一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器的製造方法
2023-07-23 02:24:21 1
一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器，由環形開關、四分之一波長同軸振蕩腔和耦合器組成；通過對四分之一波長振蕩器特性阻抗、開關、微波輸出形式、高壓脈衝饋入方式以及結構的特別設計，產生高功率寬譜微波振蕩，通過耦合器饋入到天線上，通過天線輻射在空間產生高功率寬譜微波輻射；本實用新型採用同軸耦合輸出結構，可以阻斷充電電壓直接加到天線，從而降低天線功率容量的設計難度；同時通過對耦合器的合理設計可以調節諧振器的Q值。採用同軸直饋方式，使得充電內杆可同時作為開關的電極，開關導通同時即將諧振腔封閉，避免了國際上同類寬譜諧振器從側面充電造成微波洩露的不足，結構更為簡單緊湊。
【專利說明】一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及高功率微波【技術領域】，具體是指一種高功率寬譜四分之一波長開 關振蕩器。
【背景技術】
[0002] 從高功率微波的效應角度來看，窄譜HPM和超寬譜HPM各有特點：窄譜高功率微 波頻譜功率密度高，僅針對已知工作頻率的效應目標具有很好效果；而超寬譜微波對未 知工作頻率或者變頻工作的效應目標可以完整覆蓋，但功率密度較小，效應閾值需要非常 高的瞬時功率。正是針對以上窄譜和超寬譜微波優、劣勢的比較，提出了介於窄譜與超寬 譜之間，並且兼顧兩者優勢的寬譜高功率微波概念。圖1為典型效應物內部與四個方向 照射平面波的耦合係數曲線，可以看出，耦合係數在頻率大於1GHz範圍內都比較小，而在 100MHz - 800MHz頻率範圍內都比較高，圖中也給出了三種電磁脈衝的頻譜分布，其中寬譜 微波不僅覆蓋了耦合係數較高的區域，而且具有較高的譜功率密度。
[0003] 高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器用來產生高功率寬譜微波，它由環形開關、 四分之一波長同軸振蕩腔、耦合器所組成。其中環形開關位於同軸內芯與外筒之間，環形開 關的內芯一端接高壓脈衝，一端接四分之一波長同軸振腔的內筒；四分之一波長同軸振蕩 腔設計為低阻抗結構，用來實現對饋入高功率能量的儲存；耦合器位於同軸振蕩腔與輸出 同軸線之間，其作用是調節四分之一波長同軸振蕩腔的Q值，並隔離高壓充電脈衝直接加 到輻射天線上。
[0004] 目前國內外同類技術多屬於概念設計，產生功率較低，開關為單點導通，多採用 在振蕩腔側面充電，振蕩腔與同軸輸出線直接相聯，充電時1?電壓同時加載在天線和饋線 上，不利於天線的功率容量設計。 實用新型內容
[0005] 本實用新型的目的是提供一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器，解決目前國 際上傳統寬譜諧振器側面充電和充電時天線也同時加載高壓的難題，實現了輸出脈衝帶寬 可通過設計耦合器耦合係數來控制，可實現高功率寬譜微波輸出
[0006] 本實用新型採用的技術方案：一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器，由環形 開關、四分之一波長同軸振蕩腔和耦合器組成；所述環形開關內部設置有一根同軸內芯，所 述同軸內芯一端與脈衝功率源同軸結構連接，另一端連接四分之一波長振蕩腔的同軸輸入 端；所述耦合器內設置有耦合同軸內芯，耦合同軸內芯的一端連接四分之一波長振蕩腔的 同軸輸出端，另一端為f禹合輸出端。
[0007] 在上述技術方案中，所述同軸內芯的輸入端設置有若干個連接點，每一個連接點 上設置有密封圈和環形金屬片。
[0008] 在上述技術方案中，所述環形開關與四分之一波長同軸振蕩腔連接處設置有緊固 螺釘，所述緊固螺釘的位置可調。
[0009] 在上述技術方案中，所述耦合器的外殼為錐形結構。
[0010] 在上述技術方案中，所述耦合器內設置有集中電容，所述集中電容設置在耦合同 軸內芯與四分之一波長同軸振蕩腔的輸出端之間。
[0011] 在上述技術方案中，所述環形開關、四分之一波長同軸振蕩腔和耦合器的內部均 為密封腔體，且腔體之間相通，且腔體內充有高壓絕緣氮氣。
[0012] 在上述技術方案中，所述四分之一波長同軸振蕩腔的輸入端與輸出端的位置均為 同軸水平設置。
[0013] 在本方案中，高功率寬譜振蕩器可以工作在200MHz?800MHz，從左邊饋入的高功 率脈衝，對四分之一波長同軸振蕩腔充電，設計充電到峰值電壓時，環形開關導通，產生一 個階躍脈衝向耦合器端傳播，經耦合器和環形開關的來回反射形成諧振，同時通過耦合器 與同軸輸出端輸出衰減振蕩的寬帶脈衝，最後振蕩脈衝由同軸傳輸線饋入到天線輻射。為 了實現高功率寬譜微波產生，根據國內外同行同類技術存在的優缺點，採用了同軸饋入、多 通道開關導通和耦合輸出的技術路線。以往同類技術路線多採用側饋、單通道開關和同軸 諧振腔與天線直接相連的方式。這種技術路線適用於較低功率的寬譜微波產生，當功率提 高時，側方充電饋入口必需開較大的尺寸，否則會產生高壓打火。但較大的饋入口，會產 生寬譜微波洩漏；同時較大的饋入口會影響開關電場分布，不利於開關的穩定導通；開關 單點導通會產生較大的通道電感和電阻不利於較高頻率寬譜微波的產生；同軸諧振腔直接 與天線相連，使得充電電壓直接加到天線上，不利於天線的絕緣設計。為了解決高功率寬譜 微波的產生，系統總體設計採用同軸饋入，饋入同軸內芯作為環形開關的高壓電極。設計多 通道開關導通，便於減小通道開關電感和增大諧振腔儲能；採用集中電容與分布電感相結 構的稱合器設計，防止充電高壓直接加到天線上，減輕天線的絕緣設計難度。在諧振腔與天 線之間引入耦合器，可在保持同軸諧振器和天線的阻抗固定的情況下，可以通過設計耦合 器的散射係數，得到不同帶寬的寬譜微波。
[0014] 在本方案中，環形開關設計為同軸結構，開關內芯左邊接高壓充電桿，右邊接四分 之一波長振蕩腔。當充電電壓上升到一定幅度時，環形開關的環形地電極與同軸內芯高壓 電極導通，環形開關的結構保證實現多通道導通。通過精細加工及安裝可以保證環形開關 的同心度。開關腔內充高氣壓的絕緣氮氣，採用氮氣有利於開關以較高重頻運行和增加環 形開關的導通電壓。通過調節氣壓及開關間距，可以實現較好的多通道導通，多通道導通可 以降低開關電感，以利于振蕩器工作在較高的頻率。環形開關的另一個用用是當振蕩器產 生振蕩後，開關導通後產生的較小的間隔可以阻斷振蕩微波向左洩漏到脈衝源一端，有利 於提高寬譜微波產生效率。
[0015] 在本方案中，採用低阻抗四分之一波長同軸傳輸線設計，考慮到環形開關的導通 電感及同軸結構的端頭效應，同軸諧振器的實際長度要稍小於四分之一寬譜微波中心頻率 對應波長的長度。設計時同軸諧振腔的電容要與脈衝功率源的輸出電容相匹配設計，以期 達到較高的充電效率；在同軸諧振腔的特性阻抗設計時還要考慮腔內的功率容量和電場分 布。要求諧振腔內不產生高壓放電，同時要求諧振腔內的電場強度要明顯小於環形開關處 的電場強度，以確保導通放電產生於開關處。同軸諧振腔內採用高壓氣體絕緣，諧振腔與環 形開關腔相通。
[0016] 本方案中，耦合器採用集中電容與分布電感相結合設計方案，集中電容由絕緣材 料介質塊提供，分布電感由錐形同軸結構的外筒與內芯提供。利用了電容高通與電感低通 的特性，根據所產生的寬譜微波頻率和帶寬要求，優化設計集中電容與分布電感的結構參 數。可以在所要求的帶寬內，實現較為平坦的耦合輸出，同時對於帶寬以外的低頻產生較大 的抑制作用。
[0017] 綜上所述，由於採用了上述技術方案，本實用新型的有益效果是：本實用新型的 開關振蕩器低阻抗、諧振充電效率高、採用環形多通道開關設計，以減小開關導通電感和電 阻，使諧振器可以振蕩在較高頻率、採用同軸耦合輸出結構，可以阻斷充電電壓直接加到天 線，從而降低天線功率容量的設計難度；同時通過對耦合器的合理設計可以調節諧振器的 Q值；採用同軸直饋方式，使得充電內杆可同時作為開關的電極，開關導通同時即將諧振腔 封閉，避免了國際上同類寬譜諧振器從側面充電造成微波洩露的不足，結構更為簡單緊湊。 將高功率容量設計與諧振器的低阻抗要求相結合，優化了腔內電場分布，可實現較高功率 的寬譜振蕩重頻脈衝輸出，並在應用實驗中穩定運行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 本實用新型將通過例子並參照附圖的方式說明，其中：
[0019] 圖1是本實用新型的結構示意圖；
[0020] 圖2是輸出寬譜脈衝波形；
[0021] 圖3是輸出寬譜脈衝頻譜；
[0022] 圖4是S21曲線；
[0023] 圖5是振蕩器輸出電壓波形。
【具體實施方式】
[0024] 本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥 的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0025] 如圖1，本實用新型所述的開關振蕩器主要包括三個部分，即環形開關、四分之一 波長同軸諧振腔和耦合器，環形開關的腔體外殼通過緊固螺栓5與脈衝功率源的同軸外殼 1連接在一起，為了隔離脈衝功率源與環形開關內的腔體，在兩者之間設置有一塊絕緣支撐 4,同時在絕緣支撐4與外殼之間再設置有密封圈3,徹底實現脈衝功率源與環形開關腔的 氣體隔離；同時與脈衝功率源的連接採用同軸結構內芯2,並與環形開關的同軸內芯連接， 環形開關的同軸內芯的連接處設置有若干個連接點，每一個連接點上都設置有環形金屬片 6和密封圈7,環形金屬片6的作用是確保旋轉同軸內芯螺杆時，不會帶動密封圈7同時 轉動，以確何密封圈7不會被損壞，而密封圈7是實現脈衝功率源饋入端與環形開關腔之 間氣體密封隔離，防止高壓氣體洩露到脈衝功率源一側；在環形開關與四分之一波長同軸 諧振腔之間設置有緊固螺釘8,其功能是連接環形開關腔同軸外筒與不同開關半徑的環形 開關地電極9,實現環形開關間距的調節；環形開關地電極9設置在四分之一波長同軸諧振 腔的外筒10與內筒11之間，四分之一波長同軸諧振腔的外筒10通過緊固螺銓14與耦合 器連接，在連接處設置有密封圈13,用來實現諧振腔與耦合器同軸外筒連接處的氣體密封； 在四分之一波長同軸諧振腔的輸出口設置集中電容12,承擔實現諧振器產生的寬譜微波耦 合輸出的功能外，還具有絕緣支撐和實現環形開關同心的作用；在集中電容12上設置有耦 合器同軸內芯15,其功能是與稱合器外筒16-起實現組成稱合器的分布電感，分布電感與 集中電容一起實現寬譜微波f禹合輸出的功能；f禹合器的外筒16為錐形結構，f禹合器的輸出 端設置有絕緣支撐17,其功能是實現耦合器的同軸結構支撐和實現耦合器與天饋系統之間 的氣體隔離，防止諧振腔內的高壓氣體洩漏到天饋系統中。
[0026] 本實用新型中通過對振蕩器特性阻抗和耦合器的優化設計，可得到較大的功率產 生效率，產生的寬譜振蕩波形及頻譜如圖2和圖3所示，圖2為模擬中充電電壓IV時產生的 寬譜脈衝電壓波形，波形為幅值指數衰減的振蕩脈衝，脈衝峰值約為充電電壓的〇. 86倍， 圖3為輸出寬譜脈衝的歸一化頻譜，中心頻率為305MHz，百分比帶寬為21%。耦合器的S21 曲線如圖4所示。在200MHz?800MHz耦合輸出曲線較為平坦，在0?200MHz低頻，微波 輸出得到明顯的仰制。電場主要集中於環形開關處，開關處電場強度是其他區域的兩倍以 上，確保擊穿發生在開關處。通過輸出同軸線內筒的電容分壓器監測諧振器的輸出脈衝，圖 5為電壓分壓器測得的輸出寬譜脈衝波形，中心頻率304MHz，帶寬25%
[0027] 本實用新型並不局限於前述的【具體實施方式】。本實用新型擴展到任何在本說明 書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組 合。
【權利要求】
1. 一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器，其特徵在於由環形開關、四分之一波長 同軸振蕩腔和耦合器組成；所述環形開關內部設置有一根同軸內芯，所述同軸內芯一端與 脈衝功率源同軸結構連接，另一端連接四分之一波長振蕩腔的同軸輸入端；所述耦合器內 設置有f禹合同軸內芯，f禹合同軸內芯的一端連接四分之一波長振蕩腔的同軸輸出端，另一 端為f禹合輸出端。
2. 根據權利要求1所述的一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器，其特徵為所述同 軸內芯的輸入端設置有若干個連接點，每一個連接點上設置有密封圈和環形金屬片。
3. 根據權利要求2所述的一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器，其特徵為所述環 形開關與四分之一波長同軸振蕩腔連接處設置有緊固螺釘，所述緊固螺釘的位置可調。
4. 根據權利要求1所述的一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器，其特徵為所述耦 合器的外殼為錐形結構。
5. 根據權利要求4所述的一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器，其特徵為所述耦 合器內設置有集中電容，所述集中電容設置在耦合同軸內芯與四分之一波長同軸振蕩腔的 輸出端之間。
6. 根據權利要求1所述的一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器，其特徵為所述環 形開關、四分之一波長同軸振蕩腔和耦合器的內部均為密封腔體，且腔體之間相通，且腔體 內充有高壓絕緣氮氣。
7. 根據權利要求1所述的一種高功率寬譜四分之一波長開關振蕩器，其特徵為所述四 分之一波長同軸振蕩腔的輸入端與輸出端的位置均為同軸水平設置。
【文檔編號】H01P7/04GK203839499SQ201420201708
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年4月24日 優先權日:2014年4月24日
【發明者】廖勇, 徐剛, 謝平, 張晉琪, 陸巍 申請人:中國工程物理研究院應用電子學研究所