基于半导体开关和铁氧体传输线的IRA超宽带辐射阵列

摘要

本发明提供一种基于半导体开关和铁氧体传输线的IRA超宽带辐射阵列，包括若干组阵列单元，每组阵列单元均由脉冲源、铁氧体传输线和IRA天线构成，脉冲源通过铁氧体传输线与IRA天线连接，脉冲源为以多个射频功率半导体开关为基础构建的i×j级串联-Marx电路，用于输出纳秒级高压脉冲；铁氧体传输线用于将脉冲源输出的纳秒级高压脉冲馈入IRA天线，铁氧体传输线的轴向通有大电流源的偏置磁场。本发明使用半导体开关取代光导开关，脉冲源重复使用且寿命较长；两级磁开关陡化脉冲源输出电压的前沿到亚纳秒等级；各组铁氧体传输线通入不同直流励磁可调电流源实现相应的脉冲源输出脉冲时序的精确调节；铁氧体传输线与IRA天线一体化设计提高辐射阵列的定向性。

权利要求

1.基于半导体开关和铁氧体传输线的IRA超宽带辐射阵列，其特征在于：包括若干组阵列单元，每组阵列单元均由脉冲源、铁氧体传输线和IRA天线构成，所述脉冲源通过铁氧体传输线与IRA天线连接，脉冲源为以多个射频功率半导体开关为基础构建的i×j级串联-Marx电路，用于输出纳秒级高压脉冲，其中，i、j 均为大于或等于1的整数；铁氧体传输线用于将脉冲源输出的纳秒级高压脉冲馈入IRA天线，所述铁氧体传输线的轴向通有大电流源的偏置磁场；所述i×j级串联-Marx电路具体构建分为：首先由i 个射频功率半导体开关串联为一个射频开关组，且每个射频开关组中只有第一个射频功率半导体开关与有源驱动连接；再由j个所述的射频开关组串联组合成i×j级串联-Marx电路。

2.如权利要求1所述的IRA超宽带辐射阵列，其特征在于：所述i×j级串联-Marx电路中，各射频开关组在与本开关组相邻的充电电容串联后，与一级用于延时导通的磁开关串联，之后再与一个高压电容并联，并联后的回路再与一级用于脉冲压缩的磁开关串联后接入铁氧体传输线。

3.如权利要求2所述的IRA超宽带辐射阵列，其特征在于：所述用于延时导通的磁开关和用于脉冲压缩的磁开关均为非线性磁芯。

4.如权利要求1所述的IRA超宽带辐射阵列，其特征在于：所述铁氧体传输线为由内、外导体及其之间的磁介质构成的同轴结构，内导体为实心铜柱，外导体为空心铜管，磁介质为环绕在内导体上的环形铁氧体。

5.如权利要求4所述的IRA超宽带辐射阵列，其特征在于：所述铁氧体传输线的外导体上设有多段匝数不同的螺线管，各段螺线管分别通入可调电流源。

6.如权利要求4所述的IRA超宽带辐射阵列，其特征在于：所述铁氧体传输线的外导体上等分设有多段等长螺线管，各段螺线管分别通入可调电流源。

7.如权利要求1所述的IRA超宽带辐射阵列，其特征在于：所述IRA天线为抛物面天线，由馈电点和馈电臂连接组成，铁氧体传输线穿过IRA天线的中心轴并与馈电点连接。

8.如权利要求7所述的IRA超宽带辐射阵列，其特征在于：所述馈电点包括同轴内芯和同轴结构外筒，所述铁氧体传输线的内、外导体分别延伸到同轴内芯和同轴结构外筒；所述馈电臂采用TEM喇叭，所述TEM喇叭包括TEM喇叭地平板和TEM喇叭极板，TEM喇叭地平板与同轴结构外筒连接，TEM喇叭极板与同轴内芯连接。

9.如权利要求8所述的IRA超宽带辐射阵列，其特征在于：所述同轴结构外筒逐渐开口过渡连接到TEM喇叭地平板，同轴内芯由圆柱状逐渐过渡连接到TEM喇叭极板。

说明书

基于半导体开关和铁氧体传输线的IRA超宽带辐射阵列

技术领域

[0001] 本发明属于脉冲功率领域，具体涉及一种基于半导体开关和铁氧体传输线的IRA超宽带辐射阵列。

背景技术

[0002] 为了实现超宽带高功率辐射阵列，有三个关键技术，分别是高功率纳秒开关技术、高增益紧凑型UWB（Ultra-Wide Band，超宽带）阵列天线技术和高稳定度电路－空间脉冲合成技术。其中，高功率纳秒开关通常采用光导开关；高增益紧凑型UWB阵列天线通常采用TEM喇叭阵列；高稳定度电路－空间脉冲合成技术以光导开关为依托，主要技术手段是采用精确延时控制的脉冲激光发生器来触发光导开关。这种技术方案之所以能发展成主流，有几个原因，一是结构简单，易于构成体积小的辐射阵列；二是受到快速发展的半导体技术和激光技术的推动，能生产出性能不断改进的开关器件和触发器件，但存在的问题也很明显：

[0003] （1）光导开关重复频率低，使用寿命短。为降低触发光能量，光导开关多工作于非线性模式下。然而这种工作模式会导致器件内丝状放电电流的出现，重频条件下局部发热严重，易遭受热损伤。使用多个平行线状激光从侧面同时照射可以匀化电流，却增大了开关的开通时间抖动，不利于组成阵列。尽管国外部分研究表明，光导开关有效放电次数有望达9
到10 次量级，但前提是具备高精度的半导体加工制造工艺和高能激光触发技术。目前我国在这些领域与国外先进水平相比尚有不小差距。此外，即使在国际上，光导开关仍属处于研究阶段的定制器件，不具备大规模生产的能力，价格较高。

[0004] （2）控制光导开关阵列所需的精确延时技术实现复杂，可靠性不高。目前通用的方案是利用可编程激光光纤延迟系统分别触发不同的光导开关，抖动控制在百皮秒等级。可编程延迟线一般采用磁光开关实现，成本高达数万元/只，且只能一路输入获得一路输出。也有研究人员采用基于光纤集束分光下的机械式波束扫描控制，使激光反射镜转动而各路不等长的延时光纤不动。这种方法延时精度高，成本相对较低，但不同扫描角度的转换时间受限于反射镜所处角度的调整速度，在秒级水平。

[0005] （3）TEM喇叭阵列的波束指向性不强，低频反射较为严重。目前设计的UWB辐射阵列多采用TEM喇叭及其变形作为阵元天线，主要是因为TEM喇叭设计简单，结构紧凑，重量轻，易于与UWB阵列中常用的作为脉冲储能单元的Blumlein传输线一体化安装。但TEM喇叭天线自身存在一定缺陷，在实现超宽带时，方向图较宽，并且很难降低低频的反射。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于半导体开关和铁氧体传输线的IRA超宽带辐射阵列，以克服目前基于光导开关的超宽带高功率辐射阵列普遍存在的重复频率低、放电寿命短、器件昂贵、延迟控制系统复杂等缺陷。

[0007] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

[0008] 基于半导体开关和铁氧体传输线的IRA超宽带辐射阵列，包括若干组阵列单元，每组阵列单元均由脉冲源、铁氧体传输线和IRA天线构成，所述脉冲源通过铁氧体传输线与IRA天线连接，脉冲源为以多个射频功率半导体开关为基础构建的i×j级串联-Marx电路，用于输出纳秒级高压脉冲，其中，i、j均为大于或等于1的整数；铁氧体传输线用于将脉冲源输出的纳秒级高压脉冲馈入IRA天线，所述铁氧体传输线的轴向通有大电流源的偏置磁场。

[0009] 在上述方案中，所述i×j级串联-Marx电路具体构建分为：首先由i个射频功率半导体开关串联为一个射频开关组，且每个射频开关组中只有第一个射频功率半导体开关与有源驱动连接；再由j个所述的射频开关组通过Marx电路的形式串联组合成i×j级串联-Marx电路。

[0010] 在上述方案中，所述i×j级串联-Marx电路中，各射频开关组在与本开关组相邻的充电电容串联后，与一级用于延时导通的磁开关串联，之后再与一个高压电容并联，并联后的回路再与一级用于脉冲压缩的磁开关串联后接入铁氧体传输线。

[0011] 在上述方案中，所述用于延时导通的磁开关和用于脉冲压缩的磁开关均为非线性磁芯。

[0012] 在上述方案中，所述铁氧体传输线为由内、外导体及其之间的磁介质构成的同轴结构，内导体为实心铜柱，外导体为空心铜管，磁介质为环绕在内导体上的环形铁氧体。

[0013] 在上述方案中，所述铁氧体传输线的外导体上设有多段匝数不同的螺线管，各段螺线管分别通入可调电流源。

[0014] 在上述方案中，所述铁氧体传输线的外导体上等分设有多段等长螺线管，各段螺线管分别通入可调电流源。

[0015] 在上述方案中，所述IRA天线为抛物面天线，由馈电点和馈电臂连接组成，铁氧体传输线穿过IRA天线的中心轴并与馈电点连接，铁氧体传输线的外导体作为IRA天线的轴向支撑结构。

[0016] 在上述方案中，所述馈电点包括同轴内芯和同轴结构外筒，所述铁氧体传输线的内、外导体分别延伸到同轴内芯和同轴结构外筒；所述馈电臂采用TEM喇叭，所述TEM喇叭包括TEM喇叭地平板和TEM喇叭极板，TEM喇叭地平板与同轴结构外筒连接，TEM喇叭极板与同轴内芯连接。

[0017] 在上述方案中，所述同轴结构外筒逐渐开口过渡连接到TEM喇叭地平板，同轴内芯由圆柱状逐渐过渡连接到TEM喇叭极板。

[0018] 本发明的工作原理：

[0019] （1）常规的射频功率半导体开关，正向最高阻断电压为1200V，开关动作时间3～5ns，与光导开关相比，电性能有显著的下降，不能直接取代光导开关，因此采用电压提升技术，将多个射频功率半导体开关以一定方式串联组成射频功率组，多个射频开关组串联组成的脉冲源电压达到10kV的水平；

[0020] （2）通过两级磁开关（非线性磁芯）的脉冲压缩与陡化效应，将几纳秒的前沿压缩到百皮秒，应用的电压幅值从几千伏到几百千伏，完全可以满足超宽带脉冲辐射对源特性的要求；

[0021] （3）铁氧体传输线的一个重要特点是在不同的直流励磁条件下，陡化后脉冲的延迟时间会出现差异，例如对于同样的输入脉冲，当励磁电流分别从1A增加到2A时，输出脉冲相对于输入脉冲的延迟时间可能会从5纳秒增加到5.2纳秒，即有200皮秒的变化，利用这一特性，实现相应的脉冲源输出脉冲时序的精确调节。

[0022] （4）多组脉冲源输出的纳秒级高压脉冲经铁氧体传输线的陡化和延时作用后，馈入相应的IRA天线，从而实现超宽带高功率辐射阵列。

[0023] 本发明与现有技术相比具有的有益效果：

[0024] 1、用多个重复频率高、寿命长的射频功率半导体开关串联组成阵元取代重复频率低、寿命短的光导开关，实现一种新的高功率超宽带辐射阵列结构，脉冲源重复使用且寿命较长，实现解决传统的光导开关脉冲放电单元普遍存在的亚纳秒开关高重频与长寿命之间的矛盾；

[0025] 2、通过两级磁开关陡化脉冲源输出电压的前沿到亚纳秒等级，以更简洁可靠的方式实现脉冲放电单元之间的亚纳秒级精确延时放电控制，为IRA阵列远距离、高分辨率时域波形扫描功能的实现奠定基础；

[0026] 3、各组铁氧体传输线为带直流偏置控制的铁氧体传输线，通过设置不同的直流励磁可调电流源，陡化后脉冲的延迟时间会出现差异，实现相应的脉冲源输出脉冲时序的精确调节，相对于光纤延迟系统，大大降低了复杂程度和成本；

[0027] 4、铁氧体传输线相对于传统Blumlein线的平板结构，更容易与IRA（Impulse Radiation Antenna，冲击辐射天线）天线相连，外导体作为IRA天线的轴向支撑结构，同时内、外导体分别延伸到IRA天线的馈电点，通过渐变过渡与IRA天线的馈电臂相连，从而将铁氧体传输线与IRA天线进行一体化设计，相对于传统的TEM喇叭阵列，能显著减少低频反射，提高辐射阵列的定向性。

附图说明

[0028] 图1是本发明2×2IRA阵列及其脉冲源。

[0029] 图2是图1的右视图。

[0030] 图3是本发明每个射频功率组的串联驱动电路图。

[0031] 图4是本发明基于射频开关组构建的Marx电路及两级脉冲压缩与陡化电路图。

[0032] 图5是本发明铁氧体传输线的两种励磁方案的结构示意图。

[0033] 图6是本发明铁氧体传输线与IRA天线一体化连接的结构示意图。

[0034] 图7是本发明铁氧体传输线终端与TEM喇叭的渐变过渡连接结构示意图。

具体实施方式

[0035] 下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的说明。

[0036] 参照图1～图2所示的整体实施方案，以2×2阵列单元为例，实际应用中不限于此。图中，本发明所述的基于半导体开关和铁氧体传输线的IRA超宽带辐射阵列，包括4组相同构成的阵列单元1、2、3、4，各组阵列单元1～4包括：以多个射频功率半导体开关串联为基础构建的脉冲源101，带直流偏置控制的铁氧体传输线102，以及IRA天线103，脉冲源101输出的纳秒级高压脉冲经铁氧体传输线102的陡化和延时作用后，馈入IRA天线103。

[0037] 为了实现基于射频功率半导体开关的高压纳秒脉冲源，有两个问题需要解决：开关耐压等级的提高和输出脉冲前沿的陡化。

[0038] 为提高开关耐压等级，选用由射频功率半导体开关串联构成的i×j级Marx电路作为脉冲源（i、j均为大于或等于1的整数）。考虑到级数过多之后会增大线路电感，因此采取一种新的串联－Marx组合的方法：使i个射频功率半导体开关串联为一个射频开关组，j个这样的射频开关组通过Marx电路的形式组合成为j级放电电路，如图3和4所示。

[0039] 在图3中，以5个射频功率半导体开关、即i=5为例，但实际应用中不限于此，5个射频功率半导体开关205、215、225、235和245串联，只有第一个开关205提供控制器251和252的有源驱动：

[0040] a、静态时，控制器251和252均为低电平，5个射频功率半导体开关205、215、225、235和245均处于阻断状态，通过静态均压电阻206、216、226、236和246的平衡作用，每个射频功率半导体开关的两端承受相同的直流电压，通过缓冲吸收充电二极管208、218、228、
238和248，电容207、217、227、237和247上存储相同的电荷；

[0041] b、开通时，控制器252保持低电，控制器251输出高电平，通过栅极串联电阻204导致开关205首先导通，之后电容207通过电阻209、级间开通二极管210和开关205对215的栅极电容充电，使射频开关215导通。此后，连锁效应导致225、235和245以类似的方法逐个开通；

[0042] c、关断时，控制器252输出高电平，在级间关断二极管210、220、230和240的作用下，5个射频功率半导体开关的栅极放电开关203、213、223、233和243依次导通，使射频功率半导体开关205、215、225、235和245关断。这种有源驱动的方式降低了对驱动信号数量的要求，更重要的是它能确保所有串联的射频功率半导体开关在很短时间内依次开通或关断，避免了射频功率半导体开关特性不一致导致的连锁击穿效应。

[0043] 在图4中，以3个射频开关组、即j=3为例，但实际应用中不限于此，3个射频开关组301、305和309的内部结构相同，均如图3所示；在3个射频开关组301、305和309之后，设有磁开关（即可饱和电感）313和315，磁开关313在放电过程中与已导通的3个射频开关组301、305和309串联，起的是延时导通作用，磁开关315起的是脉冲压缩作用，作用机理如下：射频开关组301、305和309闭合之后，磁开关313没有饱和，阻抗很大，导致电容314的充电电流很小；经过数十ns的延时，磁开关313饱和，开关301、305和309中有大电流流过，对电容314充电；电容314充电到与电容303、307和311的等效串联电容电压相等时，磁开关315瞬间饱和（ns量级），电磁冲击波开始沿着铁氧体传输线316传播，前沿逐渐得到陡化。

[0044] 为了利用铁氧体传输线进行脉冲前沿陡化和精确延时控制，应满足以下条件：1）铁氧体传输线的轴向磁场存在一定程度的偏置；2）轴向磁场在偏置基础上能小范围调整，以改变输出－输入延时，因此采取混合励磁的方式，以强磁场、弱磁场相互配合，达到最佳效果，如图5所示，有以下两种具体的励磁方案：

[0045] （1）励磁方案1：铁氧体传输线的轴向通过大电流源401以提供基本的偏置磁场，如20kA/m；铁氧体传输线的外导体上设有一部分匝数较多的螺线管，这部分螺线管通入可调电流源402，并通过可调电流源402不断调整偏置，例如在0～10kA/m范围内，从而使脉冲前沿陡化效果最好；铁氧体传输线的外导体上还设有另一部分匝数较少的螺线管，这部分螺线管通入可调电流源403，并根据其产生延时所需的较小幅度的磁场强度进行调整，例如在0～5kA/m范围内；

[0046] （2）励磁方案2：铁氧体传输线的轴向通过大电流源404以提供基本的偏置磁场，同时，铁氧体传输线的外导体上设有多段等长螺线管，各段螺线管分别通入可调电流源，各段可调电流源均独立可调，如3段等长螺线管分别通过可调电流源405～407不断调整偏置；这种方法较为复杂，但可调性也最好，并且有利于模块化设计，重点在于各段电流调整的控制策略。

[0047] 以上两种励磁方案的好处是以多个励磁可调电流源取代传统的单一励磁电流源，使得磁场强度的调整精度高，却不要求励磁电流在很小的变化范围内精确可调，从而降低了励磁控制系统的实现难度。

[0048] 铁氧体传输线与IRA天线的一体化连接方式如图6所示，IRA天线为抛物面天线，由馈电点和馈电臂连接组成，铁氧体传输线穿过IRA天线的中心轴501并与馈电点连接，在起到馈臂支撑作用的同时为馈臂提供激励电压；铁氧体传输线的外导体502采用空心铜管或金属管，作为IRA天线的轴向支撑结构。

[0049] 当应用TEM喇叭作为IRA天线的馈臂来辐射高功率超宽带脉冲信号时，一个重要的问题是如何将高功率脉冲信号由同轴结构的铁氧体传输线过渡到平板结构的TEM喇叭上去。为此，本发明提出在铁氧体传输线终端应用渐变式方法过渡，如图7所示，馈电点包括同轴内芯603和同轴结构外筒601，所述铁氧体传输线的内、外导体分别延伸到同轴内芯603和同轴结构外筒601；馈电臂采用TEM喇叭，所述TEM喇叭包括TEM喇叭地平板602和TEM喇叭极板604，TEM喇叭地平板602与同轴结构外筒601连接，TEM喇叭极板604与同轴内芯603连接。同轴结构外筒601逐渐开口过渡连接到TEM喇叭地平板602，同轴内芯603由圆柱状逐渐过渡连接到TEM喇叭极板604。

[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。