一种双极性TEM微波谐振发生器

摘要

本发明涉及一种双极性TEM微波谐振发生器，将单极性直流脉冲(高斯波、方波或三角波)信号转化生成双极性类阻尼振荡TEM波并向天线系统传输的发生器。该发生器可直接激励天线在电磁脉冲辐射效应研究中作为电磁信号发生装置，将电号转化成宽带电磁信号。本发明的双极性TEM波谐振发生器可将单极性的高压脉冲信号转化成双极性电磁振荡传输向天线系统。发生器具有使用灵活，方便，安全，试验成本低，可重复使用等优点。可实际应用于各种高功率电脉冲研究等多领域，作为系统的电磁脉冲发生器使用。

权利要求

1.一种双极性TEM微波谐振发生器，其特征在于包括短路面(1)、内导体电极(2)、外导体(3)、半圆弧形电容极板(4)、尼龙板(6)、固定法兰(7)、第一气体开关(9)和金属管(10)；

内导体电极(2)为圆柱型钢板，内导体电极(2)通过短路面(1)和固定法兰(7)固定在内导体电极(2)的轴心，内导体电极(2)上设有内导体电极凸头(12)，内导体电极凸头(12)上设有气孔，内导体电极(2)位于固定法兰(7)的一端设有气孔并与内导体电极凸头(12)上的气孔联通；半圆弧形电容极板(4)位于内导体电极凸头(12)的下方，与内导体电极凸头(12)相对的部位设有电极凸头(11)，电极凸头(11)上设有气孔；尼龙板(6)在两个电极凸头相对的部位，围绕成圆柱结构固定在半圆弧形电容极板(4)和内导体电极(2)之间，形成一个密闭的第二气体开关的空腔；第一气体开关(9)也为圆柱型结构，圆柱型结构采用圆柱型钢板，固定在短路面(1)上，第一气体开关(9)圆柱的两端设有两个电极(8)，其中一侧的电极上设有气孔，该气孔通过带通孔的金属管(10)与电极凸头(11)上的气孔联通，形成于内导体电极(2)的气孔通过第二气体开关的空腔与第一气体开关(9)的空腔联通。

2.根据权利要求1所述双极性TEM微波谐振发生器，其特征在于：所述第一气体开关(9)的圆柱型钢板外侧设有绝缘尼龙。

3.根据权利要求1所述双极性TEM微波谐振发生器，其特征在于：内导体电极凸头(12)与半圆弧形电容极板(4)的电极凸头(11)之间的放电间隙为4～6mm。

4.根据权利要求1所述双极性TEM微波谐振发生器，其特征在于：第一气体开关(9)圆柱的两端电极(8)之间的放电间隙为4～6mm。

说明书

一种双极性TEM微波谐振发生器

技术领域

[0001] 本发明属于谐振发生器，具体涉及一种双极性TEM微波谐振发生器。

背景技术

[0002] 虽然微波发生和传输技术已经发展较为成熟，但具体应用于脉冲功率技术和高功率微波技术中作为一种电磁脉冲形成设备，由于尺寸限制，功率容量和耐高压击穿的苛刻要求，特别地，对于双极性TEM波谐振发生器的设计是具有一定难度的。

[0003] 目前在实验中传播电磁信号的形式有同轴传输线，平板传输线，带状传输线，螺旋传输线和锥形变阻抗线等。这几种形式虽然都能用来导行电磁波，但是或多或少都存在一些缺点。比如平行板和带状线能够均匀产生传输电磁信号，然而在边沿处会有寄生耦合和边沿电场；螺旋传输线形式对试制实物的误差要求较小，虽然能比较准确反映设计和仿真的结果，但较长的传输延时确实难以避免的，而且螺旋匝之间的电击穿也会给实际工作带来不稳定性；渐变传输线设计时可以较好地实现与天线系统的阻抗匹配，但是在生产试制过程中内外径稍有变化就会难以忽略的畸变，而且设计过程中也很难将单极性信号转化双极性信号。因此，在发生器设计过程中要避免下列问题：

[0004] ·边沿处的寄生参数和边沿电场

[0005] ·过高的特性阻抗

[0006] ·较多的色散和较长的传输延时

[0007] ·发生器内部的电击穿

[0008] 这些问题如果不能有效地避免或者优化将会对发生器的设计带来很大的影响，进而无法在实验过程中有效测到辐射场强，甚至会对实验人员产生一定的辐射危害。

发明内容

[0009] 要解决的技术问题

[0010] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种双极性TEM微波谐振发生器，解决实验室或实际工作要求，规避了边沿寄生电参数和色散等诸多问题。该发生器可以将输入的单极性脉冲电信号转化为双极性电磁脉冲信号，其具有成本低、可重复使用、通用性强、使用方便安全等优点。

[0011] 技术方案

[0012] 一种双极性TEM微波谐振发生器，其特征在于包括短路面1、内导体电极2、外导体3、半圆弧形电容极板4、尼龙板6、固定法兰7、第一气体开关9和金属管10；内导体电极2为圆柱型钢板，内导体电极2通过短路面1和固定法兰7固定在内导体电极2的轴心，内导体电极2上设有内导体电极凸头12，内导体电极凸头12上设有气孔，内导体电极2位于固定法兰7设有气孔并与内导体电极凸头12上的气孔联通；半圆弧形电容极板4位于内导体电极凸头12的下方，与内导体电极凸头12相对的部位设有电极凸头11，电极凸头11上设有气孔；1块尼龙板6在两个电极凸头相对的部位，以围绕形成的圆柱结构固定在半圆弧形电容极板4和外导体3之间，形成一个密闭的第二气体开关的空腔；第一气体开关9为也圆柱型结构，固定在短路面1上，第一气体开关9圆柱的两端设有两个电极8，其中一侧的电极上设有气孔，该气孔通过带通孔的金属管10与电极凸头11上的气孔联通，形成内导体电极2的气孔通过第二气体开关的空腔与第一气体开关9的空腔联通。

[0013] 所述第一气体开关9的圆柱型钢板外侧设有绝缘尼龙。

[0014] 内导体电极凸头12与半圆弧形电容极板4的电极凸头11之间的放电间隙为4～6mm。

[0015] 第一气体开关9圆柱的两端的电极8之间的放电间隙为4～6mm。

[0016] 有益效果

[0017] 本发明提出的一种双极性TEM微波谐振发生器，将单极性直流脉冲(高斯波、方 波或三角波)信号转化生成双极性类阻尼振荡TEM波并向天线系统传输的发生器。该发生器可直接激励天线在电磁脉冲辐射效应研究中作为电磁信号发生装置，将电号转化成宽带电磁信号。

[0018] 本发明有益效果：能够传输TEM波的同轴结构无临界频率，因而没有与横截面尺寸有关的截止频率限制。同轴线具有一系列优点：实现所需要阻抗的必要性，圆柱的对称性，高的功率容量，充入变压器油后耐压效果尤为明显。设计中另一个重点为，如何将同轴线过渡到天线且匹配较好。因而将内导体设计为台阶状，同时将外导体内外径设计为渐变，这样就满足了阻抗匹配的要求。在仿真时，选择对数周期天线连接发生器，在天线最大辐射方向上，远场的场强如图5，可看出地场强度按双极性类阻尼振荡TEM波。

附图说明

[0019] 图1发生器2-D结构图

[0020] 图2发生器C-C剖面示意图

[0021] 图中：短路面1、内导体电极2、外导体3、半圆弧形电容极板4、绝缘尼龙5、尼龙板6、固定法兰7、电极8、第一气体开关9、金属管10、电极凸头11、内导体电极凸头12。

[0022] 图3三角波电压输入信号图

[0023] 图4双极性电压输出信号图

[0024] 图5带天线远场场强数仿真数值图

具体实施方式

[0025] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

[0026] 本发明实施例如图1所示，包括短路面1、内导体电极2、外导体3、半圆弧形电容极板4、尼龙板6、固定法兰7、第一气体开关9和金属管10；内导体电极2为圆柱 型钢板，内导体电极2通过短路面1和固定法兰7固定在内导体电极2的轴心，内导体电极2上设有内导体电极凸头12，内导体电极凸头12上设有气孔，内导体电极2位于固定法兰7设有气孔并与内导体电极凸头12上的气孔联通；半圆弧形电容极板4位于内导体电极凸头12的下方，与内导体电极凸头12相对的部位设有电极凸头11，两个电极凸头之间的放电间隙为4～6mm。电极凸头11上设有气孔；1块尼龙板6在两个电极凸头相对的部位，以围绕形成的圆柱结构固定在半圆弧形电容极板4和外导体3之间，形成一个密闭的第二气体开关的空腔；第一气体开关9为也圆柱型结构，圆柱型结构采用圆柱型钢板，且外侧设有绝缘尼龙。第一气体开关9固定在短路面1上，第一气体开关9圆柱的两端设有两个电极8，两个电极8之间的放电间隙为4～6mm。第一气体开关9圆柱其中一侧的电极上设有气孔，该气孔通过带通孔的金属管10与电极凸头11上的气孔联通，形成内导体电极2的气孔通过第二气体开关的空腔与第一气体开关9的空腔联通。第一气体开关9的

[0027] 本发明的工作原理：第二级气体开关的气体由通孔与第一级气体开关相接；台阶状内导体为半径变化的圆柱体，由短路面和固定法兰固定于外导体正中，其内部通孔与第二级气体开关连通。充气时，气管与内导体通孔连接，则气体依次充入第二级与第一级气体开关。

[0028] 本发明的输入信号波形可为高斯波、三角波或方波。两级气体开关的主要作用是将脉冲信号上升沿的陡化。其中第二极开关放电将直流电信号馈入同轴内导体上，短路面和同轴传输线部分实现信号极性的翻转延时和传输。对于气体开关的设计最重要考虑两点：较低的电感和较低的负载损耗。馈入的脉冲能量变换为一定时间内一定频谱和功率特性的高频信号能量的装置称为波发生器(短路面与传输线构成)。其中脉冲信号是借助于第二级气体开关放电，并在腔体内激励振荡而后由反射面反射形成的双极性电磁脉冲信号。通过在仿真时腔体内设置的探针可以很明显的发现输入信号为 单极性三角波时输出信号为双极性脉冲信号，如图4，图5所示。

[0029] 当馈电脉冲送到第一级气体开关时，放电器完成工作，同时完成对第二级开关的电容版充电，待第二节开关电容充电完成之后，击穿放电。放电器中充满了压缩的六氟化硫气体或者六氟化硫与氮气的混合气体，并处于可确保击穿的较大的气体压力下。由于有预先锐化，较小的电容值和放电间隙，同时具备高的击穿电压，因此放电器激励电流具有足够短的脉冲前沿，从而在同轴谐振腔中有效地激励起电磁振荡。击穿六氟化硫气体放电产生单极性脉冲馈入谐振腔内导体，经短路面反射后产生双极性信号，并向天线系统方向传播。

[0030] 本发明的双极性TEM波谐振发生器可将单极性的高压脉冲信号转化成双极性电磁振荡传输向天线系统。发生器具有使用灵活，方便，安全，试验成本低，可重复使用等优点。可实际应用于各种高功率电脉冲研究等多领域，作为系统的电磁脉冲发生器使用。