CN106299579A - 直线型开关阵列微波振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线型开关阵列微波振荡器结构，包括传输线外筒、圆筒状电极、气体火花开关、中轴支撑杆、开关绝缘底座、环形绝缘支撑套筒等部分构成，同轴传输线的内导体由多级圆筒状电极级联构成，每相邻两段圆筒状电极之间即构成一级气体火花开关，开关电极为环形结构，腔体内部填充氮气、六氟化硫或者两者的混合气体，可稳定形成多通道放电；同轴传输线内导体通过中轴支撑杆、开关绝缘底座环形绝缘支撑套筒固定在传输线外筒的轴心处；本发明实现中心频率为几百MHz～几GHz，峰值功率为几百MW～几GW，重复频率可达几十Hz～1kHz的高功率微波产生，而且中心频率和脉冲宽度可以调节，解决高功率、可重频微波产生装置的技术难题。

Description

直线型开关阵列微波振荡器

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，尤其是涉及一种直线型开关阵列微波振荡器结构。

背景技术

微波振荡器是高功率微波辐射系统的最关键部件，其性能直接影响到系统的辐射特性，随着高功率微波辐射装置向着高功率、高重频、机动式发展，因此要求微波振荡器具备高功率、低阻抗、高重频、高可靠性等特性。

直线型开关阵列微波振荡器是产生高功率微波辐射的有效途径之一，利用非线性元件的色散效应，可直接将馈入的高压长脉冲转换为射频脉冲输出。与传统的HPM装置相比优势在于它无需驱动电子束、约束磁场系统和真空系统。相对于一般的非线性传输线，直线型开关阵列微波振荡器的功率容量更高。通过设置传输线长度、开关极间电容等参数，可实现输出电磁脉冲中心频率的调节，通过增减开关阵列的级数，实现对输出射频脉冲宽度的调控。

发明内容

要解决的技术问题

针对现有高功率微波产生装置的结构复杂、参数调节困难、重频低、功率低等问题，本发明提供了一种直线型开关阵列微波振荡器。该微波振荡器能够产生功率为几百MW～几GW，中心频率为几百MHz～几GHz的高功率射频脉冲，重复频率可达几十Hz～1kHz，而且可灵活的调节中心频率和脉冲宽度。

技术方案

一种直线型开关阵列微波振荡器结构，包括传输线外筒、圆筒状电极、气体火花开关、中轴支撑杆、开关绝缘底座、环形绝缘支撑套筒等部分构成，同轴传输线的内导体由多级圆筒状电极级联构成，每相邻两段圆筒状电极之间即构成一级气体火花开关，开关电极为环形结构，腔体内部填充氮气、六氟化硫或者两者的混合气体，可稳定形成多通道放电；同轴传输线内导体通过中轴支撑杆、开关绝缘底座环形绝缘支撑套筒固定在传输线外筒的轴心处；利用本发明可以构建出具有高功率容量的直线型开关阵列微波振荡器具体结构，实现中心频率为几百MHz～几GHz，峰值功率为几百MW～几GW，重复频率可达几十Hz～1kHz的高功率微波产生，而且中心频率和脉冲宽度可以调节，解决高功率、可重频微波产生装置的技术难题。

具体结构如下：

一种直线型开关阵列微波振荡器，其特征在于采用同轴型传输线结构，包括传输线外筒、圆筒状电极、开关绝缘底座、中轴支撑杆、环形绝缘支撑套筒、充气接口、D-dot测试探头、输入端口以及输出端口；开关绝缘底座采用螺纹方式套在中轴支撑杆上，圆筒状电极采用螺纹方式套在开关绝缘底座上，每相邻两个圆筒状电极构成一级气体火花开关，环形绝缘支撑套筒为圆台结构，内环套在两端的圆筒状电极上，外环与传输线外筒的内壁固定，在传输线外筒、圆筒状电极和环形绝缘支撑套筒之间形成的腔体内填充绝缘气体，在传输线外筒上两个环形绝缘支撑套筒之间设有充气接口，输入端口和输出端口位于传输线外筒的两端，输入端口连接脉冲驱动源，输出端口通过过渡传输线连接辐射天线，在输出端口处设有D-dot测试探头。

两端的圆筒状电极与环形绝缘支撑套筒的内环之间设有径向密封槽，径向密封槽内安装有O型圈。

传输线外筒与环形绝缘支撑套筒的外环之间设有轴向密封槽，轴向密封槽内安装有O型圈。

所述D-dot电压测试探头采用密封结构的SMA接口。

所述的中轴支撑杆采用尼龙、有机玻璃、聚四氟乙烯或聚乙烯的绝缘材料。

所述环形绝缘支撑套筒内、外表面为多种圆弧配合形成的波纹槽。

所述开关绝缘底座外表面具有多种圆弧配合形成的波纹结构。

所述的绝缘气体为氮气、六氟化硫或者两者的混合气体。

有益效果

本发明提出的一种直线型开关阵列微波振荡器结构，有益效果：

1.同轴型传输线内导体的结构设计，采用多段圆筒状电极级联而成，每相邻两个圆筒状电极之间构成一个气体火花开关，为了增加沿面闪络电压，在每段圆筒状电极内部都安装一级开关绝缘底座，开关绝缘底座的外表面配有多种圆弧配合形成的波纹结构，内部通过螺纹与中轴绝缘支撑连接，从而使传输线内导体固定在传输线外筒的轴心处。

2.气体火花开关呈现紧凑的同轴结构，加工、装配简单，而且能够形成多通道放电，降低火花电感和电阻，减少电极烧蚀，提高长时间运行稳定性。

3.直线型开关阵列微波振荡器结构简单，通过调整圆筒状电极的长度、截面面积、相邻圆筒状电极的距离以及同轴型传输线阻抗，实现输出脉冲频率的调节。另外，可通过增减圆筒状电极的数量，实现对输出射频脉冲宽度的调控。

4.当输入高功率脉冲时，在直线型开关阵列微波振荡器内部产生两个并行过程，首先是非线性过程，气体火花开关可等效非线性电感和电阻，使输入脉冲的前沿产生突变的冲击波前；第二个过程是色散过程，由开关极间电容、火花电感、火花电阻和传输线构成独特色散关系，电磁脉冲在传播过程中激励出的振荡电磁脉冲群速低于相速度，能量以振荡电磁波形式释放，至此调制出高频振荡电磁脉冲。为了实现更高功率容量，在腔体内部填充高压绝缘气体。

附图说明

图1是直线型开关阵列微波振荡器整体剖面图；

图2是直线型开关阵列微波振荡器输入及输出波形；

图3是宽带天线辐射波形的频谱图；

其中：1是传输线外筒；2是圆筒状电极；3是气体火花开关；4是开关绝缘底座；5是中轴支撑杆；6是环形绝缘支撑套筒；7是充气接口；8是D-dot测试探头；9是输入端口；10是输出端口。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参见图1，示出了直线型开关阵列微波振荡器的整体剖面图，图2示出了直线型开关阵列微波振荡器的输入及输出波形。

一种直线型开关阵列微波振荡器，包括传输线外筒1，以及传输线外筒1内部的圆筒状电极2、气体火花开关3、开关绝缘底座4、中轴支撑杆5、环形绝缘支撑套筒6、充气接口7、D-dot电压测试探头8、输入端口9和输出端口10，所述直线型开关阵列微波振荡器整体呈现出同轴型传输线结构，所述传输线外筒充当外导体，传输线内导体由多级所述圆筒状电极级联构成，每相邻两个所述圆筒状电极之间构成一级所述气体火花开关。借助于所述开关绝缘底座、所述中轴支撑杆和所述环形绝缘支撑套筒，将所述圆筒状电极固定在同轴型传输线的中轴处，所述传输线外筒表面装配有所述充气接口和所述D-dot电压测试探头，在所述传输线外筒的两端各配有轴向密封槽，所述密封槽内装有O型圈。

所述传输线外筒配有充气接口7，在所述传输线外筒的末端处配有D-dot电压测试探头8，所述D-dot电压测试探头采用密封结构的SMA接口，另外，在所述传输线外筒的首末两端各配有一个轴向密封槽，在所述密封槽内部配有O型圈。

所述圆筒状电极2的多级级联结构，即构成了气体火花开关阵列，所述圆筒状电极具有截面为半圆形、椭圆形、矩形或者三角形的环形结构，以通过场畸变方式形成多通道放电，所述圆筒状电极通过内螺纹与开关绝缘底座连接，首、末两端的圆筒状电极外表面各配有径向密封槽，所述密封槽内装有O型圈，通过与所述环形绝缘支撑套筒配合实现径向气体密封。

所述开关绝缘底座4呈现圆环结构，外表面配有多种圆弧配合形成的波纹结构，以提高沿面闪络电压，所述开关绝缘底座分别通过内、外螺纹，分别于所述中轴支撑杆和所述圆筒状电极紧密配合，优选地，开关绝缘底座可选用尼龙、有机玻璃、聚四氟乙烯、聚乙烯等绝缘材料。

所述中轴支撑杆5外表面配有螺纹，与所述开关绝缘底座连接，所述中轴支撑杆5紧固的两端通过外螺纹与所述首、末端圆筒状电极连接，中轴支撑杆采用绝缘材料，优选地，可选用尼龙、有机玻璃、环氧等高介电常数且高强度的绝缘材料，通过外螺纹分别与所述开关绝缘底座和所述首、末端圆筒状电极配合，将所述中轴支撑杆固定在所述传输线外筒的轴心处。

所述环形绝缘支撑套筒6为圆台状，内、外表面为多种圆弧配合形成的波纹槽，以提高沿面闪络电压，配合所述传输线外筒和所述首、末端圆筒状电极实现对腔体内部的密封。

所述输入端口通过传输线连接至脉冲功率的同轴输出，所述输出端口通过过渡传输线连接至辐射天线。

所述直线型开关阵列微波振荡器内部填充绝缘气体，优选地，可选用纯净且干燥的N₂、SF₆或者N₂/SF₆的混合气体，气压范围在0.1MPa～2MPa。

优选地，所述圆筒状电极可选用不锈钢、黄铜、铜钨合金等材质，相邻两段所述圆筒状电极的间距在0.1～6mm之间调节。

直线型开关阵列微波振荡器的输入端口连接脉冲驱动源，输出端口通过过渡传输线连接辐射天线。本直线型开关阵列微波振荡器在输入端口9的所述传输线外筒与首级所述圆筒状电极之间馈入电磁脉冲，从所述输出端口10的所述传输线外筒与末级所述圆筒状电极之间输出射频电磁脉冲。

其中图2给出了馈入电磁脉冲以及经过直线型开关阵列微波振荡器调制后的射频电磁脉冲，输入幅值为100kV，脉冲宽度8ns的方波脉冲在匹配负载端输出峰值电压为150kV、脉冲宽度15ns的射频电磁脉冲，通过800MHz～5GHz宽带辐射天线的频谱如图3所示，中心频率1.6GHz。

本发明的进一步特征在于：所述圆筒状电极的个数、长度、直径、截面积以及相邻之间的距离可进行任意调整，上述参数均决定了输出射频脉冲的中心频率和脉冲持续宽度。

直线型开关阵列微波振荡器相对于传统的高功率微波电真空器件，具有不需偏置磁场、无需驱动电子束和真空系统，而且重复频率较高，输出脉冲参数调节方便等优点；相对于一般非线性传输线，具有功率容量大的优点。

因此，本发明的优点是：

1.直线型开关阵列微波振荡器整体采用同轴型传输线结构，传输线内导体由多级圆筒状电极级联构成，每相邻两个圆筒状电极即构成一级气体火花开关，通过改变圆筒状电极数量可调整输出射频电磁脉冲的宽度，利用气体火花开关的非线性元件及色散特性，实现特定频率射频脉冲的调制。

2.圆筒状电极具有截面为半圆形、椭圆形、矩形或者三角形的环形结构，可形成多通道放电，降低火花电感和电阻，减小电极烧蚀，提高直线型开关阵列微波振荡器的能量转化效率以及重频工作模式下的稳定性。

Claims (8)

1.一种直线型开关阵列微波振荡器，其特征在于采用同轴型传输线结构，包括传输线外筒(1)、圆筒状电极(2)、开关绝缘底座(4)、中轴支撑杆(5)、环形绝缘支撑套筒(6)、充气接口(7)、D-dot测试探头(8)、输入端口(9)以及输出端口(10)；开关绝缘底座(4)采用螺纹方式套在中轴支撑杆(5)上，圆筒状电极(2)采用螺纹方式套在开关绝缘底座(4)上，每相邻两个圆筒状电极(2)构成一级气体火花开关(3)，环形绝缘支撑套筒(6)为圆台结构，内环套在两端的圆筒状电极(2)上，外环与传输线外筒(1)的内壁固定，在传输线外筒(1)、圆筒状电极(2)和环形绝缘支撑套筒(6)之间形成的腔体内填充绝缘气体，在传输线外筒(1)上两个环形绝缘支撑套筒(6)之间设有充气接口(7)，输入端口(9)和输出端口(10)位于传输线外筒(1)的两端，输入端口(9)连接脉冲驱动源，输出端口(10)通过过渡传输线连接辐射天线，在输出端口(10)处设有D-dot测试探头(8)。

2.根据权利要求1所述的一种直线型开关阵列微波振荡器，其特征在于两端的圆筒状电极(2)与环形绝缘支撑套筒(6)的内环之间设有径向密封槽，径向密封槽内安装有O型圈。

3.根据权利要求1所述的一种直线型开关阵列微波振荡器，其特征在于传输线外筒(1)与环形绝缘支撑套筒(6)的外环之间设有轴向密封槽，轴向密封槽内安装有O型圈。

4.根据权利要求1所述的一种直线型开关阵列微波振荡器，其特征在于所述D-dot电压测试探头(8)采用密封结构的SMA接口。

5.根据权利要求1所述的一种直线型开关阵列微波振荡器，其特征在于所述的中轴支撑杆(5)采用尼龙、有机玻璃、聚四氟乙烯或聚乙烯的绝缘材料。

6.根据权利要求1所述的一种直线型开关阵列微波振荡器，其特征在于所述环形绝缘支撑套筒(6)内、外表面为多种圆弧配合形成的波纹槽。

7.根据权利要求1所述的一种直线型开关阵列微波振荡器，其特征在于所述开关绝缘底座(4)外表面具有多种圆弧配合形成的波纹结构。

8.根据权利要求1所述的一种直线型开关阵列微波振荡器，其特征在于所述的绝缘气体为氮气、六氟化硫或者两者的混合气体。