一种基于磁开关的宽谱微波产生系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于磁开关的宽谱微波产生系统，目的是解决现有宽谱微波产生系统难以实现高重频、长寿命稳定运行、小型化困难等问题。本发明专利技术由初级电源U0、储能电容CC、磁开关和负载天线R组成。利用磁开关的磁芯工作状态在正向饱和点和反向饱和点之间的切换完成磁开关的绕组上电流转向，在负载天线上产生宽谱脉冲振荡，实现宽谱微波产生系统的轻小化、紧凑化，并依托磁开关高重频、长寿命工作的特点有效提高宽谱微波系统重频运行能力和长寿命工作能力。本发明专利技术不需要脉冲形成线产生宽谱振荡，有利于实现宽谱微波系统的固态化和紧凑化；本发明专利技术采用磁开关作为主开关，大大提高了宽谱微波系统的运行寿命。宽谱微波系统的运行寿命。宽谱微波系统的运行寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁开关的宽谱微波产生系统


[0001]本专利技术涉及宽谱高功率微波
，尤其是涉及一种基于磁开关的宽谱微波产生系统。

技术介绍

[0002]高功率微波技术(High Power Microwave)是核技术中衍生出的一门新兴学科领域，是脉冲功率技术、相对论电真空器件、天线技术等多学科相结合的综合学科。根据瞬时频谱宽度的不同，可将高功率微波分为“窄谱高功率微波”(NS
‑
HPM)、“宽谱高功率微波”(WS
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HPM)和“超宽谱高功率微波”(UWS
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HPM)三类。超宽谱微波和窄谱微波是高功率微波的两种典型技术类型，超宽谱微波的频带范围宽，但是功率谱密度低；窄谱微波的频带范围窄，但功率谱密度高。宽谱微波兼顾了超宽谱微波的频谱覆盖范围宽以及窄谱微波的谱功率密度高的特点，对常见电子设备和电子信息系统具有比较高的后门耦合效率，其在电磁脉冲模拟器、强电磁兼容试验及炸弹排爆等领域展现了出了良好的应用前景。同时这些应用需求也对宽谱微波辐射源的运行寿命、重复频率、结构紧凑性、输出功率和工作稳定性等提出了更高要求。
[0003]目前产生宽谱微波的方法主要包括开关激励同轴谐振器、非线性传输线方式、非匹配Blumlein线产生宽谱振荡、色散天线、冻波发生器等几种。它们的研究现状和技术实现途径各异，但从原理上来说主要是利用开关技术，结合不同形成线之间、形成线与天线之间的组合，在负载天线上形成衰减振荡或通过色散天线直接产生宽谱辐射。在实际的工程应用中，传统气体开关常被用来作为起振或陡化器件，具有结构简单、导通快、通流能力强等特点，但其存在电极烧蚀严重、使用寿命短(一般小于105)，需要经常维护，难以实现高重频运行等不足。冻波发生器采用光导开关作为线间开关来产生宽谱振荡，同样面临目前光导开关本身的寿命难题；脉冲形成线作为主要的储能部件，利用传输线波过程直接参与了电磁振荡形成，通过调整其结构参数可获得不同时域波形、频谱参数的宽谱脉冲，然而提高形成线输出功率和功率容量并保持结构的紧凑性仍是目前实现宽谱系统良好工程应用亟待解决的问题；对于色散天线技术体制，天线类型比较固定，选择余地较小，而且受限于天线带宽，在实际应用中难度较大。
[0004]中国工程物理研究院的研究者在学术论文《小型化紧凑型高功率宽谱源》【张晋琪等.小型化紧凑型高功率宽谱源[J].强激光与粒子束,26卷，4期，2014年】中报道了一种小型化紧凑型宽谱源(简称
技术介绍
一)，该宽谱源包括：初级电源、Marx发生器、开关、谐振器、耦合器和贴片天线。其中Marx发生器为全电感隔离型Marx发生器，开关为气体开关，谐振器为低阻抗传输线，长度l＝λ/4(λ为系统所产生的宽谱微波中心频率对应波长)，贴片天线采用宽带贴片天线，如图1所示。其基本工作原理为：初级电源产生
±
50kV的恒流输出，给Marx发生器充电；Marx发生器内的多级串联气体开关逐级过电压自击穿后，在Marx发生器输出端产生快上升前沿的高压脉冲并给谐振器充电。在位于谐振器前端的气体开关导通后，谐振器上激励起中心频率对应波长为4l的高频谐振，该高频谐振通过耦合器由贴片天
线辐射出去产生宽谱微波。该
技术介绍
中，宽谱微波的产生依赖于气体开关自击穿后在谐振器上产生的传输线波过程，系统运行寿命和重复频率受限于气体开关的使用寿命和重复频率(只有数十Hz)，且谐振器的使用制约了系统的小型化发展。
[0005]美国学者在学术论文《High
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Power Microwave Generation With Photoconductors》【O.S.F.Zucker,“High
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Power Microwave Generation With Photoconductors,”vol.26,no.15,pp.2430
–
2440,2008.(基于光导器件的高功率微波产生技术，光波技术杂志，26卷，页码：2430
‑
2440，2008年)】中报道了一种基于光导开关的冻波发生器(简称
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二)，该冻波发生器由N段正负交替充电(+V，
‑
V)，阻抗均为Z、电长度为l的传输线和线间开关SW(光导开关)组成，如图2所示。在线间开关SW闭合导通前，各段传输线被正负交替充电；线间开关SW同时闭合导通后，在系统最右端负载Z上获得一个周期数等于传输线段数N、时间周期为2l的电磁振荡。该
技术介绍
可在负载Z上产生宽谱脉冲振荡，形成宽谱微波辐射，但系统依赖于光导开关关断后在传输线上形成的波过程，受限于光导开关的使用寿命(<106次)、激光触发系统复杂度以及传输线结构，系统难以实现长寿命运行，且结构紧凑化困难。
[0006]基于上述
技术介绍
，需要一种结构紧凑并能实现高重频、长寿命稳定运行的新型宽谱微波产生系统，以克服现有宽谱微波产生系统在系统结构、运行能力上面临的困境。磁开关是一种利用磁芯由非饱和态到饱和态的转变形成电感突变，从而实现对电路通断控制的具有高重频、长寿命的高功率固态开关。随着磁性材料技术突破和高性能脉冲功率装置应用需求牵引，磁开关不仅被广泛用于脉冲压缩网络以对电脉冲信号进行整形，还用作脉冲功率装置的主开关对负载进行放电以实现系统的主脉冲输出。其被认为是解决传统气体开关电极烧蚀严重、重频能力受限等不足的重要途径之一，但是将磁开光作为宽谱微波产生系统的主开关，并通过其产生宽谱振荡的设计目前还未见报道。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是针对现有宽谱微波产生系统难以实现高重频、长寿命稳定运行、且小型化困难等不足，提供一种基于磁开关的宽谱微波产生系统，利用磁开关的磁芯工作状态在正向饱和点和反向饱和点之间的切换完成磁开关的绕组上电流转向，直接在负载天线上产生宽谱脉冲振荡，实现宽谱微波产生系统的轻小化、紧凑化，并依托磁开关高重频(>1kHz)、长寿命(>109次)工作的特点有效提高宽谱微波系统重频运行能力和长寿命工作能力。
[0008]本专利技术的技术方案是：
[0009]一种基于磁开关的宽谱微波产生系统，包括初级电源U0、储能电容CC、磁开关MS和负载天线R。初级电源U0的高压端与储能电容CC的上极板连接，初级电源U0的接地端与储能电容CC的下极板连接，为储能电容CC充电；储能电容CC的上极板与负载天线R的上极板相连，储能电容CC的下极板与负载天线R的下极板相连。磁开关MS由磁芯和绕组组成，绕组由连续导线缠绕磁芯构成，绕组一端与储能电容CC的上极板连接，另一端与储能电容CC的下极板连接，储能电容CC的上极板和下极板间电压同时加载到磁开关MS上。在储能电容CC的上极板和下极板间电压的作用下，磁开关MS磁芯的工作状态在正向饱和点和反向饱和点之间来回切换完成绕组上电流转向，在负载天线R上形成宽谱脉冲振荡。
[0010]所述磁开关MS要求在磁芯处于未饱和状态时，未饱和电感L0大于1μH，相当于使磁开关MS处于断开状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁开关的宽谱微波产生系统，包括初级电源U0；其特征在于基于磁开关的宽谱微波产生系统还包括储能电容CC、磁开关MS和负载天线R；初级电源U0的高压端与储能电容CC的上极板连接，初级电源U0的接地端与储能电容CC的下极板连接，为储能电容CC充电；储能电容CC的上极板与负载天线R的上极板(1)相连，储能电容CC的下极板与负载天线R的下极板(2)相连；磁开关MS由磁芯(3)和绕组(4)组成，绕组(4)由连续导线缠绕磁芯构成，绕组(4)一端与储能电容CC的上极板连接，另一端与储能电容CC的下极板连接，储能电容CC的上极板和下极板间电压同时加载到磁开关MS上；在储能电容CC的上极板和下极板间电压的作用下，磁开关MS磁芯(3)的工作状态在正向饱和点和反向饱和点之间来回切换完成绕组(4)上电流转向，在负载天线R上形成宽谱脉冲振荡；所述磁开关MS要求在磁芯(3)处于未饱和状态时，未饱和电感L0大于1μH，磁开关MS处于断开状态；磁开关MS在磁芯(3)处于饱和状态时，饱和电感L
s
小于5nH，磁开关MS导通；所述宽谱脉冲振荡的中心频率f满足公式，通过调整储能电容CC的容值C可以改变f，L
s
为磁开关的饱和电感；所述负载天线R为宽谱天线。2.如权利要求1所述的基于磁开关的宽谱微波产生系统，其特征在于所述磁开关MS的磁芯材料为铁氧体、坡莫合金、硅钢片、铁基非晶态磁性材料或铁基纳米晶磁性材料中的任意一种。3.如权利要求1所述的基于磁开关的宽谱微波产生系统，其特征在于所述磁开关MS的绕组匝数N由公式计算获得，其中U(t)是储能电容CC上的充电电压，单位为伏特；τ是磁开关的MS的饱和时刻，单位为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李嵩，韦金红，高景明，曾凡正，王俊婷，岳云瑞，葛行军，钱宝良，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：