以及它在不同工作模式下的工作特性 。

超宽带高功率脉冲辐射源的初步研究

超宽带高功率脉冲辐射源是高功率微波武器的一种,利用高能微波能对无线电、雷达系统、通讯系统、计算机系统甚至电力系统等设施进行破坏。本文介绍了辐射源的研究现状、结构和气体开关的工作原理,并通过对辐射源干扰微机的实验数据进行分析,结果表明:超宽带高功率脉冲辐射源对微机有一定的干扰作用。

超宽带电磁脉冲在冲激雷达中的应用及发展

文章概述了超宽带电磁脉冲的特点,简要描述了超宽带电磁脉冲的发展方向,介绍了几种典型的基于气体开关的超宽带电磁脉冲发生器。固态开关的发展,为超宽带电磁脉冲发生器提供了新的技术途径,文章介绍了基于固态开关的典型脉冲源。简要阐述了功率合成的特点和方法,固态开关的高稳定性能使其在功率合成方面显示了较好的效果。简要介绍了国内外典型的冲激雷达系统。分析了冲激雷达对超宽带电磁脉冲源的要求,给出基于不同固态开关的高功率电磁脉冲源方案,最后对冲激雷达脉冲源的发展进行了展望。

高峰值电压长寿命超宽带时域信号源

设计了一款基于雪崩晶体管和Marx电路的超宽带(UWB)时域信号源,其具有较高的峰值电压、较快的上升沿、较窄的半脉宽、较高的重频、较长的寿命等特点。通过8路功率合成的方法,在电路成本较低的前提下,改善了输出电压饱和的问题,提高了信号源的输出电压。通过晶体管并联技术,在高峰值电压输出的情况下,提高了信号源的寿命。最终信号源实现了峰值电压10 kV,上升沿183 ps,半脉宽750 ps。在重频为20 kHz下,可以连续工作超过45 min。该信号源可用于对目标的探测、干扰、攻击和物质处理等领域。

无人机宽带高功率电磁脉冲易损性分析

针对无人机宽带高功率电磁脉冲易损性问题,以四旋翼无人机为研究对象,对其结构、功能进行分析,利用电磁敏感机理对接收机进行了敏感度分析,利用场线耦合进行了负载50Ω终端响应电压计算,进行了易损性计算,得到了场强、重复频率与毁伤概率的关系。利用系统级效应试验得到了3种电磁脉冲源作用下的毁伤阈值。研究表明:最易受到干扰毁伤的部件为接收机和GPS,重复频率增加,场强阈值降低,毁伤概率增大。

2~18GHz超宽带GaN分布式功率放大器MMIC

介绍了一款基于0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的2~18 GHz超宽带功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。采用两级非均匀分布式拓扑结构,通过调整各级管芯输出阻抗和微带线阻抗实现超宽带的功率匹配。在管芯前端增加电阻、电容并联结构,提升各级电路稳定性并提高截止频率。为改善整体电路布局,在前级和末级放大器之间加入50Ω微带线,既可便于单侧加电,又使芯片尺寸更加合理。测试结果表明,功率放大器MMIC在2~18 GHz频带内,连续波饱和输出功率达到10 W,功率增益大于15 dB,功率附加效率大于20%。GaN非均匀分布式功率放大器MMIC在超宽带、高功率等方面具有广阔的应用前景。

电子设备和系统射频通道高功率微波电磁脉冲场—路综合防护方法综述

高功率微波电磁脉冲辐射可以通过多种耦合途径进入敏感电子设备和系统,导致严重的干扰、扰乱甚至损坏,特别是通过天线耦合进入射频通道的电磁脉冲会破坏敏感器件。给出几种针对天线耦合的空间电磁脉冲场防护以及电路中敏感器件的电磁脉冲路防护新方法,探讨敏感系统的电磁脉冲场—路综合防护设计方法。利用专门设计的防护表面和防护模块,分别在天线前端对空间的电磁脉冲场和天线后端电路中的电磁脉冲电压或电流进行抑制,保护电路中的敏感模块免遭损坏,增加的场—路综合防护对工作信号的衰减控制在允许的范围之内。通过原理样件的测试表明,防护方法对带内和带外的高功率微波电磁脉冲具有良好的防护效果。

同轴高功率超宽带功分器研究

运用同轴结构,研制出高功率超宽带功分器,采取先阻抗变换,再功分的形式,以简化机械加工难度。运用高频仿真软件进行仿真分析,研制出一分为二和一分为四的功分器,再组合成为一分为八的功分器,高压实验表明该功分器能耐高压,驻波测试表明阻抗匹配较好,从测量的传输参数可以看出输出各端口幅度一致性较好。证明了该高功率超宽带功分器可以用作实际的高功率天线阵列。

阵馈抛物柱面天线合成超宽带高功率微波

在时域推导了超宽带脉冲空间功率合成的条件,得到了多路脉冲信号在极化方向相同,幅度、波形一致的条件下,可实现最大化功率输出的结论。基于此提出了一种阵馈的抛物柱反射面天线。采用10喇叭单元叠状排列形成一维馈源阵列放置于焦线上,照射抛物柱反射面后形成相干脉冲,在主轴方向合成超宽带高功率微波波束。仿真结果表明,该阵馈天线较最优口径的单馈源天线,远场辐射功率密度提高了87倍以上,且波束宽度由66°减为8°,实现了超宽带高功率微波的高效空间功率合成。

高功率脉冲微波和电磁脉冲辐照对心肌细胞膜电穿孔效应及机理的研究

电磁辐射可造成人体多器官系统的损伤。对其损伤的病理机制至今尚未完全阐明。心脏是电磁辐射损伤的敏感器官之一。本实验拟通过研究HPPM和EMP对心肌细胞的影响,探讨电磁辐射致伤的关键机制,解释脉冲电磁场致心肌细胞损伤的发展规律。本实验采用HPPM和EMP辐照原代培养心肌细胞的方法,用原子力显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、流式细胞仪和全自动生化检测仪等多种实验手段,检测辐照对细胞膜形态、结构和功能的影响。结果发现HPPM和EMP辐照后,心肌细胞搏动减慢,形态异常,活力下降,凋亡和坏死率明显增加。细胞膜出现数量不等、大小不一的电穿孔,细胞膜通透性丧失,结构破坏,细胞培养液中Na+、K+、Ca2+、Cl-、Mg2+、Ca2+和无机磷离子浓度显著升高(P<0.01),细胞内Ca2+浓度显著降低(P<0.01)。结果提示心肌细胞是电磁辐射损伤的敏感细胞,脉冲电磁场可致心肌细胞膜电穿孔,细胞形态、结构和功能均受到严重损伤。电穿孔效应是解释电磁辐射非热效应的关键机制之一。电穿孔导致的细胞膜通透性和膜结构改变存在一定发展规律。

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。

超宽带高功率同轴旋转关节

设计了一种高功率同轴旋转关节,通过一系列优化设计,解决了高压绝缘、高压气体动密封技术及承载等问题。分别对旋转关节的力学特性、环境温度适应性、瞬态脉冲传输效率及功率容量进行了实验研究。结果表明:关节的机械旋转及密封结构满足内压2MPa的使用要求,所选材料在-15～50℃温度范围内能够正常工作;对于3ns的瞬态脉冲,其动态电压传输效率为99.14%;可以稳定传输峰值功率50GW、重复频率100Hz、连续作用时间60s的高功率超宽谱脉冲。该装置已成功应用于超宽带车载系统。