本發(fā)明屬于高功率微波技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種直線型開關(guān)陣列微波振蕩器結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

微波振蕩器是高功率微波輻射系統(tǒng)的最關(guān)鍵部件，其性能直接影響到系統(tǒng)的輻射特性，隨著高功率微波輻射裝置向著高功率、高重頻、機動式發(fā)展，因此要求微波振蕩器具備高功率、低阻抗、高重頻、高可靠性等特性。

直線型開關(guān)陣列微波振蕩器是產(chǎn)生高功率微波輻射的有效途徑之一，利用非線性元件的色散效應(yīng)，可直接將饋入的高壓長脈沖轉(zhuǎn)換為射頻脈沖輸出。與傳統(tǒng)的HPM裝置相比優(yōu)勢在于它無需驅(qū)動電子束、約束磁場系統(tǒng)和真空系統(tǒng)。相對于一般的非線性傳輸線，直線型開關(guān)陣列微波振蕩器的功率容量更高。通過設(shè)置傳輸線長度、開關(guān)極間電容等參數(shù)，可實現(xiàn)輸出電磁脈沖中心頻率的調(diào)節(jié)，通過增減開關(guān)陣列的級數(shù)，實現(xiàn)對輸出射頻脈沖寬度的調(diào)控。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

針對現(xiàn)有高功率微波產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)調(diào)節(jié)困難、重頻低、功率低等問題，本發(fā)明提供了一種直線型開關(guān)陣列微波振蕩器。該微波振蕩器能夠產(chǎn)生功率為幾百MW～幾GW，中心頻率為幾百MHz～幾GHz的高功率射頻脈沖，重復(fù)頻率可達幾十Hz～1kHz，而且可靈活的調(diào)節(jié)中心頻率和脈沖寬度。

技術(shù)方案

一種直線型開關(guān)陣列微波振蕩器結(jié)構(gòu)，包括傳輸線外筒、圓筒狀電極、氣體火花開關(guān)、中軸支撐桿、開關(guān)絕緣底座、環(huán)形絕緣支撐套筒等部分構(gòu)成，同軸傳輸線的內(nèi)導(dǎo)體由多級圓筒狀電極級聯(lián)構(gòu)成，每相鄰兩段圓筒狀電極之間即構(gòu)成一級氣體火花開關(guān)，開關(guān)電極為環(huán)形結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)部填充氮氣、六氟化硫或者兩者的混合氣體，可穩(wěn)定形成多通道放電；同軸傳輸線內(nèi)導(dǎo)體通過中軸支撐桿、開關(guān)絕緣底座環(huán)形絕緣支撐套筒固定在傳輸線外筒的軸心處；利用本發(fā)明可以構(gòu)建出具有高功率容量的直線型開關(guān)陣列微波振蕩器具體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)中心頻率為幾百MHz～幾GHz，峰值功率為幾百MW～幾GW，重復(fù)頻率可達幾十Hz～1kHz的高功率微波產(chǎn)生，而且中心頻率和脈沖寬度可以調(diào)節(jié)，解決高功率、可重頻微波產(chǎn)生裝置的技術(shù)難題。

具體結(jié)構(gòu)如下：

一種直線型開關(guān)陣列微波振蕩器，其特征在于采用同軸型傳輸線結(jié)構(gòu)，包括傳輸線外筒、圓筒狀電極、開關(guān)絕緣底座、中軸支撐桿、環(huán)形絕緣支撐套筒、充氣接口、D-dot測試探頭、輸入端口以及輸出端口；開關(guān)絕緣底座采用螺紋方式套在中軸支撐桿上，圓筒狀電極采用螺紋方式套在開關(guān)絕緣底座上，每相鄰兩個圓筒狀電極構(gòu)成一級氣體火花開關(guān)，環(huán)形絕緣支撐套筒為圓臺結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)套在兩端的圓筒狀電極上，外環(huán)與傳輸線外筒的內(nèi)壁固定，在傳輸線外筒、圓筒狀電極和環(huán)形絕緣支撐套筒之間形成的腔體內(nèi)填充絕緣氣體，在傳輸線外筒上兩個環(huán)形絕緣支撐套筒之間設(shè)有充氣接口，輸入端口和輸出端口位于傳輸線外筒的兩端，輸入端口連接脈沖驅(qū)動源，輸出端口通過過渡傳輸線連接輻射天線，在輸出端口處設(shè)有D-dot測試探頭。

兩端的圓筒狀電極與環(huán)形絕緣支撐套筒的內(nèi)環(huán)之間設(shè)有徑向密封槽，徑向密封槽內(nèi)安裝有O型圈。

傳輸線外筒與環(huán)形絕緣支撐套筒的外環(huán)之間設(shè)有軸向密封槽，軸向密封槽內(nèi)安裝有O型圈。

所述D-dot電壓測試探頭采用密封結(jié)構(gòu)的SMA接口。

所述的中軸支撐桿采用尼龍、有機玻璃、聚四氟乙烯或聚乙烯的絕緣材料。

所述環(huán)形絕緣支撐套筒內(nèi)、外表面為多種圓弧配合形成的波紋槽。

所述開關(guān)絕緣底座外表面具有多種圓弧配合形成的波紋結(jié)構(gòu)。

所述的絕緣氣體為氮氣、六氟化硫或者兩者的混合氣體。

有益效果

本發(fā)明提出的一種直線型開關(guān)陣列微波振蕩器結(jié)構(gòu)，有益效果：

1.同軸型傳輸線內(nèi)導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用多段圓筒狀電極級聯(lián)而成，每相鄰兩個圓筒狀電極之間構(gòu)成一個氣體火花開關(guān)，為了增加沿面閃絡(luò)電壓，在每段圓筒狀電極內(nèi)部都安裝一級開關(guān)絕緣底座，開關(guān)絕緣底座的外表面配有多種圓弧配合形成的波紋結(jié)構(gòu)，內(nèi)部通過螺紋與中軸絕緣支撐連接，從而使傳輸線內(nèi)導(dǎo)體固定在傳輸線外筒的軸心處。

2.氣體火花開關(guān)呈現(xiàn)緊湊的同軸結(jié)構(gòu)，加工、裝配簡單，而且能夠形成多通道放電，降低火花電感和電阻，減少電極燒蝕，提高長時間運行穩(wěn)定性。

3.直線型開關(guān)陣列微波振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，通過調(diào)整圓筒狀電極的長度、截面面積、相鄰圓筒狀電極的距離以及同軸型傳輸線阻抗，實現(xiàn)輸出脈沖頻率的調(diào)節(jié)。另外，可通過增減圓筒狀電極的數(shù)量，實現(xiàn)對輸出射頻脈沖寬度的調(diào)控。

4.當輸入高功率脈沖時，在直線型開關(guān)陣列微波振蕩器內(nèi)部產(chǎn)生兩個并行過程，首先是非線性過程，氣體火花開關(guān)可等效非線性電感和電阻，使輸入脈沖的前沿產(chǎn)生突變的沖擊波前；第二個過程是色散過程，由開關(guān)極間電容、火花電感、火花電阻和傳輸線構(gòu)成獨特色散關(guān)系，電磁脈沖在傳播過程中激勵出的振蕩電磁脈沖群速低于相速度，能量以振蕩電磁波形式釋放，至此調(diào)制出高頻振蕩電磁脈沖。為了實現(xiàn)更高功率容量，在腔體內(nèi)部填充高壓絕緣氣體。

附圖說明

圖1是直線型開關(guān)陣列微波振蕩器整體剖面圖；

圖2是直線型開關(guān)陣列微波振蕩器輸入及輸出波形；

圖3是寬帶天線輻射波形的頻譜圖；

其中：1是傳輸線外筒；2是圓筒狀電極；3是氣體火花開關(guān)；4是開關(guān)絕緣底座；5是中軸支撐桿；6是環(huán)形絕緣支撐套筒；7是充氣接口；8是D-dot測試探頭；9是輸入端口；10是輸出端口。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

參見圖1，示出了直線型開關(guān)陣列微波振蕩器的整體剖面圖，圖2示出了直線型開關(guān)陣列微波振蕩器的輸入及輸出波形。

一種直線型開關(guān)陣列微波振蕩器，包括傳輸線外筒1，以及傳輸線外筒1內(nèi)部的圓筒狀電極2、氣體火花開關(guān)3、開關(guān)絕緣底座4、中軸支撐桿5、環(huán)形絕緣支撐套筒6、充氣接口7、D-dot電壓測試探頭8、輸入端口9和輸出端口10，所述直線型開關(guān)陣列微波振蕩器整體呈現(xiàn)出同軸型傳輸線結(jié)構(gòu)，所述傳輸線外筒充當外導(dǎo)體，傳輸線內(nèi)導(dǎo)體由多級所述圓筒狀電極級聯(lián)構(gòu)成，每相鄰兩個所述圓筒狀電極之間構(gòu)成一級所述氣體火花開關(guān)。借助于所述開關(guān)絕緣底座、所述中軸支撐桿和所述環(huán)形絕緣支撐套筒，將所述圓筒狀電極固定在同軸型傳輸線的中軸處，所述傳輸線外筒表面裝配有所述充氣接口和所述D-dot電壓測試探頭，在所述傳輸線外筒的兩端各配有軸向密封槽，所述密封槽內(nèi)裝有O型圈。

所述傳輸線外筒配有充氣接口7，在所述傳輸線外筒的末端處配有D-dot電壓測試探頭8，所述D-dot電壓測試探頭采用密封結(jié)構(gòu)的SMA接口，另外，在所述傳輸線外筒的首末兩端各配有一個軸向密封槽，在所述密封槽內(nèi)部配有O型圈。

所述圓筒狀電極2的多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，即構(gòu)成了氣體火花開關(guān)陣列，所述圓筒狀電極具有截面為半圓形、橢圓形、矩形或者三角形的環(huán)形結(jié)構(gòu)，以通過場畸變方式形成多通道放電，所述圓筒狀電極通過內(nèi)螺紋與開關(guān)絕緣底座連接，首、末兩端的圓筒狀電極外表面各配有徑向密封槽，所述密封槽內(nèi)裝有O型圈，通過與所述環(huán)形絕緣支撐套筒配合實現(xiàn)徑向氣體密封。

所述開關(guān)絕緣底座4呈現(xiàn)圓環(huán)結(jié)構(gòu)，外表面配有多種圓弧配合形成的波紋結(jié)構(gòu)，以提高沿面閃絡(luò)電壓，所述開關(guān)絕緣底座分別通過內(nèi)、外螺紋，分別于所述中軸支撐桿和所述圓筒狀電極緊密配合，優(yōu)選地，開關(guān)絕緣底座可選用尼龍、有機玻璃、聚四氟乙烯、聚乙烯等絕緣材料。

所述中軸支撐桿5外表面配有螺紋，與所述開關(guān)絕緣底座連接，所述中軸支撐桿5緊固的兩端通過外螺紋與所述首、末端圓筒狀電極連接，中軸支撐桿采用絕緣材料，優(yōu)選地，可選用尼龍、有機玻璃、環(huán)氧等高介電常數(shù)且高強度的絕緣材料，通過外螺紋分別與所述開關(guān)絕緣底座和所述首、末端圓筒狀電極配合，將所述中軸支撐桿固定在所述傳輸線外筒的軸心處。

所述環(huán)形絕緣支撐套筒6為圓臺狀，內(nèi)、外表面為多種圓弧配合形成的波紋槽，以提高沿面閃絡(luò)電壓，配合所述傳輸線外筒和所述首、末端圓筒狀電極實現(xiàn)對腔體內(nèi)部的密封。

所述輸入端口通過傳輸線連接至脈沖功率的同軸輸出，所述輸出端口通過過渡傳輸線連接至輻射天線。

所述直線型開關(guān)陣列微波振蕩器內(nèi)部填充絕緣氣體，優(yōu)選地，可選用純凈且干燥的N₂、SF₆或者N₂/SF₆的混合氣體，氣壓范圍在0.1MPa～2MPa。

優(yōu)選地，所述圓筒狀電極可選用不銹鋼、黃銅、銅鎢合金等材質(zhì)，相鄰兩段所述圓筒狀電極的間距在0.1～6mm之間調(diào)節(jié)。

直線型開關(guān)陣列微波振蕩器的輸入端口連接脈沖驅(qū)動源，輸出端口通過過渡傳輸線連接輻射天線。本直線型開關(guān)陣列微波振蕩器在輸入端口9的所述傳輸線外筒與首級所述圓筒狀電極之間饋入電磁脈沖，從所述輸出端口10的所述傳輸線外筒與末級所述圓筒狀電極之間輸出射頻電磁脈沖。

其中圖2給出了饋入電磁脈沖以及經(jīng)過直線型開關(guān)陣列微波振蕩器調(diào)制后的射頻電磁脈沖，輸入幅值為100kV，脈沖寬度8ns的方波脈沖在匹配負載端輸出峰值電壓為150kV、脈沖寬度15ns的射頻電磁脈沖，通過800MHz～5GHz寬帶輻射天線的頻譜如圖3所示，中心頻率1.6GHz。

本發(fā)明的進一步特征在于：所述圓筒狀電極的個數(shù)、長度、直徑、截面積以及相鄰之間的距離可進行任意調(diào)整，上述參數(shù)均決定了輸出射頻脈沖的中心頻率和脈沖持續(xù)寬度。

直線型開關(guān)陣列微波振蕩器相對于傳統(tǒng)的高功率微波電真空器件，具有不需偏置磁場、無需驅(qū)動電子束和真空系統(tǒng)，而且重復(fù)頻率較高，輸出脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點；相對于一般非線性傳輸線，具有功率容量大的優(yōu)點。

因此，本發(fā)明的優(yōu)點是：

1.直線型開關(guān)陣列微波振蕩器整體采用同軸型傳輸線結(jié)構(gòu)，傳輸線內(nèi)導(dǎo)體由多級圓筒狀電極級聯(lián)構(gòu)成，每相鄰兩個圓筒狀電極即構(gòu)成一級氣體火花開關(guān)，通過改變圓筒狀電極數(shù)量可調(diào)整輸出射頻電磁脈沖的寬度，利用氣體火花開關(guān)的非線性元件及色散特性，實現(xiàn)特定頻率射頻脈沖的調(diào)制。

2.圓筒狀電極具有截面為半圓形、橢圓形、矩形或者三角形的環(huán)形結(jié)構(gòu)，可形成多通道放電，降低火花電感和電阻，減小電極燒蝕，提高直線型開關(guān)陣列微波振蕩器的能量轉(zhuǎn)化效率以及重頻工作模式下的穩(wěn)定性。