CN113394533B - 一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线。该复合陶瓷型旋磁非线性传输线整体呈现为多层同轴圆柱结构，从轴心向外依次设置有同轴内导体、铁氧体磁环层、绝缘介质层、同轴外导体、线圈以及充油气嘴；其还包括敷设于所述同轴内导体的外壁上的内陶瓷层和/或敷设于所述同轴外导体的内壁上的外陶瓷层。本发明提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线，通过在同轴内导体的外侧和同轴外导体的内侧分别敷设内/外陶瓷层，优化了旋磁非线性传输线的结构，增强同轴内、外导体之间的绝缘强度，使得其能够输出更高功率的宽带电磁脉冲，并且有效克服了现有技术中的旋磁非线性传输线内、外导体之间易发生的局部击穿，进而制约其功率容量提升的技术缺陷。

Description

一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线

技术领域

本发明涉及宽带高功率微波领域，尤其涉及一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线。

背景技术

目前，高功率射频电磁脉冲在空间卫星通讯、高能电子束产生、高功率微波辐射及推进等众多领域有着广泛且极其重要的应用。非线性传输线是一种可产生宽带射频电磁脉冲的固态调制器件，其由于摆脱了对真空电子束和箍缩强磁场的需求，同时又不需要气体火花开关作为起振元件，因此重复频率运行能力可达kHz级以上，而且还可对调制脉冲的振荡频率进行调节。现有技术中，可产生高频（GHz级以上）高功率电磁脉冲的非线性传输线主要有两种，分别为交叉耦合电容型非线性传输线（cross-coupling-capacitor nonlineartransmission line）和旋磁型非线性传输线（gyro-magnetic nonlinear transmissionline）。

旋磁非线性传输线是一种宽带高功率微波产生装置，利用旋磁材料的拉莫尔旋磁进动效应产生振荡电磁脉冲，以其无需电子束驱动、导引磁场、真空系统和结构相对简单的优点，适合小型化和固态化的应用，能将注入的高压脉冲转换成功率达GW、中心频率在几百MHz~几GHz范围内的宽带电磁脉冲，重复频率可达kHz以上。同时，旋磁非线性传输线还具有电调频的特点，通过调节外部线圈产生的初始偏置磁场的大小，可在不改变结构的情况下，在一定范围内调制出具有不同中心频率和相位的宽带电磁脉冲。

旋磁非线性传输线产生宽带电磁脉冲的核心因素在于，高压脉冲注入到内导体时，在内、外导体间传播的横电磁波会迫使铁氧体材料的微观磁矩产生方位角方向有阻尼的一致进动，不仅能有效压缩入射波形的脉冲前沿，还能在入射波形上调制出一系列的振荡，从而产生宽带电磁脉冲。

公开号为CN105226350A的发明专利提供了一种基于非线性传输线的同轴高功率微波发生器，其包括第一固定法兰、第二固定法兰、传输线外导体、传输线内导体、非线性铁氧体磁环前段、非线性铁氧体磁环后段、螺线管、固态电介质和尼龙固定装置。公开号为CN107919518A的发明专利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。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。但是，上述装置需将固态绝缘介质灌封进内、外导体之间的部分，存在一旦旋磁非线性传输线制作安装完毕，则不易对铁氧体磁芯进行更换的技术缺陷。

随着高功率微波技术的不断发展，对高功率微波产生装置的功率容量提出了更高要求。而现有技术中，旋磁非线性传输线内、外导体之间发生的局部击穿现象成为制约其功率容量提升的主要因素。

有鉴于此，有必要设计一种改进的用于产生宽带高功率微波的复合陶瓷型旋磁非线性传输线，既能提高旋磁非线性传输线的功率容量，又方便对铁氧体磁芯进行更换，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于产生宽带高功率微波的复合陶瓷型旋磁非线性传输线。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线，其整体呈现为多层同轴圆柱结构从轴心向外依次设置有同轴内导体、铁氧体磁环层、绝缘介质层、同轴外导体以及线圈；

所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线还包括敷设于所述同轴内导体的外壁上的内陶瓷层和/或敷设于所述同轴外导体的内壁上的外陶瓷层。

作为本发明的进一步改进，所述同轴内导体为非铁磁性金属，且设置于所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线的轴心处，构成高压脉冲的注入通道。

作为本发明的进一步改进，所述内陶瓷层和所述外陶瓷层均为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。

作为本发明的进一步改进，所述铁氧体磁环层为由若干个铁氧体磁环沿所述同轴内导体的轴线方向紧密并排套设在所述内陶瓷层的外壁上构建而成。

作为本发明的进一步改进，所述铁氧体磁环为镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钇铁石榴石中的一种；通过改变所述铁氧体磁环的材料类别和套设长度，对输出宽带电磁脉冲波形的频率和振荡时间进行调整。

作为本发明的进一步改进，所述绝缘介质层包括设置于所述铁氧体磁环层和所述外陶瓷层之间且具备密封容纳腔体的中空圆筒状壳体和填充于所述中空圆筒状壳体内部的绝缘介质；

所述绝缘介质为变压器油、真空泵油、加压六氟化硫中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线还包括设置于所述同轴外导体外表面并贯穿所述同轴外导体和所述外陶瓷层且用于向所述中空圆筒状壳体的容纳腔体内添加所述绝缘介质的充油气嘴。

作为本发明的进一步改进，所述线圈为不同规格的漆包线或电缆；所述线圈以单层或多层的结构绕制在所述同轴外导体的外侧；通过在所述线圈中通以直流电，产生所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线所需的初始偏置磁场。

作为本发明的进一步改进，所述同轴外导体为非铁磁性金属，且其接地良好。

作为本发明的进一步改进，所述非铁磁性金属包括但不限于为黄铜、无磁不锈钢中的一种。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线，通过在同轴内导体的外侧和同轴外导体的内侧分别敷设内/外陶瓷层，优化了旋磁非线性传输线的结构，增强同轴内、外导体之间的绝缘强度，使得其能够输出更高功率的宽带电磁脉冲，并且有效克服了现有技术中的旋磁非线性传输线内、外导体之间易发生的局部击穿，进而制约其功率容量提升的技术缺陷。本发明提供的内/外陶瓷层采用氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷材质，其具备优异的绝缘性能并且微波损耗小，可在不影响旋磁非线性传输线输出性能的前提下，提高其功率容量和击穿电压。

2、本发明提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线，结构相对简单，具有体积小、重量轻的优点，便于生产、组装和运输，可适应多种环境。

3、本发明提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线，可通过调节初始偏置磁场的大小和旋磁非线性传输线的长度和种类，改变输出宽带电磁脉冲的中心频率和振荡时间。

4、本发明提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线，采用了全固态器件，能达到较高的重复频率，性能优异，具备巨大的应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的具有内、外陶瓷层的复合陶瓷型旋磁非线性传输线的正视剖面图。

图2为本发明实施例1提供的具有内、外陶瓷层的复合陶瓷型旋磁非线性传输线的侧视剖面图。

图3为本发明实施例2提供的具有内陶瓷层的复合陶瓷型旋磁非线性传输线的正视剖面图。

图4为本发明实施例2提供的具有内陶瓷层的复合陶瓷型旋磁非线性传输线的侧视剖面图。

图5为本发明实施例3提供的具有外陶瓷层的复合陶瓷型旋磁非线性传输线的正视剖面图。

图6为本发明实施例3提供的具有外陶瓷层的复合陶瓷型旋磁非线性传输线的侧视剖面图。

图7为本发明实施例1提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线输入的电压波形图。

图8为本发明实施例1提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线输出的电磁脉冲波形图。

附图标记

1-同轴内导体；2-内陶瓷层；2^，-内陶瓷层；3-铁氧体磁环；4-绝缘介质；5-外陶瓷层；5^，-外陶瓷层；6-同轴外导体；7-线圈；8-充油气嘴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

实施例1

请参阅图1和图2所示，本发明提供了一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线，其整体呈现为多层同轴圆柱结构，从轴心向外依次设置有同轴内导体1、内陶瓷层2、铁氧体磁环层3、绝缘介质层4、外陶瓷层5、同轴外导体6、线圈7以及充油气嘴8。

所述同轴内导体1为非铁磁性金属，且设置于所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线的轴心处，构成高压脉冲的注入通道。相对应的，所述同轴外导体6也为非铁磁性金属，且其应保证接地良好。

优选的，所述非铁磁性金属包括但不限于为黄铜、无磁不锈钢中的一种。

在本实施方式中，所述内陶瓷层2敷设于所述同轴内导体1的外壁上，所述外陶瓷层5敷设于所述同轴外导体6的内壁上；所述内陶瓷层2和所述外陶瓷层5均为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。通过在同轴内导体1的外侧和同轴外导体6的内侧分别敷设内/外陶瓷层2、5，优化了旋磁非线性传输线的结构，增强同轴内、外导体之间的绝缘强度，使得其能够输出更高功率的宽带电磁脉冲。

请参阅图1所示，所述铁氧体磁环层3为由若干个铁氧体磁环沿所述同轴内导体1的轴线方向紧密并排套设在所述内陶瓷层2的外壁上构建而成。

优选的，所述铁氧体磁环为镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钇铁石榴石中的一种。本发明提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线可以通过改变所述铁氧体磁环的材料类别和套设长度，对输出宽带电磁脉冲波形的频率和振荡时间进行调整。

在本实施方式中，所述绝缘介质层4包括设置于所述铁氧体磁环层3和所述外陶瓷层5之间且具备密封容纳腔体的中空圆筒状壳体（图中未标记）和填充于所述中空圆筒状壳体内部的绝缘介质。所述绝缘介质为变压器油、真空泵油、加压六氟化硫中的一种。

需要注意的是，采用变压器油、真空泵油等液体作为绝缘介质时，应将液体经过多次过滤，确保液体清洁无杂质。

所述充油气嘴8设置于所述同轴外导体6外表面并贯穿所述同轴外导体6和所述外陶瓷层5且用于向所述中空圆筒状壳体的容纳腔体内添加所述绝缘介质。

所述线圈7可以为不同规格的漆包线或电缆；所述线圈7以单层或多层的结构绕制在所述同轴外导体6的外侧；正常工作时，通过在所述线圈7中通以直流电，产生所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线所需的初始偏置磁场。

在进行装配前，应首先采用酒精对复合陶瓷型旋磁非线性传输线的各个部件进行清洗，除去表面油污，并放入烘箱进行烘烤；待烘烤完成后，再进行各个部件的安装。

实施例2

请参阅图3和图4所示，本发明提供了一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线，其整体呈现为多层同轴圆柱结构，从轴心向外依次设置有同轴内导体1、内陶瓷层2^，、铁氧体磁环层3、绝缘介质层4、同轴外导体6、线圈7以及充油气嘴8。

所述同轴内导体1为非铁磁性金属，且设置于所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线的轴心处，构成高压脉冲的注入通道。相对应的，所述同轴外导体6也为非铁磁性金属，且其应保证接地良好。

优选的，所述非铁磁性金属包括但不限于为黄铜、无磁不锈钢中的一种。

在本实施方式中，所述内陶瓷层2^，敷设于所述同轴内导体1的外壁上；所述内陶瓷层2为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。通过在同轴内导体1的外侧敷设内陶瓷层2，优化了旋磁非线性传输线的结构，增强同轴内、外导体之间的绝缘强度，使得其能够输出更高功率的宽带电磁脉冲。

请参阅图1所示，所述铁氧体磁环层3为由若干个铁氧体磁环沿所述同轴内导体1的轴线方向紧密并排套设在所述内陶瓷层2的外壁上构建而成。

优选的，所述铁氧体磁环为镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钇铁石榴石中的一种。本发明提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线可以通过改变所述铁氧体磁环的材料类别和套设长度，对输出宽带电磁脉冲波形的频率和振荡时间进行调整。

在本实施方式中，所述绝缘介质层4包括设置于所述铁氧体磁环层3和所述同轴外导体6之间且具备密封容纳腔体的中空圆筒状壳体（图中未标记）和填充于所述中空圆筒状壳体内部的绝缘介质。所述绝缘介质为变压器油、真空泵油、加压六氟化硫中的一种。

需要注意的是，采用变压器油、真空泵油等液体作为绝缘介质时，应将液体经过多次过滤，确保液体清洁无杂质。

所述充油气嘴8设置于所述同轴外导体6外表面并贯穿所述同轴外导体6且用于向所述中空圆筒状壳体的容纳腔体内添加所述绝缘介质。

所述线圈7可以为不同规格的漆包线或电缆；所述线圈7以单层或多层的结构绕制在所述同轴外导体6的外侧；正常工作时，通过在所述线圈7中通以直流电，产生所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线所需的初始偏置磁场。

在进行装配前，应首先采用酒精对复合陶瓷型旋磁非线性传输线的各个部件进行清洗，除去表面油污，并放入烘箱进行烘烤；待烘烤完成后，再进行各个部件的安装。

实施例3

请参阅图5和图6所示，本发明提供了一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线，其整体呈现为多层同轴圆柱结构，从轴心向外依次设置有同轴内导体1、铁氧体磁环层3、绝缘介质层4、外陶瓷层5^，、同轴外导体6、线圈7以及充油气嘴8。

所述同轴内导体1为非铁磁性金属，且设置于所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线的轴心处，构成高压脉冲的注入通道。相对应的，所述同轴外导体6也为非铁磁性金属，且其应保证接地良好。

优选的，所述非铁磁性金属包括但不限于为黄铜、无磁不锈钢中的一种。

在本实施方式中，所述外陶瓷层5^，敷设于所述同轴外导体6的内壁上；所述外陶瓷层5^，为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。通过在同轴外导体6的内侧敷设外陶瓷层5^，，优化了旋磁非线性传输线的结构，增强同轴内、外导体之间的绝缘强度，使得其能够输出更高功率的宽带电磁脉冲。

请参阅图5所示，所述铁氧体磁环层3为由若干个铁氧体磁环沿所述同轴内导体1的轴线方向紧密并排套设在所述同轴内导体1的外壁上构建而成。

优选的，所述铁氧体磁环为镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钇铁石榴石中的一种。本发明提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线可以通过改变所述铁氧体磁环的材料类别和套设长度，对输出宽带电磁脉冲波形的频率和振荡时间进行调整。

在本实施方式中，所述绝缘介质层4包括设置于所述铁氧体磁环层3和所述外陶瓷层5^，之间且具备密封容纳腔体的中空圆筒状壳体（图中未标记）和填充于所述中空圆筒状壳体内部的绝缘介质。所述绝缘介质为变压器油、真空泵油、加压六氟化硫中的一种。

需要注意的是，采用变压器油、真空泵油等液体作为绝缘介质时，应将液体经过多次过滤，确保液体清洁无杂质。

所述充油气嘴8设置于所述同轴外导体6外表面并贯穿所述同轴外导体6和所述外陶瓷层5^，且用于向所述中空圆筒状壳体的容纳腔体内添加所述绝缘介质。

所述线圈7可以为不同规格的漆包线或电缆；所述线圈7以单层或多层的结构绕制在所述同轴外导体6的外侧；正常工作时，通过在所述线圈7中通以直流电，产生所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线所需的初始偏置磁场。

在进行装配前，应首先采用酒精对复合陶瓷型旋磁非线性传输线的各个部件进行清洗，除去表面油污，并放入烘箱进行烘烤；待烘烤完成后，再进行各个部件的安装。

性能测试：

图7给出了实施例1提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线输入的电压波形图，其注入波形参数为：电压峰值为13.5kV，10%-90%上升时间为3ns。

图8给出了实施例1提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线输出的电磁脉冲波形图，其输出波形参数为：电压峰值为17.9kV，10%-90%上升时间为0.5ns，中心频率为1GHz，表明复合陶瓷型旋磁非线性传输线已将注入的电压脉冲调制成宽带电磁脉冲。

本发明实施例1提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线提高了内、外导体之间的绝缘强度，从而可耐受更高的注入电压，达到增加功率容量的目的；耐受注入电压相比常规的传输线的增幅能达到15%。

综上所述，本发明提供了一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线。该复合陶瓷型旋磁非线性传输线整体呈现为多层同轴圆柱结构，从轴心向外依次设置有同轴内导体、铁氧体磁环层、绝缘介质层、同轴外导体、线圈以及充油气嘴。陶瓷介质分别均匀敷设在同轴内导体的外侧和同轴外导体的内侧，形成内、外陶瓷层；若干个铁氧体磁环沿同轴内导体的轴线方向紧密并排套设在内陶瓷层的外侧；外导体表面配有充油气嘴；绝缘介质通过充油气嘴注入进同轴内、外导体之间的区域；多匝直流供电的线圈绕制在外导体外部；通过改变线圈直流电的大小，可对输出宽带高功率微波的中心频率进行调节。本发明提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线，通过在同轴内导体的外侧和同轴外导体的内侧分别敷设内/外陶瓷层，优化了旋磁非线性传输线的结构，增强同轴内、外导体之间的绝缘强度，使得其能够输出更高功率的宽带电磁脉冲，并且有效克服了现有技术中的旋磁非线性传输线内、外导体之间易发生的局部击穿，进而制约其功率容量提升的技术缺陷。本发明提供的复合陶瓷型旋磁非线性传输线具有功率容量高、结构简单、可固态化、易小型化、中心频率可调和可重频运行的优点。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线，其特征在于：所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线整体呈现为多层同轴圆柱结构，从轴心向外依次设置有同轴内导体（1）、铁氧体磁环层（3）、绝缘介质层（4）、同轴外导体（6）以及线圈（7）；

所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线还包括敷设于所述同轴内导体（1）的外壁上的内陶瓷层（2）和/或敷设于所述同轴外导体（6）的内壁上的外陶瓷层（5）；

所述内陶瓷层（2）为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷；

所述外陶瓷层（5）为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷；

所述铁氧体磁环层（3）为由若干个铁氧体磁环沿所述同轴内导体（1）的轴线方向紧密并排套设在所述内陶瓷层（2）的外壁上构建而成；

所述绝缘介质层（4）包括设置于所述铁氧体磁环层（3）和所述外陶瓷层（5）之间且具备密封容纳腔体的中空圆筒状壳体和填充于所述中空圆筒状壳体内部的绝缘介质；

所述绝缘介质为变压器油、真空泵油、加压六氟化硫中的一种；

通过在同轴内导体的外侧和同轴外导体的内侧分别敷设内/外陶瓷层，优化旋磁非线性传输线的结构，增强同轴内、外导体之间的绝缘强度，使得其能够输出更高功率的宽带电磁脉冲，内/外陶瓷层采用氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷材质，具备优异的绝缘性能并且微波损耗小，可在不影响旋磁非线性传输线输出性能的前提下，提高其功率容量和击穿电压。

2.根据权利要求1所述的一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线，其特征在于：所述同轴内导体（1）为非铁磁性金属，且设置于所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线的轴心处，构成高压脉冲的注入通道。

3.根据权利要求1所述的一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线，其特征在于：所述铁氧体磁环为镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、钇铁石榴石中的一种；通过改变所述铁氧体磁环的材料类别和套设长度，对输出宽带电磁脉冲波形的频率和振荡时间进行调整。

4.根据权利要求1所述的一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线，其特征在于：所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线还包括设置于所述同轴外导体（6）外表面并贯穿所述同轴外导体（6）和所述外陶瓷层（5）且用于向所述中空圆筒状壳体的容纳腔体内添加所述绝缘介质的充油气嘴（8）。

5.根据权利要求1所述的一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线，其特征在于：所述线圈（7）为不同规格的漆包线或电缆；所述线圈（7）以单层或多层的结构绕制在所述同轴外导体（6）的外侧；通过在所述线圈（7）中通以直流电，产生所述复合陶瓷型旋磁非线性传输线所需的初始偏置磁场。

6.根据权利要求2所述的一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线，其特征在于：所述同轴外导体（6）为非铁磁性金属，且其接地良好。

7.根据权利要求6所述的一种复合陶瓷型旋磁非线性传输线，其特征在于：所述非铁磁性金属为黄铜、无磁不锈钢中的一种。

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