一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器，由環(huán)形開(kāi)關(guān)、四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔和耦合器組成；通過(guò)對(duì)四分之一波長(zhǎng)振蕩器特性阻抗、開(kāi)關(guān)、微波輸出形式、高壓脈沖饋入方式以及結(jié)構(gòu)的特別設(shè)計(jì)，產(chǎn)生高功率寬譜微波振蕩，通過(guò)耦合器饋入到天線上，通過(guò)天線輻射在空間產(chǎn)生高功率寬譜微波輻射；本發(fā)明采用同軸耦合輸出結(jié)構(gòu)，可以阻斷充電電壓直接加到天線，從而降低天線功率容量的設(shè)計(jì)難度；同時(shí)通過(guò)對(duì)耦合器的合理設(shè)計(jì)可以調(diào)節(jié)諧振器的Q值。采用同軸直饋方式，使得充電內(nèi)桿可同時(shí)作為開(kāi)關(guān)的電極，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通同時(shí)即將諧振腔封閉，避免了國(guó)際上同類寬譜諧振器從側(cè)面充電造成微波泄露的不足，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單緊湊。
【專利說(shuō)明】一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高功率微波【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是指一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器。
【背景技術(shù)】
[0002]從高功率微波的效應(yīng)角度來(lái)看，窄譜HPM和超寬譜HPM各有特點(diǎn):窄譜高功率微波頻譜功率密度高，僅針對(duì)已知工作頻率的效應(yīng)目標(biāo)具有很好效果；而超寬譜微波對(duì)未知工作頻率或者變頻工作的效應(yīng)目標(biāo)可以完整覆蓋，但功率密度較小，效應(yīng)閾值需要非常高的瞬時(shí)功率。正是針對(duì)以上窄譜和超寬譜微波優(yōu)、劣勢(shì)的比較，提出了介于窄譜與超寬譜之間，并且兼顧兩者優(yōu)勢(shì)的寬譜高功率微波概念。圖1為典型效應(yīng)物內(nèi)部與四個(gè)方向照射平面波的耦合系數(shù)曲線，可以看出，耦合系數(shù)在頻率大于IGHz范圍內(nèi)都比較小，而在100MHz - 800MHz頻率范圍內(nèi)都比較高，圖中也給出了三種電磁脈沖的頻譜分布，其中寬譜微波不僅覆蓋了耦合系數(shù)較高的區(qū)域，而且具有較高的譜功率密度。
[0003]高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器用來(lái)產(chǎn)生高功率寬譜微波，它由環(huán)形開(kāi)關(guān)、四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔、耦合器所組成。其中環(huán)形開(kāi)關(guān)位于同軸內(nèi)芯與外筒之間，環(huán)形開(kāi)關(guān)的內(nèi)芯一端接高壓脈沖，一端接四分之一波長(zhǎng)同軸振腔的內(nèi)筒；四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔設(shè)計(jì)為低阻抗結(jié)構(gòu)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)饋入高功率能量的儲(chǔ)存；耦合器位于同軸振蕩腔與輸出同軸線之間，其作用是調(diào)節(jié)四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔的Q值，并隔離高壓充電脈沖直接加到輻射天線上。
[0004]目前國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)多屬于概念設(shè)計(jì)，產(chǎn)生功率較低，開(kāi)關(guān)為單點(diǎn)導(dǎo)通，多采用在振蕩腔側(cè)面充電，振蕩腔與同軸輸出線直接相聯(lián)，充電時(shí)聞電壓同時(shí)加載在天線和饋線上，不利于天線的功率容量設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器，解決目前國(guó)際上傳統(tǒng)寬譜諧振器側(cè)面充電和充電時(shí)天線也同時(shí)加載高壓的難題，實(shí)現(xiàn)了輸出脈沖帶寬可通過(guò)設(shè)計(jì)耦合器耦合系數(shù)來(lái)控制，可實(shí)現(xiàn)高功率寬譜微波輸出
本發(fā)明采用的技術(shù)方案:一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器，由環(huán)形開(kāi)關(guān)、四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔和耦合器組成；所述環(huán)形開(kāi)關(guān)內(nèi)部設(shè)置有一根同軸內(nèi)芯，所述同軸內(nèi)芯一端與脈沖功率源同軸結(jié)構(gòu)連接，另一端連接四分之一波長(zhǎng)振蕩腔的同軸輸入端；所述率禹合器內(nèi)設(shè)置有I禹合同軸內(nèi)芯，I禹合同軸內(nèi)芯的一端連接四分之一波長(zhǎng)振蕩腔的同軸輸出端，另一端為I禹合輸出端。
[0006]在上述技術(shù)方案中，所述同軸內(nèi)芯的輸入端設(shè)置有若干個(gè)連接點(diǎn)，每一個(gè)連接點(diǎn)上設(shè)置有密封圈和環(huán)形金屬片。
[0007]在上述技術(shù)方案中，所述環(huán)形開(kāi)關(guān)與四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔連接處設(shè)置有緊固螺釘，所述緊固螺釘?shù)奈恢每烧{(diào)。[0008]在上述技術(shù)方案中，所述耦合器的外殼為錐形結(jié)構(gòu)。
[0009]在上述技術(shù)方案中，所述耦合器內(nèi)設(shè)置有集中電容，所述集中電容設(shè)置在耦合同軸內(nèi)芯與四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔的輸出端之間。
[0010]在上述技術(shù)方案中，所述環(huán)形開(kāi)關(guān)、四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔和耦合器的內(nèi)部均為密封腔體，且腔體之間相通，且腔體內(nèi)充有高壓絕緣氮?dú)狻?br> [0011]在上述技術(shù)方案中，所述四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔的輸入端與輸出端的位置均為同軸水平設(shè)置。
[0012]在本方案中，高功率寬譜振蕩器可以工作在200MHz?800MHz，從左邊饋入的高功率脈沖，對(duì)四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔充電，設(shè)計(jì)充電到峰值電壓時(shí)，環(huán)形開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，產(chǎn)生一個(gè)階躍脈沖向耦合器端傳播，經(jīng)耦合器和環(huán)形開(kāi)關(guān)的來(lái)回反射形成諧振，同時(shí)通過(guò)耦合器與同軸輸出端輸出衰減振蕩的寬帶脈沖，最后振蕩脈沖由同軸傳輸線饋入到天線輻射。為了實(shí)現(xiàn)高功率寬譜微波產(chǎn)生，根據(jù)國(guó)內(nèi)外同行同類技術(shù)存在的優(yōu)缺點(diǎn)，采用了同軸饋入、多通道開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和耦合輸出的技術(shù)路線。以往同類技術(shù)路線多采用側(cè)饋、單通道開(kāi)關(guān)和同軸諧振腔與天線直接相連的方式。這種技術(shù)路線適用于較低功率的寬譜微波產(chǎn)生，當(dāng)功率提高時(shí)，側(cè)方充電饋入口必需開(kāi)較大的尺寸，否則會(huì)產(chǎn)生高壓打火。但較大的饋入口，會(huì)產(chǎn)生寬譜微波泄漏；同時(shí)較大的饋入口會(huì)影響開(kāi)關(guān)電場(chǎng)分布，不利于開(kāi)關(guān)的穩(wěn)定導(dǎo)通；開(kāi)關(guān)單點(diǎn)導(dǎo)通會(huì)產(chǎn)生較大的通道電感和電阻不利于較高頻率寬譜微波的產(chǎn)生；同軸諧振腔直接與天線相連，使得充電電壓直接加到天線上，不利于天線的絕緣設(shè)計(jì)。為了解決高功率寬譜微波的產(chǎn)生，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)采用同軸饋入，饋入同軸內(nèi)芯作為環(huán)形開(kāi)關(guān)的高壓電極。設(shè)計(jì)多通道開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，便于減小通道開(kāi)關(guān)電感和增大諧振腔儲(chǔ)能；采用集中電容與分布電感相結(jié)構(gòu)的稱合器設(shè)計(jì)，防止充電高壓直接加到天線上，減輕天線的絕緣設(shè)計(jì)難度。在諧振腔與天線之間引入耦合器，可在保持同軸諧振器和天線的阻抗固定的情況下，可以通過(guò)設(shè)計(jì)耦合器的散射系數(shù)，得到不同帶寬的寬譜微波。
[0013]在本方案中，環(huán)形開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)為同軸結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)內(nèi)芯左邊接高壓充電桿，右邊接四分之一波長(zhǎng)振蕩腔。當(dāng)充電電壓上升到一定幅度時(shí)，環(huán)形開(kāi)關(guān)的環(huán)形地電極與同軸內(nèi)芯高壓電極導(dǎo)通，環(huán)形開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)保證實(shí)現(xiàn)多通道導(dǎo)通。通過(guò)精細(xì)加工及安裝可以保證環(huán)形開(kāi)關(guān)的同心度。開(kāi)關(guān)腔內(nèi)充高氣壓的絕緣氮?dú)?，采用氮?dú)庥欣陂_(kāi)關(guān)以較高重頻運(yùn)行和增加環(huán)形開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓及開(kāi)關(guān)間距，可以實(shí)現(xiàn)較好的多通道導(dǎo)通，多通道導(dǎo)通可以降低開(kāi)關(guān)電感，以利于振蕩器工作在較高的頻率。環(huán)形開(kāi)關(guān)的另一個(gè)用用是當(dāng)振蕩器產(chǎn)生振蕩后，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后產(chǎn)生的較小的間隔可以阻斷振蕩微波向左泄漏到脈沖源一端，有利于提高寬譜微波產(chǎn)生效率。
[0014]在本方案中，采用低阻抗四分之一波長(zhǎng)同軸傳輸線設(shè)計(jì)，考慮到環(huán)形開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電感及同軸結(jié)構(gòu)的端頭效應(yīng)，同軸諧振器的實(shí)際長(zhǎng)度要稍小于四分之一寬譜微波中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)時(shí)同軸諧振腔的電容要與脈沖功率源的輸出電容相匹配設(shè)計(jì)，以期達(dá)到較高的充電效率；在同軸諧振腔的特性阻抗設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮腔內(nèi)的功率容量和電場(chǎng)分布。要求諧振腔內(nèi)不產(chǎn)生高壓放電，同時(shí)要求諧振腔內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度要明顯小于環(huán)形開(kāi)關(guān)處的電場(chǎng)強(qiáng)度，以確保導(dǎo)通放電產(chǎn)生于開(kāi)關(guān)處。同軸諧振腔內(nèi)采用高壓氣體絕緣，諧振腔與環(huán)形開(kāi)關(guān)腔相通。
[0015]本方案中，耦合器采用集中電容與分布電感相結(jié)合設(shè)計(jì)方案，集中電容由絕緣材料介質(zhì)塊提供，分布電感由錐形同軸結(jié)構(gòu)的外筒與內(nèi)芯提供。利用了電容高通與電感低通的特性，根據(jù)所產(chǎn)生的寬譜微波頻率和帶寬要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)集中電容與分布電感的結(jié)構(gòu)參數(shù)?？梢栽谒蟮膸拑?nèi)，實(shí)現(xiàn)較為平坦的耦合輸出，同時(shí)對(duì)于帶寬以外的低頻產(chǎn)生較大的抑制作用。
[0016]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的開(kāi)關(guān)振蕩器低阻抗、諧振充電效率高、采用環(huán)形多通道開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，以減小開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電感和電阻，使諧振器可以振蕩在較高頻率、采用同軸耦合輸出結(jié)構(gòu)，可以阻斷充電電壓直接加到天線，從而降低天線功率容量的設(shè)計(jì)難度；同時(shí)通過(guò)對(duì)耦合器的合理設(shè)計(jì)可以調(diào)節(jié)諧振器的Q值；采用同軸直饋方式，使得充電內(nèi)桿可同時(shí)作為開(kāi)關(guān)的電極，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通同時(shí)即將諧振腔封閉，避免了國(guó)際上同類寬譜諧振器從側(cè)面充電造成微波泄露的不足，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單緊湊。將高功率容量設(shè)計(jì)與諧振器的低阻抗要求相結(jié)合，優(yōu)化了腔內(nèi)電場(chǎng)分布，可實(shí)現(xiàn)較高功率的寬譜振蕩重頻脈沖輸出，并在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)定運(yùn)行。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中:
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是輸出寬譜脈沖波形；
圖3是輸出寬譜脈沖頻譜；
圖4是S21曲線；
圖5是振蕩器輸出電壓波形。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0019]如圖1，本發(fā)明所述的開(kāi)關(guān)振蕩器主要包括三個(gè)部分，即環(huán)形開(kāi)關(guān)、四分之一波長(zhǎng)同軸諧振腔和耦合器，環(huán)形開(kāi)關(guān)的腔體外殼通過(guò)緊固螺栓5與脈沖功率源的同軸外殼I連接在一起，為了隔離脈沖功率源與環(huán)形開(kāi)關(guān)內(nèi)的腔體，在兩者之間設(shè)置有一塊絕緣支撐4，同時(shí)在絕緣支撐4與外殼之間再設(shè)置有密封圈3，徹底實(shí)現(xiàn)脈沖功率源與環(huán)形開(kāi)關(guān)腔的氣體隔離；同時(shí)與脈沖功率源的連接采用同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)芯2，并與環(huán)形開(kāi)關(guān)的同軸內(nèi)芯連接，環(huán)形開(kāi)關(guān)的同軸內(nèi)芯的連接處設(shè)置有若干個(gè)連接點(diǎn)，每一個(gè)連接點(diǎn)上都設(shè)置有環(huán)形金屬片6和密封圈7，環(huán)形金屬片6的作用是確保旋轉(zhuǎn)同軸內(nèi)芯螺桿時(shí)，不會(huì)帶動(dòng)密封圈7同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，以確何密封圈7不會(huì)被損壞，而密封圈7是實(shí)現(xiàn)脈沖功率源饋入端與環(huán)形開(kāi)關(guān)腔之間氣體密封隔離，防止高壓氣體泄露到脈沖功率源一側(cè)；在環(huán)形開(kāi)關(guān)與四分之一波長(zhǎng)同軸諧振腔之間設(shè)置有緊固螺釘8，其功能是連接環(huán)形開(kāi)關(guān)腔同軸外筒與不同開(kāi)關(guān)半徑的環(huán)形開(kāi)關(guān)地電極9，實(shí)現(xiàn)環(huán)形開(kāi)關(guān)間距的調(diào)節(jié)；環(huán)形開(kāi)關(guān)地電極9設(shè)置在四分之一波長(zhǎng)同軸諧振腔的外筒10與內(nèi)筒11之間，四分之一波長(zhǎng)同軸諧振腔的外筒10通過(guò)緊固螺銓14與耦合器連接，在連接處設(shè)置有密封圈13，用來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振腔與耦合器同軸外筒連接處的氣體密封；在四分之一波長(zhǎng)同軸諧振腔的輸出口設(shè)置集中電容12，承擔(dān)實(shí)現(xiàn)諧振器產(chǎn)生的寬譜微波耦合輸出的功能外，還具有絕緣支撐和實(shí)現(xiàn)環(huán)形開(kāi)關(guān)同心的作用；在集中電容12上設(shè)置有耦合器同軸內(nèi)芯15,其功能是與稱合器外筒16—起實(shí)現(xiàn)組成稱合器的分布電感,分布電感與集中電容一起實(shí)現(xiàn)寬譜微波I禹合輸出的功能；f禹合器的外筒16為錐形結(jié)構(gòu)，I禹合器的輸出端設(shè)置有絕緣支撐17，其功能是實(shí)現(xiàn)耦合器的同軸結(jié)構(gòu)支撐和實(shí)現(xiàn)耦合器與天饋系統(tǒng)之間的氣體隔離，防止諧振腔內(nèi)的高壓氣體泄漏到天饋系統(tǒng)中。
[0020]本發(fā)明中通過(guò)對(duì)振蕩器特性阻抗和耦合器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可得到較大的功率產(chǎn)生效率，產(chǎn)生的寬譜振蕩波形及頻譜如圖2和圖3所示，圖2為模擬中充電電壓IV時(shí)產(chǎn)生的寬譜脈沖電壓波形，波形為幅值指數(shù)衰減的振蕩脈沖，脈沖峰值約為充電電壓的0.86倍，圖3為輸出寬譜脈沖的歸一化頻譜，中心頻率為305MHz，百分比帶寬為21%。耦合器的S21曲線如圖4所示。在200MHz?800MHz耦合輸出曲線較為平坦，在O?200MHz低頻，微波輸出得到明顯的仰制。電場(chǎng)主要集中于環(huán)形開(kāi)關(guān)處，開(kāi)關(guān)處電場(chǎng)強(qiáng)度是其他區(qū)域的兩倍以上，確保擊穿發(fā)生在開(kāi)關(guān)處。通過(guò)輸出同軸線內(nèi)筒的電容分壓器監(jiān)測(cè)諧振器的輸出脈沖，圖5為電壓分壓器測(cè)得的輸出寬譜脈沖波形，中心頻率304MHz，帶寬25%
本發(fā)明并不局限于前述的【具體實(shí)施方式】。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書(shū)中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組合。
【權(quán)利要求】
1.一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器，其特征在于由環(huán)形開(kāi)關(guān)、四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔和耦合器組成；所述環(huán)形開(kāi)關(guān)內(nèi)部設(shè)置有一根同軸內(nèi)芯，所述同軸內(nèi)芯一端與脈沖功率源同軸結(jié)構(gòu)連接，另一端連接四分之一波長(zhǎng)振蕩腔的同軸輸入端；所述耦合器內(nèi)設(shè)置有I禹合同軸內(nèi)芯，I禹合同軸內(nèi)芯的一端連接四分之一波長(zhǎng)振蕩腔的同軸輸出端，另一端為I禹合輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器，其特征為所述同軸內(nèi)芯的輸入端設(shè)置有若干個(gè)連接點(diǎn)，每一個(gè)連接點(diǎn)上設(shè)置有密封圈和環(huán)形金屬片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器，其特征為所述環(huán)形開(kāi)關(guān)與四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔連接處設(shè)置有緊固螺釘，所述緊固螺釘?shù)奈恢每烧{(diào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器，其特征為所述耦合器的外殼為錐形結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器，其特征為所述耦合器內(nèi)設(shè)置有集中電容，所述集中電容設(shè)置在耦合同軸內(nèi)芯與四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔的輸出端之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器，其特征為所述環(huán)形開(kāi)關(guān)、四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔和耦合器的內(nèi)部均為密封腔體，且腔體之間相通，且腔體內(nèi)充有高壓絕緣氮?dú)狻?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率寬譜四分之一波長(zhǎng)開(kāi)關(guān)振蕩器，其特征為所述四分之一波長(zhǎng)同軸振蕩腔的輸入端與輸出端的位置均為同軸水平設(shè)置。
【文檔編號(hào)】H01P7/04GK103928740SQ201410166356
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】廖勇, 徐剛, 謝平, 張晉琪, 陸巍 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所