CN109714027B - 一种纳秒宽谱脉冲产生装置以及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳秒宽谱脉冲产生装置以及产生方法，包括低阻线、U1开关、高阻‑低阻组合线、U2开关、短路‑锐化开关组合线、U4开关和传输线，所述的短路‑锐化开关组合线上设置有U3开关；所述的低阻线为圆柱筒型；所述的高阻‑低阻组合线为阶梯轴型，高阻‑低阻组合线的小端靠近低阻线，高阻‑低阻组合线的大端直径小于低阻线的直径，高阻‑低阻组合线内筒的大端内设置有圆柱孔；所述的短路‑锐化开关组合线为直径小于高阻‑低阻组合线大端的圆柱筒型。本发明的有益效果是：本发明能够产生高功率、高中心频率的纳秒宽谱脉冲，满足宽谱源在大范围、远距离、产生大能量、高功率所需的要求。

Description

一种纳秒宽谱脉冲产生装置以及产生方法

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域，具体是一种纳秒宽谱脉冲产生装置以及产生方法。

背景技术

介于窄带与超宽带间的宽谱电磁脉冲具有较宽的频谱分布和较高的频谱功率密度，其独特的频谱特征在一定程度上弥补了超宽带高功率微波频谱功率密度过低和窄带频带覆盖范围过窄的不足。近年来，宽谱高功率微波技术在国内外得到了较快的发展，基于小型化紧凑型脉冲功率技术研制的宽谱高功率微波系统，机动性能好。宽谱频段是常规电子设备后门耦合效率较高的频率范围。而且相对于超宽带频谱和窄带频谱来说，宽带频谱具有较高的谱功率密度。

随着宽谱高功率微波关键技术和效应机理研究的不断深入，宽谱高功率微波系统在高效率、小型化和实用化方面表现出了巨大的发展潜力。利用传统的方式产生宽谱振荡在功率和中心频率上面受到限制，目前的纳秒宽谱脉冲产生装置产生的功率一般比较低、中心频率一般在300MHz左右。高的中心频率一方面对有些效应物的作用效果更好；另一方面辐射同样的功率，频率高天线的体积会更小，利于系统的小型化。

文章“非匹配传输线型宽谱振荡器实验研究”（强激光与粒子束，2018年第30卷第5期，P005002），文中利用Marx为形成线充电，然后为宽谱振荡器充电产生的纳秒宽谱脉冲的中心频率为260MHz。文章“高功率宽谱开关振荡器”（强激光与粒子束，2012年第24卷第5期，P998），采用1/4波长开关同轴谐振器技术路线，实验得到的宽谱微波振荡频率为195MHz。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种纳秒宽谱脉冲产生装置以及产生方法，用于产生高功率、高中心频率的纳秒宽谱脉冲。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种纳秒宽谱脉冲产生装置，包括按电流流通方向依次设置的低阻线内筒、U1开关、高阻-低阻组合线内筒、U2开关、短路-锐化开关组合线内筒、U4开关和传输线，所述的短路-锐化开关组合线内筒上设置有U3开关；

所述的低阻线内筒为圆柱筒型；

所述的高阻-低阻组合线内筒为阶梯轴型，高阻-低阻组合线内筒的小端靠近低阻线内筒，高阻-低阻组合线内筒的大端内设置有圆柱孔；

所述的短路-锐化开关组合线内筒为圆柱筒型，所述的U3开关为设置在短路-锐化开关组合线内筒外表面的同轴圆环与短路-锐化开关组合线内筒（11）组成，两者之间具有间隙。

所述的U1开关、U2开关和U4开关均具有电压能够击穿的间隙。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述的U1开关为环形开关，U1开关的直径大于高阻-低阻组合线内筒的小端直径且小于低阻线内筒的直径。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述的U2开关为环形开关，U2开关的直径等于高阻-低阻组合线内筒的大端直径，所述的短路-锐化开关组合线内筒靠近高阻-低阻组合线内筒的一端设置有锥形开口，锥形开口的最大直径等于高阻-低阻组合线内筒的大端直径。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述的短路-锐化开关组合线内筒与U3开关对应的位置设置有圆角凸起。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述的低阻线内筒内筒3的外侧设置有低阻线外筒，所述的低阻线内筒与低阻线外筒之间填充有低阻线内筒填充介质；

所述的高阻-低阻组合线内筒的外侧设置有高阻-低阻组合线外筒，所述的高阻-低阻组合线内筒与高阻-低阻组合线外筒之间填充有高阻-低阻组合线内筒填充介质；

所述的短路-锐化开关组合线内筒的外侧设置有短路-锐化开关组合线外筒，所述的短路-锐化开关组合线内筒与短路-锐化开关组合线外筒之间填充有短路-锐化开关组合线内筒填充介质；

所述的传输线的外侧设置有传输线外筒，所述的传输线与传输线外筒之间填充有传输线介质。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述的U1开关、U2开关、U3开关和U4开关位于密封的高气压氮气中。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述的低阻线内筒、高阻-低阻组合线内筒与短路-锐化开关组合线内筒内均填充有1010增强尼龙。

一种纳秒宽谱脉冲产生方法，使低阻线内筒、高阻-低阻组合线内筒、短路-锐化开关组合线内筒和传输线间隔设置，间隔按顺序形成U1开关、U2开关和U4开关，所述的短路-锐化开关组合线内筒上设置有U3开关；

所述的低阻线内筒为圆柱筒型；

所述的高阻-低阻组合线内筒为阶梯轴型，高阻-低阻组合线内筒的小端靠近低阻线内筒，高阻-低阻组合线内筒的大端内设置有圆柱孔；

所述的短路-锐化开关组合线内筒为圆柱筒型，所述的U3开关为设置在短路-锐化开关组合线内筒外表面的同轴圆环与短路-锐化开关组合线内筒之间的间隙；

使用高压脉冲电源对低阻线内筒进行充电，当低阻线内筒充电到最大值时U1开关导通，低阻线内筒对高阻-低阻组合线内筒进行充电；

当高阻-低阻组合线内筒充电到最大值时U2开关导通，高阻-低阻组合线内筒对短路-锐化开关组合线内筒进行充电；

当短路-锐化开关组合线内筒充电到最大值时，U3开关和U4开关同时导通并形成纳秒宽谱脉冲，纳秒宽谱脉冲通过传输线输出。

本方案所取得的有益效果是：

（1）利用本方案所要求保护的装置或方法能够产生高功率、高中心频率的纳秒宽谱脉冲，满足宽谱源在大范围、远距离、产生大能量、高功率所需的要求；

（2）通过填充1010增强尼龙能够缩短形成线的长度、增加绝缘距离、提高功率容量；

（3）通过填充介质，能够提高低阻线、高阻-低阻组合线和短路-锐化开关组合线的安装精度以及同轴度，提高开关的导通一致性；

（4）通过使用高阻-低阻组合线，能够使充电电压在高阻-低阻线之间的反射与透射，提高低阻线的充电电压。

附图说明

图1为纳秒宽谱脉冲产生装置的结构示意图；

图2为纳秒宽谱脉冲产生装置的电路图；

图3为纳秒宽谱脉冲输出波形图；

图4为纳秒宽谱脉冲频谱图。

其中：1-低阻线外筒，2-低阻线填充介质，3-低阻线内筒，4- U1开关，5-高阻-低阻组合线外筒，6-高阻-低阻组合线填充介质，7-高阻-低阻组合线内筒，8- U2开关，9-U3开关，10-短路-锐化开关组合线填充介质，11-短路-锐化开关组合线内筒，12-U4开关，13-低阻线部分，14-高阻-低阻组合线部分，15-纳秒宽谱脉冲形成部分，16-传输线内筒，17-短路-锐化开关组合线外筒，18-传输线外筒，19-传输线介质。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例中，一种纳秒宽谱脉冲产生装置，包括按电流流通方向依次设置的低阻线内筒3、U1开关4、高阻-低阻组合线内筒7、U2开关8、短路-锐化开关组合线内筒11、U4开关12和传输线16，所述的短路-锐化开关组合线内筒11上设置有U3开关9。

所述的低阻线内筒3为圆柱筒型。

所述的高阻-低阻组合线内筒7为阶梯轴型，高阻-低阻组合线内筒7的小端靠近低阻线内筒3，高阻-低阻组合线内筒7的大端直径小于低阻线内筒3的直径，高阻-低阻组合线内筒7的大端内设置有圆柱孔。

所述的短路-锐化开关组合线内筒11为直径小于高阻-低阻组合线内筒7大端的圆柱筒型，高阻-低阻组合线内筒7的外侧设置有与高阻-低阻组合线内筒7同轴的圆环，圆环的内径大于高阻-低阻组合线内筒7的外径，高阻-低阻组合线内筒7与圆环之间形成U3开关9。

所述的U1开关4、U2开关8和U4开关12均具有电压能够击穿的间隙。

所述的U1开关4为环形开关，U1开关4的直径大于高阻-低阻组合线内筒7的小端直径且小于低阻线内筒3的直径。

所述的U2开关8为环形开关，U2开关8的直径等于高阻-低阻组合线内筒7的大端直径，所述的短路-锐化开关组合线内筒11靠近高阻-低阻组合线内筒7的一端设置有锥形开口，锥形开口的最大直径等于高阻-低阻组合线内筒7的大端直径。

一种纳秒宽谱脉冲产生方法如下：如图2所示，利用Marx等高压脉冲电源对低阻线T1充电，即对图1中的低阻线内筒3充电，当充电到最大值时，U1开关4导通，U1开关4导通后，低阻线T1开始对高阻-低阻组合线内筒7充电，即对图1中的高阻-低阻组合线内筒7充电。低阻线T1、开关U1的主要作用是储能、锐化脉冲源的输出波形。

当高阻-低阻组合线内筒7充电到最大值时开关U2导通，此过程能够把输出脉冲的宽度进一步压缩，从而提高脉冲的功率。高阻-低阻组合线内筒7包括高阻线T2和低阻线T3，低阻线T1对高阻-低阻组合线内筒7的充电电压在高阻线T2与低阻线T3之间反射和透射，以此能够提高低阻线T3的充电电压。在高功率脉冲装置中，输出功率的高低是衡量一套装置性能的重要指标，通过提高低阻线T3的充电电压能够提高短路-锐化开关组合线内筒11的充电电压，以此能够提高纳秒宽谱脉冲装置的输出功率。

开关U2导通后，高阻-低阻组合线内筒7开始对短路-锐化开关组合线内筒11充电，当充电到最大值时，短路-锐化组合开关组合线内筒11的U3开关9和U4开关12同时导通，并形成纳秒宽谱脉冲，纳秒宽谱脉冲通过传输线16被匹配负载R1吸收。所述的短路-锐化开关组合线内筒11与U3开关9对应的位置设置有圆角凸起，即短路-锐化开关组合线内筒11与圆环对应的位置，以此避免形成尖锐倒角而有利于高压绝缘。

实施例2：

在上述实施例的基础上，本实施例中，所述的低阻线内筒3的外侧设置有低阻线外筒1，所述的低阻线内筒3与低阻线外筒1之间填充有低阻线填充介质2。利用低阻线填充介质2能够对低阻线内筒3起到绝缘支撑的作用。

所述的高阻-低阻组合线内筒7的外侧设置有高阻-低阻组合线外筒5，所述的高阻-低阻组合线内筒7与高阻-低阻组合线外筒5之间填充有高阻-低阻组合线填充介质6。利用高阻-低阻组合线填充介质6能够对高阻-低阻组合线内筒7起到绝缘支撑的作用。

所述的短路-锐化开关组合线内筒11的外侧设置有短路-锐化开关组合线外筒17，所述的短路-锐化开关组合线内筒11与短路-锐化开关组合线外筒17之间填充有短路-锐化开关组合线填充介质10。利用短路-锐化开关组合线填充介质10能够对短路-锐化开关组合线内筒11起到绝缘支撑的作用。

所述的传输线内筒16的外侧设置有传输线外筒18，所述的传输线内筒16与传输线外筒18之间填充有传输线介质19。利用传输线介质19能够对传输线内筒16起到绝缘支撑的作用。

通过使用低阻线填充介质2、高阻-低阻组合线填充介质6、短路-锐化开关组合线填充介质10和传输线介质19能够提高低阻线内筒3、高阻-低阻组合线内筒7、短路-锐化开关组合线内筒11与传输线16的同轴度，有利于提高脉冲产生的效率，提高能量的转化利用率。本实施例中，其它未描述的内容与上述实施例相同，故不赘述。

实施例3：

在上述实施例的基础上，本实施例中，所述的U1开关4、U2开关8、U3开关9和U4开关12位于密封的高气压氮气中。将开关封闭于高气压氮气中主要有两个好处：第一能够提高开关间隙的绝缘。在同样的击穿场强下，能够缩短开关间隙，提高开关导通的稳定性。第二能够减小开关的放电时延。开关的其它条件相同时，开关间隙的气压越高，放电时延越小。本实施例中，其它未描述的内容与上述实施例相同，故不赘述。

实施例4：

在上述实施例的基础上，本实施例中，所述的低阻线1、高阻-低阻组合线内筒7与短路-锐化开关组合线内筒11内均填充有1010增强尼龙。通过填充1010增强尼龙能够缩短形成线的长度、增加绝缘距离、提高功率容量。并且利用1010增强尼龙的填充，有利于在U1开关4、U2开关8、U3开关9和U4开关12等处形成密封空间。本实施例中，其它未描述的内容与上述实施例相同，故不赘述。

实施例5：

在上述实施例的基础上，本实施例中，低阻线外筒1的外径为310mm，内径为300mm，长度为265mm。

低阻线内筒1的外径为233.6mm，内径为227.6mm，长度为160mm。

低阻线内筒1与高阻-低阻组合线内筒7之间的U1开关4的外径为55mm，内径为47mm，开关的端面倒R2的圆角。所述的U1开关4通过在低阻线1与高阻-低阻组合线内筒7临近的两端面上设置等径同轴的圆环形凸起而形成。

高阻-低阻组合线外筒5中的高阻线的外筒外径为191mm，内径为171mm，长度为217.5mm。

高阻-低阻组合线内筒7中高阻线T2内筒的直径为34mm，长度为80mm。

高阻-低阻组合线外筒5中低阻线的外筒外径为170mm，内径为160mm，长度为48mm。

高阻-低阻组合线中低阻线T3的外径为124.6mm，内径为118.6mm，长度为174.5mm。

短路-锐化开关组合线外筒17的外径为140mm，内径为130mm，长度为102.8mm。

短路-锐化开关组合线内筒11的外径为110mm，内径为106mm。

高阻-低阻组合线中低阻线T3的外径大于短路-锐化开关组合线内筒11的外径。使短路-锐化开关组合线内筒11靠近高阻-低阻组合线中低阻线T3的一端设置开口朝向阻-低阻组合线中低阻线T3的锥形凸起，使锥形凸起的最大外径等于高阻-低阻组合线中低阻线T3的外径，以此形成U2开关8。

U3开关9为短路开关，短路开关为厚2mm的片状环形开关，开关的内径为116mm，倒R1的圆角。

U4开关12为锐化开关，锐化开关的外径为110mm，内径为107mm。

通过输入8000KV、半高宽30ns的Marx高压脉冲，利用该尺寸的纳秒宽谱脉冲产生装置能够产生10GW中心频率700MHz的纳秒宽谱脉冲。所产生纳秒宽谱脉冲的输出波形如图3所示，所产生纳秒宽谱脉冲的纳秒宽谱脉冲频谱如图4所示。

通过设计其他尺寸相应的能够产生其他中心频率的纳秒宽谱脉冲，此处不对该结构的尺寸进行限定和赘述。

以上所述的，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纳秒宽谱脉冲产生装置，其特征在于：包括按电流流通方向依次设置的低阻线内筒（3）、U1开关（4）、高阻-低阻组合线内筒（7）、U2开关（8）、短路-锐化开关组合线内筒（11）、U4开关（12）和传输线（16），所述的短路-锐化开关组合线内筒（11）上设置有U3开关（9）；

所述的低阻线内筒（3）为圆柱筒型；

所述的短路-锐化开关组合线内筒（11）为圆柱筒型，所述的U3开关（9）为设置在短路-锐化开关组合线内筒（11）外表面的同轴圆环与短路-锐化开关组合线内筒（11）组成，两者之间具有间隙；

所述的U1开关（4）、U2开关（8）、U3开关（9）和U4开关（12）均具有电压能够击穿的间隙。

2.根据权利要求1所述的一种纳秒宽谱脉冲产生装置，其特征在于：所述的U1开关（4）为环形开关，U1开关（4）的直径大于高阻-低阻组合线内筒（7）的小端直径且小于低阻线内筒（3）的直径。

3.根据权利要求1所述的一种纳秒宽谱脉冲产生装置，其特征在于：所述的U2开关（8）为环形开关，U2开关（8）的直径等于高阻-低阻组合线内筒（7）的大端直径，所述的短路-锐化开关组合线内筒（11）靠近高阻-低阻组合线内筒（7）的一端设置有锥形开口，锥形开口的最大直径等于高阻-低阻组合线内筒（7）的大端直径。

4.根据权利要求1所述的一种纳秒宽谱脉冲产生装置，其特征在于：所述的短路-锐化开关组合线内筒（11）与U3开关（9）对应的位置设置有圆角凸起。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种纳秒宽谱脉冲产生装置，其特征在于：所述的低阻线内筒（3）的外侧设置有低阻线外筒（1），所述的低阻线内筒（3）与低阻线外筒（1）之间填充有低阻线填充介质（2）；

所述的高阻-低阻组合线内筒（7）的外侧设置有高阻-低阻组合线外筒（5），所述的高阻-低阻组合线内筒（7）与高阻-低阻组合线外筒（5）之间填充有高阻-低阻组合线填充介质（6）；

所述的短路-锐化开关组合线内筒（11）的外侧设置有短路-锐化开关组合线外筒（17），所述的短路-锐化开关组合线内筒（11）与短路-锐化开关组合线外筒（17）之间填充有短路-锐化开关组合线填充介质（10）；

所述的传输线（16）的外侧设置有传输线外筒（18），所述的传输线（16）与传输线外筒（18）之间填充有传输线介质（19）。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种纳秒宽谱脉冲产生装置，其特征在于：所述的U1开关（4）、U2开关（8）、U3开关（9）和U4开关（12）位于密封的高气压氮气中。

7.根据权利要求6所述的一种纳秒宽谱脉冲产生装置，其特征在于：所述的低阻线内筒（3）、高阻-低阻组合线内筒（7）与短路-锐化开关组合线内筒（11）内均填充有1010增强尼龙。

8.一种纳秒宽谱脉冲产生方法，其特征在于：使低阻线内筒（3）、高阻-低阻组合线内筒（7）、短路-锐化开关组合线内筒（11）和传输线（16）间隔设置，间隔按顺序形成U1开关（4）、U2开关（8）和U4开关（12），所述的短路-锐化开关组合线内筒（11）上设置有U3开关（9）；

所述的低阻线内筒（3）为圆柱筒型；

所述的短路-锐化开关组合线内筒（11）为圆柱筒型，所述的U3开关（9）为设置在短路-锐化开关组合线内筒（11）外表面的同轴圆环与短路-锐化开关组合线内筒（11）之间的间隙；

使用高压脉冲电源对低阻线（1）进行充电，当低阻线（1）充电到最大值时U1开关（4）导通，低阻线内筒（3）对高阻-低阻组合线内筒（7）进行充电；

当高阻-低阻组合线内筒（7）充电到最大值时U2开关（8）导通，高阻-低阻组合线内筒（7）对短路-锐化开关组合线内筒（11）进行充电；

当短路-锐化开关组合线内筒（11）充电到最大值时，U3开关（9）和U4开关（12）同时导通并形成纳秒宽谱脉冲，纳秒宽谱脉冲通过传输线（16）输出。

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