一種新型寬譜電磁脈沖試驗系統(tǒng)的研制

一種新型寬譜電磁脈沖試驗系統(tǒng)的研制

寬譜電磁脈沖系統(tǒng)位于狹窄帶和寬譜之間，具有許多獨特的優(yōu)勢。相對于窄帶高功率微波系統(tǒng),寬譜電磁脈沖系統(tǒng)采用LC振蕩方式,直接通過天線向空間輻射,不需要產(chǎn)生相對論電子束,減少了系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)簡單,因此可以更容易做到小型化;與超寬譜電磁脈沖系統(tǒng)相比,寬譜電磁脈沖既保留了超寬譜電磁脈沖頻譜寬,易于和目標(biāo)耦合的特點,又具有相對較高的天線輻射效率和能譜密度。因而在高功率微波效應(yīng)研究領(lǐng)域的應(yīng)用具有很多研究價值。目前,寬譜電磁脈沖技術(shù)已在美國、德國等國得到了深入研究,美國研制了一套警用寬譜電磁脈沖系統(tǒng),其單個輻射脈寬約50ns,輻射峰值功率約2GW,該系統(tǒng)可用于執(zhí)法部門阻止在安全檢查站逃逸和拒絕合作的車輛。德國研制出以小型化為特色的DS系列寬譜車輛迫停裝置。如DS110系統(tǒng)是一款小型箱式裝置,其輸出脈沖電壓300kV、輻射中心頻率375MHz、輻射因子150kV、重復(fù)頻率大于5Hz。本文通過改進分析和實驗研究,掌握了快上升時間的重復(fù)頻率Marx發(fā)生器、雙極脈沖形成和高功率寬帶天線等方面的關(guān)鍵技術(shù),在此基礎(chǔ)上,開展了系統(tǒng)集成研究,研制了我國首套輻射場強因子195kV、重復(fù)頻率20Hz的寬譜電磁脈沖試驗系統(tǒng)。1實驗平臺和原則1.1高壓沖擊脈沖激光點檢測試驗系統(tǒng)主要由5個分系統(tǒng)組成:控制系統(tǒng)、初級電源、電感隔離型Marx發(fā)生器、雙極脈沖形成線、寬帶天線,寬譜試驗系統(tǒng)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)主要完成對初級電源的啟動、停止和參數(shù)設(shè)置。初級電源包括恒流充電分機和觸發(fā)分機兩路高壓組件?？刂葡到y(tǒng)啟動充電分機,充電分機同時輸出正負(fù)兩路脈沖信號向Marx發(fā)生器并聯(lián)充電,充電結(jié)束后送出一路延時可調(diào)的同步信號給觸發(fā)脈沖系統(tǒng)。觸發(fā)脈沖信號點燃Marx發(fā)生器的火花間隙場畸變開關(guān),建立起的高壓沖擊脈沖通過雙極脈沖形成線饋入寬帶天線產(chǎn)生寬譜輻射。初級電源、Marx發(fā)生器、雙極脈沖形成線、寬帶天線布置在可移動輪組組成的運動箱體上,實驗時,系統(tǒng)根據(jù)需要進行移位、轉(zhuǎn)動、粗調(diào)到位后實現(xiàn)位置自鎖定。在雙極脈沖形成線末端設(shè)計有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),可實現(xiàn)寬帶天線方位輻射360°旋轉(zhuǎn)。為保證系統(tǒng)操作人員安全,系統(tǒng)還具有運程控制功能。1.2恒流充電及隔離ct全電感隔離型Marx發(fā)生器工作原理如圖2所示,正負(fù)雙邊充電方式減少了開關(guān)數(shù)目,只需6個場畸變開關(guān),發(fā)生器級數(shù)n=12,每級電容量C0=4nF,在開關(guān)電源技術(shù)中,最適合對脈沖高壓電容器充電的電路是串聯(lián)諧振開關(guān)電路,輸出近似為恒流源,主要優(yōu)點是充電效率高。此類電源主要采用高頻逆變器技術(shù),使得整流電路尺寸、質(zhì)量大大減少,而且充電紋波小,電壓穩(wěn)定度高。Marx發(fā)生器中電容器的并聯(lián)充電過程采用正負(fù)雙邊恒流充電與隔離電感相結(jié)合方式,既減小了開關(guān)數(shù)目,又縮短了充電時間,發(fā)生器更利于高重復(fù)頻率運行。高壓恒流充電電源輸出電流I=50mA,發(fā)生器充電等效并聯(lián)電容Cθ=4nF×6=24nF,充電時間的理論計算公式為:Tc=CθU0/I,其中,U0為充電電壓。由于采用恒流充電,充電回路電流變化率比較小,充電過程中充電電感L0近似于短路,且充電效率ηc≈100%。既然充電電感L0大小并不影響充電時間及充電效率,那么可以適當(dāng)?shù)卦龃驦0(放電回路中L0為隔離電感),這樣既可以減小旁路放電損失的能量,又可以增加開關(guān)間隙過電壓的持續(xù)時間,有利于開關(guān)擊穿動作,能改善發(fā)生器的同步性能。從原理圖可看出,正負(fù)均引入了充電保護電感Lp、限流電阻和高壓硅堆。由于采用恒流充電,電感Lp并不影響充電性能,在充電結(jié)束后,開關(guān)間隙K1瞬間擊穿時,電感Lp、限流電阻和高壓硅堆的引入起到了隔離保護充電恒流源的作用。恒流充電電源給電容器并聯(lián)充電到設(shè)定電壓值后,送出一路延時可調(diào)的同步信號(最大延時為5ms,脈寬10μs)給觸發(fā)脈沖源的外控制系統(tǒng),啟動其產(chǎn)生一定峰值的尖脈沖信號,然后經(jīng)觸發(fā)電阻Rk輸入發(fā)生器第1個和第3個(K1和K3)的觸發(fā)電極,使帶中間圓盤的場畸變開關(guān)發(fā)生嚴(yán)重場畸變,促使開關(guān)迅速導(dǎo)通,其余兩電級開關(guān)則由過壓擊穿,實現(xiàn)電容串聯(lián)放電產(chǎn)生高壓沖擊脈沖,發(fā)生器的工作頻率由恒流充電源進行控制。1.3形成線脈沖場寬譜雙極脈沖形成系統(tǒng)的輸入端為Marx發(fā)生器產(chǎn)生的高壓沖擊脈沖信號,輸出端匹配負(fù)載為寬帶輻射天線。雙極脈沖形成線的示意圖如圖3所示。Marx發(fā)生器放電時等效為一個電容Cm和一個電感Lm串聯(lián),通過主開關(guān)給形成線T1充電,形成線T1再通過開關(guān)S2對形成線T2放電,形成單極脈沖,脈沖寬度由形成線T1的電長度決定。形成的單極脈沖傳輸?shù)阶杩篂閆的形成線T2末端時,脈沖波一部分不改變極性而反射,形成反射波1;一部分則進入阻抗為Z的形成線T3,極性反轉(zhuǎn)后形成入射波;其余的進入阻抗為2Z的傳輸線T4,形成雙極脈沖的一個峰,則反射波1到達(dá)反向開關(guān)S3后,產(chǎn)生極性相反的全反射波2,沿形成線T2向負(fù)載傳播;此時入射波也到達(dá)形成線T3開路端,極性不變而全反射,形成反射波3,沿形成線T3向負(fù)載傳播。此后反射波2和反射波3同時到達(dá)雙極脈沖形成線的終端,進入傳輸線T4,疊加形成雙極脈沖的另一峰,最終在匹配負(fù)載上形成雙極脈沖。形成線T2的電長度決定雙極脈沖的半周期。2結(jié)果與分析2.1發(fā)生器穩(wěn)定性鼓勵Marx發(fā)生器的自建立穩(wěn)定性較差,為了獲得短的建立時間和小的建立時間抖動,本文采用K1火花間隙場畸變開關(guān)和K3火花間隙場畸變開關(guān)經(jīng)觸發(fā)電阻Rk并聯(lián)引入觸發(fā)信號,而其余4個開關(guān)經(jīng)對地電阻Rk引入地電位方式,提高發(fā)生器建立的穩(wěn)定性。觸發(fā)連接方式如圖2中所示,具體描述為:在前次發(fā)生器建立起來后,觸發(fā)圓盤上的殘余電荷可以通過接地電阻Rk釋放出來,地電位的引入改善了發(fā)生器正負(fù)同時充電時開關(guān)間隙電場分布,使觸發(fā)圓盤在充電階段與中心等位面一致,只在觸發(fā)階段才能產(chǎn)生場畸變,避免了三電極火花開關(guān)誤擊穿。再者,發(fā)生器通過開關(guān)串聯(lián)放電瞬間,沒有引入觸發(fā)信號的開關(guān)間隙不僅可以靠自然過電壓而逐個擊穿,而且也可以通過開關(guān)間的對地電阻,形成前一級開關(guān)觸發(fā)下一級開關(guān)的觸發(fā)模式,改善了6個開關(guān)串聯(lián)放電的同步性能,促使6個開關(guān)迅速導(dǎo)通,使發(fā)生器快速建立起來。觸發(fā)電壓波形如圖4所示,觸發(fā)脈沖前沿約100ns,觸發(fā)電壓-85kV。2.2自然參數(shù)對復(fù)雜點多通道開關(guān)輸出的影響本文設(shè)計的三電極場畸變開關(guān)間隙距離不可調(diào),采用高絕緣強度的SF6氣體來提高間隙擊穿電壓。為實現(xiàn)開關(guān)同步,加大了觸發(fā)脈沖的幅值。在發(fā)生器充電電壓較高的情況下,為保證電絕緣可靠,不發(fā)生閃絡(luò)或擊穿現(xiàn)象,Marx發(fā)生器封閉在充滿變壓器油的圓筒性金屬容器中。Marx發(fā)生器的輸出并聯(lián)接入高阻負(fù)載(900Ω無感電阻),當(dāng)連接雙極脈沖形成裝置的主開關(guān)沒有導(dǎo)通時,發(fā)生器中的儲能可以通過負(fù)載電阻釋放。雙極脈沖形成裝置可等效為負(fù)載電容C,則在負(fù)載電容C與放電等效串聯(lián)電容Cm間產(chǎn)生振蕩放電,如圖5(a)所示。圖5(a)為發(fā)生器的充電電壓|U0|=50kV、開關(guān)氣壓p(SF6)=0.11MPa、觸發(fā)脈沖峰值85kV狀態(tài)下高阻負(fù)載上測20個波形的重疊,由此可看出Marx發(fā)生器的輸出很穩(wěn)定。發(fā)生器輸出電壓UL=500kV(取多次測量的平均值),發(fā)生器儲能W=43J。輸出脈沖電壓波形前沿τr=20ns(10%~90%)。發(fā)生器可以在重復(fù)頻率20Hz下穩(wěn)定運行,圖5(b)為Marx發(fā)生器輸出端連接雙極脈沖形成線時,Marx發(fā)生器重復(fù)頻率測試波形。2.3測試線路及結(jié)果分析發(fā)射天線采用寬帶振子天線,接收天線采用組合振子TEM喇叭天線。沿主輻射方向,在遠(yuǎn)場范圍內(nèi)由接收天線測得脈沖波形后,經(jīng)高頻微波測試電纜、衰減器接入示波器直接測量。輻射場頻譜中心頻率和百分比帶寬根據(jù)輻射波形由軟件分析給出。圖6為輻射場的測試線路,其中r為接收天線與發(fā)射天線間的距離,h為天線距地面的高度。為了排除地面反射對輻射場的影響,在同一點分別測試垂直極化以及水平極化場,如果兩者一致,則可判定此處輻射場未受地面反射影響,所測場值比較準(zhǔn)確。在h=1.65m,r=6m處,主輻射方向上水平及垂直極化輻射場波形如圖7所示,示波器測量采用的是余輝顯示(多個波形疊加),可以將多次采集到的波形顯示在同一屏幕上。從圖中可以看出,兩種極化方式下輻射場值一致,且穩(wěn)定,確定此處場測試結(jié)果不受地面反射影響,為真實的寬譜輻射信號。圖8(a)為垂直極化下,h=1.65m,r=6m處的輻射場波形,單峰為多次測量的平均值32.5kV/m,輻射因子為195kV。圖8(b)是分析得到的頻譜曲線,其中心頻率為200MHz,百分比帶寬為37%。3我國寬譜電磁脈沖試驗系統(tǒng)本文在初步掌