CN111371409B - 一种光控可调频全固态多周期微波产生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光控可调频全固态多周期微波产生器，包括传输线、激光二极管驱动、激励激光二极管、激光脉冲经光纤、高压电极、接地电极和介质。本发明的有益效果是：采用多固态光导开关和固态传输线单元直接形成电磁振荡，经天线产生微波，在微波振荡产生过程中，无需气体火花隙开关和强流真空电子束，具备固态模块化特性；利用开关的关断性能在负载上形成多周期振荡脉冲，能量分散到各个模块，第m个单元异常只影响其自身输出的第m个双极性脉冲，对最终整体波形产生影响较小，不会导致全系统崩溃。

Description

一种光控可调频全固态多周期微波产生器

技术领域

本发明涉及一种微波产生器，具体为一种光控可调频全固态多周期微波产生器，属于高功率微波技术领域。

背景技术

高功率微波主要是指频率在100MHz～300GHz、峰值功率在100MW以上的电磁振荡，经天线可辐射微波，其在国防和工业等众多领域中具备诱人前景，受到了广泛关注和大量资金的研究投入。受到未来应用需求的牵引以及目前材料制备技术和现代工业加工工艺的不断发展成熟，高功率微波技术正朝向参数可调、高能量转换效率、紧凑化和固态模块化等方向不断发展。

传统高功率微波技术通过真空微波腔调制强流相对论电子束产生高功率微波。真空腔室结构为机械结构，结构参数调节有限，输出微波为固定点频，不利于微波与效应目标的有效耦合；而相对论电子束要利用体积重量相对庞大脉冲功率源驱动强流真空二极管通过爆炸发射产生，提升全系统(包括附属真空/热管理/重频吹气系统)寿命可靠性以及紧凑化水平均存在较大挑战。作为驱动高功率微波源的高功率脉冲源一般由初级能源系统、高功率脉冲变压器(Marx发生器)、脉冲形成系统、高功率气体开关组成，最终输出电脉冲的电压达百千伏乃至兆伏量级、宽度则常为百纳秒水平。

利用光控开关和传输线原理直接产生电磁振荡经天线辐射产生微波，是一种新型的全固态模块化和高能量转换效率的微波产生方式。冻波发生器由一系列正负交替充电相同结构的传输线和线间低抖动快导通的光导开关组成：在线间光导开关闭合导通前，电磁能量存储在传输线中，好似传输线内左右行波被光导开关“冻结”在传输线中，因此其被形象称为冻波发生器。线间光导开关同时闭合导通后，冻波分别向左向右传播，在匹配负载上(天线辐射)，获得一个周期数等于传输线的个数、时间周期为单个传输线电长度两倍的电磁振荡，可以经天线形成微波辐射。但是，线间光导开关导通存在损耗，随着振荡周期数量的增加，电磁振荡传播距离越长、通过开关越多，其幅值不断衰减，最终制约了振荡周期数的提升。而且，最靠近负载的光导开关需要经受所有的输出电磁振荡，对该开关的功率寿命要求极高，其损耗带来的热量不断沉积不利于系统长时间稳定运行。基于此，通常采用光导开关和传输线只产生一个时间周期的宽谱电磁振荡脉冲。

西北核技术研究所研制的基于光导开关和阶梯阻抗固态传输线的双极性脉冲产生装置【胡龙.“基于砷化镓雪崩光导开关的高重复频率超宽谱脉冲源技术研究”，博士学位论文，西安交通大学，2016】，如图1所示，基于光导开关和阶梯阻抗固态传输线1的双极性脉冲产生装置由阶梯状传输线、光导开关S组成。阶梯状传输线1由三段传输线组成。阶梯状传输线1的介质基材为敷铜箔聚酰亚胺纤布层压板(TB-73)，相对介电常数为4，采用多层高频薄膜热压成型工艺制作，各段传输线热压成型后，再次热压形成一个整体结构。第1段传输线17厚度0.2mm，第2段传输线18和第3段传输线19的厚度为1.1mm，三段传输线的长度L均为16cm，第1段传输线17和第2段传输线18的总长度为32cm。三段传输线的电长度均约为1.1ns。光导开关S是砷化镓光导开关。光导开关S与第1段传输线17相连，如图2所示，当传输线一同充电5kV时，向负载RL输出双极性脉冲峰值电压达到9.6kV(正负脉冲峰值之间的电压差)，双极性脉冲的正/负脉冲宽度都约为2.2ns。但是受到光导开关载流子雪崩非线性效应影响，触发激光湮灭后，光导开关持续导通难以关断，利用该光导开关和传输线原理的微波产生器只能向负载RL输出双极性脉冲，对应一个时间周期的电磁振荡；且单段传输线输出电脉冲的时间周期由该段传输线电长度所决定，(电长度计算公式τ＝2(εr)1/2l/c，εr为传输线介质的相对介电常数，l为该段传输线的长度，c为光速)，电长度又由传输线的长度所决定，一旦装置成型则难以对振荡脉冲的频率进行调节。

综上所述，传统真空微波腔调制强流相对论电子束产生高功率微波产生方式，结构参数调节有限，输出微波为固定点频；而该装置全系统(包括脉冲功率装置和附属系统)体积重量大，寿命可靠性以及紧凑化水平均存在较大挑战。冻波发生器利用光控开关和传输线原理直接产生电磁振荡经天线辐射产生微波，虽然具备紧凑固态模块化的特性，但其输出微波频率不可调，且系统能量损耗沉积在一个单元的光导开关上，影响全系统可靠性。基于光导开关和阶梯阻抗固态传输线的双极性脉冲产生装置同样具备固态模块化特性，但输出电磁振荡的频率不可调节，且输出的双极性脉冲仅可以对应一个时间周期的电磁振荡，不具备多周期输出特性。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种光控可调频全固态多周期微波产生器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种光控可调频全固态多周期微波产生器，包括M个双极性脉冲发生器单元和一个负载RL；M个所述双极性脉冲发生器单元并联后与负载RL串联，所述双极性脉冲发生器单元与外接光导开关激光触发系统相连，所述光导开关激光触发系统由激光二极管触发系统和大功率脉冲激光通过光纤分束器，采用M路分束光纤，产生M路延时激光脉冲系统组成，所述双极性脉冲发生器单元由一个传输线和两个光导开关构成，所述光导开关包括第一光导开关S1和第二光导开关S2，所述传输线采用同轴或者平板传输线结构，所述传输线由可充电高压电极、接地电极和介质构成，所述介质填充在可充电高压电极与接地电极之间的间隙中，所述第一光导开关S1、第二光导开关S2分别位于传输线的两端，所述第一光导开关S1一端连接传输线的高压电极，且其另一端连接接地电极，位置上远离负载RL，所述第二光导开关S2一端连接传输线的高电压电极，且另一端连接负载RL，位置上靠近负载RL，所述负载RL一端与第二光导开关S2相连，另一端接地，所述负载RL的阻抗代表天线阻抗。

作为本发明再进一步的方案：M个所述激光二极管触发系统产生脉冲激光触发光导开关S1的导通，通过触发延时技术，同步控制M路激光二极管驱动激励激光二极管输出激光，激光触发光导开关S1导通，激光脉冲经光纤传输照射到光导开关S2，大功率脉冲激光器产生脉宽为TFGW的激光脉冲，通过光纤分束技术，将激光脉冲能量均匀馈入M条光纤中。

其中，激光脉冲产生所需的外部触发延时技术可以选用商用型号，如美国DG535信号发生器系列，产生多路延时电压5V电平，分别触发激光二极管触发系统和大功率脉冲激光器，产生时序控制的脉冲激光，以触发光导开关，实现光导开关导通关断的时序控制。

作为本发明再进一步的方案：利用M个所述双极性脉冲发生器单元可以输出时间周期数为Q振荡频率为f₀电磁振荡，经天线辐射产生微波。

其中，第m个双极性脉冲发生器单元输出波形可调的第m个双极性脉冲，控制单个单元的第一光导开关S1和第二光导开关S2的导通与关断，可以在负载RL上输出波形可调的双极性脉冲，第一光导开关S1触发前，双极性脉冲发生器单元的传输线高压电极11被充电为直流高电压偏置。

设定第一光导开关S1的导通时刻为t1，第二光导开关S2的导通时刻为t2、关断时间为t3。

传输线的电长度τ＝2(εr)1/2l/c，εr为传输线介质的相对介电常数，l为传输线的长度，c为光速。

第一光导开关S1导通前，+0.5U0电压波在S1处开路反射(S1高阻可视为开路)，反射系数为1；在S1导通后，在S1处发生短路反射(S1导通电阻为0)，反射系数为-1，电压波幅值变为-0.5U0。+U0为S1触发前传输线1已经被充的电压。

第二光导开关S2导通前，+0.5U0电压波在S2处开路反射(S2高阻可视为开路)，反射系数为1；在S2导通后，在S2处发生透射，理想情况下传输线1的阻抗应当与匹配负载RL一致，电压波无反射，能量耦合到负载RL上，直至开关S2关断。

双极性脉冲发生器单元在负载RL上输出一个正极性+0.5U0维持时间τ+(t1-t2)，负极性-0.5U0维持时间(t3-t1)-τ的双极性脉冲，传输线(1)中储存的电磁能量转换到负载RL上。

双极性脉冲发生器单元输出脉宽为T_FGW＝t3-t2，从传输线(1)到负载RL的能量转换效率为T_FGW/(2τ)。T_FGW＝2τ对应单元的传输线(1)储存的电磁能量全部释放到负载RL上。

M个双极性脉冲发生器单元可在负载上独立输出M个双极性脉冲，令T_wave＝1/f₀，N＝T_wave/(2T_FGW-T_wave)，其输出时间周期数为Q振荡频率为f₀电磁振荡需满足条件：N必须为正整数，且Q×T_wave＝M×T_FGW。

调节频率f₀上限为N＝1，此时T_wave＝T_FGW，f₀＝1/(T_FGW)。

调节频率f₀下限为N＝∞，此时T_wave＝2T_FGW，f₀＝1/(2T_FGW)。

作为本发明再进一步的方案：M个所述双极性脉冲发生器单元输出时间周期数为Q振荡频率为f₀电磁振荡的具体工作过程：

N代表循环单元数，第1，2，3…N个双极性脉冲发生器单元充电极性依次正负变换，各个单元第一光导开关S1的触发时序的间隔时间为1/(2f₀)，能够输出N×T_FGW/T_wave个时间周期的电磁振荡；第N个和第N+1个单元的充电极性相同，远离负载端光导开关的触发时序的间隔时间为1/(f₀)；第N+1，N+2，N+3…N+N个单元充电极性依次正负变换，其各个单元远离负载端光导开关的触发时序的间隔时间为1/(2f₀)；之后，以此规律，以N为周期数，单元工作状态循环往复。

第一光导开关S1导通的上升时间应当小于0.5/f₀。第一光导开关S1的导通延时抖动应小于0.05/f₀，因不同单元间第一光导开关S1的触发时序的间隔时间为1/(2f₀)或1/(f₀)。

第二光导开关S2的导通上升时间和关断下降时间都应小于0.25/f₀。第二光导开关S2的导通延时抖动应小于0.05/f₀。

双极性脉冲发生器单元输出的能量转换效率为T_FGW/(2τ)，T_FGW的变化范围τ～2τ，故振荡频率为f₀电磁振荡的频率可调范围0.25/τ～1/τ。

本发明的有益效果是：该光控可调频全固态多周期微波产生器设计合理：

1.本发明采用多固态光导开关和固态传输线单元直接形成电磁振荡，经天线产生微波，在微波振荡产生过程中，无需气体火花隙开关和强流真空电子束，具备固态模块化特性；

2.本发明多路双极性脉冲产生多周期电磁振荡。利用第二光导开关S2优良的关断特性，双极性脉冲不会耦合到其他双极性脉冲产生单元电路中，单元在负载上独立输出双极性脉冲，实现了不同单元输出的双极性脉冲在负载上以时间顺序的首尾相接形成多周期电磁振荡，频谱更窄，能量更加集中在所需频率；

3.本发明实现了输出微波的频率调节特性。采用利用第一光导开关S1延时控制，实现输出双极性脉冲的波形调制，结合利用第二光导开关S2优良的关断能力，进而实现多路输出的多周期电磁振荡的频率调制，具备频率调节能力，有利于与微波效应物的有效耦合；

4.本发明多路单元独立输出双极性脉冲，利用开关的关断性能在负载上形成多周期振荡脉冲，能量分散到各个模块，第m个单元异常只影响其自身输出的第m个双极性脉冲，对最终整体波形产生影响较小，不会导致全系统崩溃。

附图说明

图1为本发明超宽谱脉冲源结构示意图；

图2为本发明超宽谱脉冲源结构输出负载电压波形示意图；

图3为本发明双极性脉冲发生器单元电路结构示意图；

图4为本发明双极性脉冲发生器单元(t1-t2＝τ/2)波过程和输出电压波形结构示意图；

图5为本发明光控可调频全固态多周期微波产生器电路结构示意图；

图6为本发明输出周期为3τ的4个周期的电磁振荡波形结构示意图；

图7为本发明输出周期为2.4τ的3个周期电磁振荡波形结构示意图。

图中：1、传输线，2、激光二极管驱动，3、激励激光二极管，4、激光脉冲经光纤，11、高压电极，12、接地电极和13、介质。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一、

请参阅图1～2，一种光控可调频全固态多周期微波产生器，包括M个双极性脉冲发生器单元和一个负载RL；M个所述双极性脉冲发生器单元并联后与负载RL串联，所述双极性脉冲发生器单元与外接光导开关激光触发系统相连，所述光导开关激光触发系统由激光二极管触发系统和大功率脉冲激光通过光纤分束器，采用M路分束光纤，产生M路延时激光脉冲系统组成，所述双极性脉冲发生器单元由一个传输线1和两个光导开关构成，所述光导开关包括第一光导开关S1和第二光导开关S2，所述传输线1采用同轴或者平板传输线结构，所述传输线1由可充电高压电极11、接地电极12和介质13构成，所述介质13填充在可充电高压电极11与接地电极12之间的间隙中，所述第一光导开关S1、第二光导开关S2分别位于传输线1的两端，所述第一光导开关S1一端连接传输线1的高压电极11，且其另一端连接接地电极12，位置上远离负载RL，所述第二光导开关S2一端连接传输线1的高电压电极11，且另一端连接负载RL，位置上靠近负载RL，所述负载RL一端与第二光导开关S2相连，另一端接地，所述负载RL的阻抗代表天线阻抗。

进一步的，在本发明实施例中，M个所述激光二极管触发系统产生脉冲激光触发光导开关S1的导通，通过触发延时技术，同步控制M路激光二极管驱动2激励激光二极管3输出激光，激光触发光导开关S1导通，激光脉冲经光纤4传输照射到光导开关S2，大功率脉冲激光器产生脉宽为TFGW的激光脉冲，通过光纤分束技术，将激光脉冲能量均匀馈入M条光纤中，通过调整M路每路光纤的长度，控制激光在光钎中的传播时间，实现脉冲激光辐照到M路开关的时间差，也就实现S2光导开关间的触发关断延时。

其中，激光脉冲产生所需的外部触发延时技术可以选用商用型号，如美国DG535信号发生器系列，产生多路延时电压5V电平，分别触发激光二极管触发系统和大功率脉冲激光器，产生时序控制的脉冲激光，以触发光导开关，实现光导开关导通关断的时序控制。

进一步的，在本发明实施例中，利用M个所述双极性脉冲发生器单元可以输出时间周期数为Q振荡频率为f₀电磁振荡，经天线辐射产生微波。

其中，第m个双极性脉冲发生器单元输出波形可调的第m个双极性脉冲，控制单个单元的第一光导开关S1和第二光导开关S2的导通与关断，可以在负载RL上输出波形可调的双极性脉冲，第一光导开关S1触发前，双极性脉冲发生器单元的传输线高压电极11被充电为直流高电压偏置，通过控制第一光导开关S1、第二光导开关S2的导通关断延时，实现单元输出双极性脉冲波形的控制。

设定第一光导开关S1的导通时刻为t1，第二光导开关S2的导通时刻为t2、关断时间为t3。

传输线1的电长度τ＝2(εr)1/2l/c，εr为传输线1介质13的相对介电常数，l为传输线1的长度，c为光速。

第一光导开关S1导通前，+0.5U0电压波在S1处开路反射(S1高阻可视为开路)，反射系数为1；在S1导通后，在S1处发生短路反射(S1导通电阻为0)，反射系数为-1，电压波幅值变为-0.5U0。+U0为S1触发前传输线1已经被充的电压。

第二光导开关S2导通前，+0.5U0电压波在S2处开路反射(S2高阻可视为开路)，反射系数为1；在S2导通后，在S2处发生透射，理想情况下传输线1的阻抗应当与匹配负载RL一致，电压波无反射，能量耦合到负载RL上，直至开关S2关断。

双极性脉冲发生器单元在负载RL上输出一个正极性+0.5U0维持时间τ+(t1-t2)，负极性-0.5U0维持时间(t3-t1)-τ的双极性脉冲，传输线(1)中储存的电磁能量转换到负载RL上。

双极性脉冲发生器单元输出脉宽为T_FGW＝t3-t2，从传输线(1)到负载RL的能量转换效率为T_FGW/(2τ)。T_FGW＝2τ对应单元的传输线(1)储存的电磁能量全部释放到负载RL上，理论能量转换效率可达100％。

M个双极性脉冲发生器单元可在负载上独立输出M个双极性脉冲，令T_wave＝1/f₀，N＝T_wave/(2T_FGW-T_wave)，其输出时间周期数为Q振荡频率为f₀电磁振荡需满足条件：N必须为正整数，且Q×T_wave＝M×T_FGW。

调节频率f₀上限为N＝1，此时T_wave＝T_FGW，f₀＝1/(T_FGW)。

调节频率f₀下限为N＝∞，此时T_wave＝2T_FGW，f₀＝1/(2T_FGW)。

进一步的，在本发明实施例中，M个所述双极性脉冲发生器单元输出时间周期数为Q振荡频率为f₀电磁振荡的具体工作过程：

N代表循环单元数，第1，2，3…N个双极性脉冲发生器单元充电极性依次正负变换，各个单元第一光导开关S1的触发时序的间隔时间为1/(2f₀)，能够输出N×T_FGW/T_wave个时间周期的电磁振荡；第N个和第N+1个单元的充电极性相同，远离负载端光导开关的触发时序的间隔时间为1/(f₀)；第N+1，N+2，N+3…N+N个单元充电极性依次正负变换，其各个单元远离负载端光导开关的触发时序的间隔时间为1/(2f₀)；之后，以此规律，以N为周期数，单元工作状态循环往复。

第一光导开关S1导通的上升时间应当小于0.5/f₀，保证第一光导开关S1的导通实现双极性脉冲输出。第一光导开关S1的导通延时抖动应小于0.05/f₀，因不同单元间第一光导开关S1的触发时序的间隔时间为1/(2f₀)或1/(f₀)，实现多单元运行的同步要求。

第二光导开关S2的导通上升时间和关断下降时间都应小于0.25/f₀，实现开关迅速的导通和关断能响应所需要的微波频率振荡的要求。第二光导开关S2的导通延时抖动应小于0.05/f₀，构成多周期电磁振荡输出。

双极性脉冲发生器单元输出的能量转换效率为T_FGW/(2τ)，T_FGW的变化范围τ～2τ，故振荡频率为f₀电磁振荡的频率可调范围0.25/τ～1/τ，为实现50％以上能量转化效率。

实施例二、

请参阅图1～2，所述脉冲源由3段传输线、1个光导开关S1和负载RL组成。第1段传输线的阻抗为Z1，第2段传输线的阻抗为Z2，第3段传输线的阻抗为Z3。Z1＝25Ω，Z2＝50Ω，Z3＝50Ω，负载RL阻值＝50Ω，在负载RL输出倍压双极性脉冲，其传输线的介质基材为敷铜箔聚酰亚胺纤布层压板(TB-73)，相对介电常数为4，采用多层高频薄膜热压成型工艺制作阶梯状传输线，各段传输线热压成型后，再次热压形成一个整体结构。第1段传输线厚度0.2mm，第2段和第3段传输线的厚度为1.1mm，导体宽度为7.1mm，各段传输线长度为16cm，总长度为32cm。每段传输线的电长度约为1.1ns。

图2为图1所示超宽谱脉冲源结构输出负载电压波形，当传输线充电5kV时，输出双极性脉冲峰值电压达到9.6kV，双极性脉冲的正/负脉冲宽度都约为2.2ns。该技术方案只能输出对应一个时间周期的双极性脉冲，且双极性脉冲的正/负脉冲时间宽度均为传输线电长度的2倍，不具备频率可调的多时间周期微波产生能力。

请参阅图3，双极性脉冲发生器单元由一段传输线和两个光导开关构成。传输线结构包括高压电极11，地电极12，固态介质13，第一光导开关S1和第二光导开关S2位于传输线的两端，在远离负载端口的光导开关S1连接传输线高压电极11和地电极12，连接负载的光导开关S2与负载RL和传输线高压电极11相连。传输线电长度τ为被传输线的结构参数和介质材料特性决定，一般有电长度计算公式τ＝(εr)1/2l/c，εr为传输线介质的相对介电常数，l为传输线的电极长度，c为光速。通过外部延时电平触发装置，同步控制M路激光二极管驱动2激励激光二极管3输出激光，激光触发光导开关S1导通。大功率脉冲激光器产生脉宽为TFGW的激光脉冲，通过光纤分束技术，将激光脉冲能量均匀馈入M条光纤中，通过调整光纤的长度，激光脉冲经光纤4传输照射到光导开关S2，实现M个双极性脉冲发生器单元S2光导开关间的触发关断延时。

请参阅图4，设定第一光导开关S1的导通时刻为t1，第二光导开关S2的导通时刻为t2，传输线3的电长度为τ，在触发前该传输线3已经被充电至电压+U0，传输线3阻抗与负载4阻值匹配一致，令第二光导开关S2导通关断TFGW＝2τ。

时间t<t2，在开关触发导通前，电磁能量存储在传输线中，传输线内左右行波被开关“冻结”在传输线中。t1>时间t>t2，t2时刻光导开关2触发导通，向负载端行进的向右行波得以将能量传输到负载上，设定负载阻值和传输线阻抗相匹配，该端口理想情况下不发生反射，能量得以全部释放到负载。此时，光导开关S1仍保持关断状态，传输线行波在此开路端口全反射。时间t>t1，t1时刻光导开关S1得以触发导通，此时向该端口行进的向左行波在短路条件下，产生反向运动、电压幅值极性反转为负的向右行波。时间t>2τ，在2τ时刻后，传输线中传播的电压行波能量全部被负载吸收。最终，匹配负载上得到一个正极性维持时间1.5τ，负极性维持时间0.5τ的双极性脉冲。

请参阅图5，M个双极性脉冲发生器单元(单元1，单元2，……，单元m，……单元M)互为并联关系，发生器单元与负载RL为串联关系，每个单元由一段传输线和两个光导开关构成。光导开关具备皮秒时延抖动控制特性，连接负载端的光导开关必须采用能够快速关断能力，例如V掺杂的碳化硅光导开关的关断时间小于50ps。光导开关导通前，根据输出微波频率的需要，每个发生器单元被充电为幅值相同的正或负电压。通过外部触发延时技术，同步控制激光二极管触发系统控制第一光导开关S1的导通延时，通过光纤分束技术控制第二光导开关S2的导通关断延时，实现所属单元输出双极性脉冲波形和频谱的控制，实现不同单元输出双极性脉冲在时间顺序上首尾相接最终产生多周期的电磁振荡脉冲。所需微波频率f₀，第一光导开关S1触发时序的间隔时间是1/(2f₀)或者1/f₀。假定所需微波的频率为f₀，利用第二光导开关S2可以输出脉宽为TFGW的双极性脉冲，各个单元的第二光导开关S2的触发时序的间隔时间也为TFGW,TFGW≤2τ，具体传输线直流充电的极性和TFGW根据所需微波频率智能设定，该微波产生器能实现电磁振荡的频率调节，本发明光控可调频全固态多周期微波产生器从传输线到负载的能量转换效率为TFGW/(2τ)。

请参阅图6，根据波过程传播反射理论，理论结果表明6单元输出周期3τ的3脉冲电磁振荡，双极性脉冲发生器单元的传输线电长度为τ。图中脉冲1，脉冲2，脉冲3，脉冲4，脉冲5和脉冲6都为双极性脉冲发生器6个单元产生，控制光导开关导通关断时序，实现输出周期为3τ的4个周期的电磁振荡。检验产生振荡的条件为：Twave/(2TFGW-Twave)＝N，N必须为正整数。3τ/(4τ-3τ)＝3，故其理论上能形成周期为3τ的无限多周期脉冲，且其在第3个单元输出的双极性脉冲后完成循环。每个脉冲之间的间隔固定为2τ，这表明不同单元中靠近负载端的光导开关的触发和关断延时固定为2τ，不同单元靠近负载端的光导开关的触发延时依次为：1.5τ，1.5τ，3τ，1.5τ，1.5τ，单元充电电压极性依次为：正、负、正、正、负、正。

请参阅图7，本利用第二光导开关S2的关断特性，可以将单元输出脉冲宽度都定为1.8τ，由于传输线电长度为τ，该模式理论上仅有1.8τ/2τ＝90％的能量从双极性脉冲发生器单元的传输线转换到负载上，理论能量转换效率较之图5下降，此时，2.4τ/(3.6τ-2.4τ)＝2，4个单元中靠近负载端的光导开关的触发延时固定为1.8τ，充电电压极性依次为：正、负、负、正，4个单元中靠近负载端的光导开关触发延时间隔依次为：1.2τ，2.4τ，1.2τ，波过程理论分析结果表明4单元输出周期2.4τ的3个周期的电磁振荡。

工作原理：在使用该光控可调频全固态多周期微波产生器时，基于光控开关的全固态微波产生无需气体火花隙开关和强流真空电子束；利用第二光导开关S2优良的关断特性，双极性脉冲不会耦合到其他双极性脉冲产生单元电路中，单元在负载上独立输出双极性脉冲，实现了不同单元输出的双极性脉冲在负载上以时间顺序的首尾相接形成多周期电磁振荡，频谱更窄，能量更加集中在所需频率；采用利用第一光导开关S1延时控制，实现输出双极性脉冲的波形调制，结合利用第二光导开关S2优良的关断能力，进而实现多路输出的多周期电磁振荡的频率调制，具备频率调节能力，有利于与微波效应物的有效耦合，具备模块紧凑、高可靠和长寿命工作稳定性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种光控可调频全固态多周期微波产生器，包括M个双极性脉冲发生器单元和一个负载RL；其特征在于：M个所述双极性脉冲发生器单元并联后与负载RL串联，所述双极性脉冲发生器单元与外接光导开关激光触发系统相连，所述光导开关激光触发系统由激光二极管触发系统和大功率脉冲激光通过光纤分束器，采用M路分束光纤，产生M路延时激光脉冲系统组成，所述双极性脉冲发生器单元由一个传输线(1)和两个光导开关构成，所述光导开关包括第一光导开关S1和第二光导开关S2，所述传输线(1)采用同轴或者平板传输线结构，所述传输线(1)由可充电高压电极(11)、接地电极(12)和介质(13)构成，所述介质(13)填充在可充电高压电极(11)与接地电极(12)之间的间隙中，所述第一光导开关S1、第二光导开关S2分别位于传输线(1)的两端，所述第一光导开关S1一端连接传输线(1)的高压电极(11)，且其另一端连接接地电极(12)，位置上远离负载RL，所述第二光导开关S2一端连接传输线(1)的高电压电极(11)，且另一端连接负载RL，位置上靠近负载RL，所述负载RL一端与第二光导开关S2相连，另一端接地，所述负载RL的阻抗代表天线阻抗。

2.根据权利要求1所述的一种光控可调频全固态多周期微波产生器，其特征在于：M个所述激光二极管触发系统产生脉冲激光触发光导开关S1的导通，通过触发延时技术，同步控制M路激光二极管驱动(2)激励激光二极管(3)输出激光，激光触发光导开关S1导通，激光脉冲经光纤(4)传输照射到光导开关S2，大功率脉冲激光器产生脉宽为TFGW的激光脉冲，通过光纤分束技术，将激光脉冲能量均匀馈入M条光纤中；

其中，激光脉冲产生所需的外部触发延时技术可以选用商用型号，如美国DG535信号发生器系列，产生多路延时电压5V电平，分别触发激光二极管触发系统和大功率脉冲激光器，产生时序控制的脉冲激光，以触发光导开关，实现光导开关导通关断的时序控制。

3.根据权利要求1所述的一种光控可调频全固态多周期微波产生器，其特征在于：利用M个所述双极性脉冲发生器单元可以输出时间周期数为Q振荡频率为f₀电磁振荡，经天线辐射产生微波；

其中，第m个双极性脉冲发生器单元输出波形可调的第m个双极性脉冲，控制单个单元的第一光导开关S1和第二光导开关S2的导通与关断，可以在负载RL上输出波形可调的双极性脉冲，第一光导开关S1触发前，双极性脉冲发生器单元的传输线高压电极11被充电为直流高电压偏置；

设定第一光导开关S1的导通时刻为t1，第二光导开关S2的导通时刻为t2、关断时间为t3；

传输线(1)的电长度τ＝2(εr)1/2l/c，εr为传输线(1)介质(13)的相对介电常数，l为传输线(1)的长度，c为光速；

第一光导开关S1导通前，+0.5U0电压波在S1处开路反射(S1高阻可视为开路)，反射系数为1；在S1导通后，在S1处发生短路反射(S1导通电阻为0)，反射系数为-1，电压波幅值变为-0.5U0。+U0为S1触发前传输线1已经被充的电压；

第二光导开关S2导通前，+0.5U0电压波在S2处开路反射(S2高阻可视为开路)，反射系数为1；在S2导通后，在S2处发生透射，理想情况下传输线1的阻抗应当与匹配负载RL一致，电压波无反射，能量耦合到负载RL上，直至开关S2关断；

双极性脉冲发生器单元在负载RL上输出一个正极性+0.5U0维持时间τ+(t1-t2)，负极性-0.5U0维持时间(t3-t1)-τ的双极性脉冲，传输线(1)中储存的电磁能量转换到负载RL上；

双极性脉冲发生器单元输出脉宽为T_FGW＝t3-t2，从传输线(1)到负载RL的能量转换效率为T_FGW/(2τ)。T_FGW＝2τ对应单元的传输线(1)储存的电磁能量全部释放到负载RL上；

M个双极性脉冲发生器单元可在负载上独立输出M个双极性脉冲，令T_wave＝1/f₀，N＝T_wave/(2T_FGW-T_wave)，其输出时间周期数为Q振荡频率为f₀电磁振荡需满足条件：N必须为正整数，且Q×T_wave＝M×T_FGW；

调节频率f₀上限为N＝1，此时T_wave＝T_FGW，f₀＝1/(T_FGW)；

调节频率f₀下限为N＝∞，此时T_wave＝2T_FGW，f₀＝1/(2T_FGW)。

4.根据权利要求3所述的一种光控可调频全固态多周期微波产生器，其特征在于：M个所述双极性脉冲发生器单元输出时间周期数为Q振荡频率为f₀电磁振荡的具体工作过程：

N代表循环单元数，第1，2，3…N个双极性脉冲发生器单元充电极性依次正负变换，各个单元第一光导开关S1的触发时序的间隔时间为1/(2f₀)，能够输出N×T_FGW/T_wave个时间周期的电磁振荡；第N个和第N+1个单元的充电极性相同，远离负载端光导开关的触发时序的间隔时间为1/(f₀)；第N+1，N+2，N+3…N+N个单元充电极性依次正负变换，其各个单元远离负载端光导开关的触发时序的间隔时间为1/(2f₀)；之后，以此规律，以N为周期数，单元工作状态循环往复；

第一光导开关S1导通的上升时间应当小于0.5/f₀。第一光导开关S1的导通延时抖动应小于0.05/f₀，因不同单元间第一光导开关S1的触发时序的间隔时间为1/(2f₀)或1/(f₀)；

第二光导开关S2的导通上升时间和关断下降时间都应小于0.25/f₀。第二光导开关S2的导通延时抖动应小于0.05/f₀；

双极性脉冲发生器单元输出的能量转换效率为T_FGW/(2τ)，T_FGW的变化范围τ～2τ，故振荡频率为f₀电磁振荡的频率可调范围0.25/τ～1/τ。

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