CN107919518A - 基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器，该装置可将馈入的纳秒脉冲，调制成具有一定振荡频率的高功率微波信号；包括平板带状线、铁氧体磁芯、线圈、D‑dot测试探头和输入输出接口；其中，多组块状的铁氧体磁芯紧贴在带状传输线内导体的上下两侧；多匝直流供电线圈绕制在带状线上下导体的外部，为装置提供轴向偏置磁场；利用本发明可以构建出中心频率为几百MHz～几GHz、重复频率为kHz以上的固态高功率微波调制系统；通过改变线圈的供电电流，可以在线调节高功率微波的振荡频率，并对脉冲前沿进行陡化，解决了高重频宽谱高功率微波产生的技术难题。

Description

基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器

技术领域

本发明属于宽谱高功率微波技术领域，尤其是涉及一种全固态基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器。

背景技术

宽谱高功率微波兼具较高的功率谱密度和一定的频率带宽，因此在工业和军事等领域有着广泛的应用，随着其应用领域的快速发展和进一步拓宽，对宽谱高功率微波的重复运行频率提出了更高的要求；鉴于此，如何能够产生高重频宽谱高功率微波成为本领域的研究重点和难点。

目前，产生宽谱高功率微波的技术途径主要包括：单级同轴型四分之一波长振荡器、直线型开关阵列微波振荡器和色散天线；其中，四分之一波长振荡器通常产生中心频率为百MHz的射频电磁脉冲，受限于传输线的电长度，难以产生GHz以上的射频电磁脉冲；直线型开关阵列微波振荡器通常产生中心频率为GHz的射频电磁脉冲，若中心频率逐渐降低至百MHz时，整个系统的长度显著增加，极大地限制了装置的工程应用；对于色散天线技术体制，天线类型比较固定，选择余地较小，而且受限于天线的带宽，在实际应用中难度较大；而且上述三种技术体制，由于均采用气体火花开关作为起振或陡化器件，因此重复运行频率较低，一般在百Hz以下。

基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器采用全固态器件，摆脱了气体绝缘恢复时间，因此重频运行能力可达kHz以上；利用拉莫尔旋磁进动效应，一方面可将入射脉冲的前沿陡化，另一方面可在入射脉冲的包络上调制出一定频率的振荡，实现高功率微波的产生；另外，通过改变偏置磁场，可对高功率微波频率进行调节。

发明内容

要解决的技术问题

针对目前宽谱高功率微波振荡器产生高功率微波的中心频率范围窄、重频低以及无法在线调节频率等问题。本发明提供了一种基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器，能够产生高功率、高重频且可调频的高功率微波。

技术方案

一种基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器，其特征在于整体呈现出平板型结构，包括平板型带状线、磁芯、线圈、D-dot测试探头和同轴型接口；所述的平板型带状线为三导体结构，上下两个平板型外导体均保持在地电位；中间为圆形截面的内导体，为高压电位；在上下外导体和内导体之间填充磁芯；在平板型带状线的外部包裹着线圈；在输入和输出处分别装配有一个D-dot测试探头，用于测试入射和调制后的电压脉冲波形；同轴型接口分别安装在输入和输出口处。

平板型带状线的上、下平板型外导体之间通过多组螺栓固定，上导体边缘配有通孔，螺栓从该通孔穿过，并利用螺母从上导体的下表面处进行固定；下导体配有螺孔，将螺栓最终固定在该螺孔中；平板型带状线的特征阻抗Z的计算如下：

式中，μ_r为填充磁芯的相对磁导率，ε_r为填充磁芯的相对介电常数，b为上下导体的间距，d为内导体的直径。

磁芯采用上下两排且轴向级联方式紧密结合；磁芯选用钇铁石榴石、锂系铁氧体、镁锌铁氧体或锰锌铁氧体材料；通过改变磁芯材料，可调整产生高功率微波的频率和效率；通过改变磁芯长度，可调节高功率微波的振荡持续时间。

所述线圈一般采用漆包线，亦可采用不同规格的电缆；所述线圈可多层绕制在平板型带状线外部；轴向偏置磁场强度可用下式计算：

式中，N为线圈匝数，I为提供的直流电流，l为线圈的长度；线圈长度要长于磁芯的长度；通过改变轴线偏置磁场，可在线调节高功率微波的频率。

有益效果

本发明提出的一种基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器，有益效果如下：

1.基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器体积小、结构简单，便于生产、组装和调试，可适应多种应用环境。

2.基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器利用拉莫尔旋磁进动效应产生一定频率的微波，频率范围从百MHz～数GHz；通过改变轴向偏置磁场可调节微波中心频率；此外，增加平板型带状线的长度可延长调制微波的振荡时间。

3.基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器采用全固态器件，重频运行能力可达kHz以上。

附图说明

图1是基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器正视剖面图；

图2是基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器左视剖面图；

图3是基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器俯视半剖图；

图4是基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器的输入和调制后的电压波形；

其中：1-平板型带状线的上导体；2-平板型带状线的下导体；3-平板型带状线的内导体；4-磁芯；5-输入接口；6-输出接口；7-D-dot电压测试探头；8-线圈；9-螺栓；10-螺母。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

一种基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器，当馈入纳秒脉冲时，利用轴向和角向合成磁场引发的旋磁进动效应，既可对入射脉冲的前沿进行陡化，还可在输出端产生出一定频率的微波；包括平板型带状线、铁氧体磁芯、线圈、D-dot测试探头和输入输出接口；其中，平板型带状线由上、下外导体、内导体、固定螺栓和螺母构成；基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器重现平板型结构，在输入和输出端过渡为同轴结构，其中，平板型带状线的上下导体连接同轴型接口的外导体，并保持零电位；平板型带状线的内导体连接同轴型接口的内导体，并接入纳秒脉冲源的高压端。块状磁芯紧密贴合于内导体与上下外导体；多匝线圈按照一定方向缠绕在平板型带状传输线的外部；在平板型带状传输线的输入输出接口处，将平板结构过渡为同轴结构；同轴型接口的外导体连接于平板带状传输线的上下导体，同轴型接口的内导体连接于平板型带状线的内导体。

如图1所示，所述微波振荡器由平板型带状线的上导体1、平板型带状线的下导体2、平板型带状线的内导体3、磁芯4、输入接口5、输出接口6、D-dot电压测试探头7、外围线圈8、螺栓9和螺母10组成，上导体1边缘处配有通孔，下导体2在与上导体1通孔的对应处配有螺孔；通过调节螺栓9长度确定上下外导体的间隙距离，具体实施如下，将螺栓9从上导体通孔处穿入，在上导体1的下表面处利用螺母10紧固；最终将螺栓9固定在下导体2的螺孔中；平板型带状线的特征阻抗Z的计算如下：

式中，μ_r为填充磁芯的相对磁导率，ε_r为填充磁芯的相对介电常数，b为上下导体的间距，d为内导体的直径。

在平板型传输线的上下导体和内导体之间填充有块状磁性材料，磁芯分为上下两层，且呈现出倒扣状，将内导体紧密包裹；在轴向上采用多组磁芯紧密级联连接。所述磁芯可选用钇铁石榴石、锂系铁氧体、镁锌铁氧体或锰锌铁氧体材料。

在平板型带状线的输入输出接口处装配有同轴型接头，同轴接头的外导体连接在平板带状线的上下外导体，同轴接头的内导体连接在平板带状线的内导体；上下导体保持地电位，而内导体连接高压信号。

所述D-dot电压测试探头7分别装配在平板型带状线的入口和出口附近，用于测试馈入和调制后的电压波形。

所述线圈绕制在平板型带状线的外部，可采用多层绕制结构；一般地，线圈可采用漆包线或是不同规格的电缆；正常工作时，需要向线圈通以一定数值的直流电流，为微波振荡器提供轴向偏置磁场，轴向偏置磁场强度可用下式计算：

式中，N为线圈匝数，I为提供的直流电流，l为线圈的长度；需要注意的是线圈长度要长于磁芯的长度。

其中，图4给出了馈入至微波振荡器的入射电压脉冲波形以及经过调制后的电压波形，输入波形参数为：电压幅值为40kV，脉冲前沿约3ns的双指数脉冲；微波振荡器输出波形参数为：电压幅值60kV，脉冲前沿约0.4ns；从图4中可见，振荡脉冲的中心频率约1.1GHz。

因此，本发明的优点是：

1.基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器体积小、结构简单，便于生产、组装和调试，可适应多种应用环境。

2.基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器利用拉莫尔旋磁进动效应产生一定频率的微波，频率范围从百MHz～数GHz；通过改变轴向偏置磁场可调节微波中心频率；此外，增加平板型带状线的长度可延长调制微波的振荡时间。

3.基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器采用全固态器件，重频运行能力可达kHz以上。

Claims (4)

1.一种基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器，其特征在于整体呈现出平板型结构，包括平板型带状线、磁芯、线圈、D-dot测试探头和同轴型接口；所述的平板型带状线为三导体结构，上下两个平板型外导体均保持在地电位；中间为圆形截面的内导体，为高压电位；在上下外导体和内导体之间填充磁芯；在平板型带状线的外部包裹着线圈；在输入和输出处分别装配有一个D-dot测试探头，用于测试入射和调制后的电压脉冲波形；同轴型接口分别安装在输入和输出口处。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器，其特征在于平板型带状线的上、下平板型外导体之间通过多组螺栓固定，上导体边缘配有通孔，螺栓从该通孔穿过，并利用螺母从上导体的下表面处进行固定；下导体配有螺孔，将螺栓最终固定在该螺孔中；平板型带状线的特征阻抗Z的计算如下：

<mrow> <mi>Z</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>60</mn> <msqrt> <mfrac> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>r</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>r</mi> </msub> </mfrac> </msqrt> </mfrac> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <mi>b</mi> </mrow> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>d</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，μ_r为填充磁芯的相对磁导率，ε_r为填充磁芯的相对介电常数，b为上下导体的间距，d为内导体的直径。

3.根据权利要求1所述的一种基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器，其特征在于磁芯采用上下两排且轴向级联方式紧密结合；磁芯选用钇铁石榴石、锂系铁氧体、镁锌铁氧体或锰锌铁氧体材料；通过改变磁芯材料，可调整产生高功率微波的频率和效率；通过改变磁芯长度，可调节高功率微波的振荡持续时间。

4.根据权利要求1所述的一种基于旋磁型带状传输线的高重频宽谱高功率微波振荡器，其特征在于所述线圈一般采用漆包线，亦可采用不同规格的电缆；所述线圈可多层绕制在平板型带状线外部；轴向偏置磁场强度可用下式计算：

<mrow> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>N</mi> <mi>I</mi> </mrow> <mi>l</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，N为线圈匝数，I为提供的直流电流，l为线圈的长度；线圈长度要长于磁芯的长度；通过改变轴线偏置磁场，可在线调节高功率微波的频率。