本发明公开了一种高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统。该系统包括：Marx发生器，用于输出前沿小于3ns的第一高压电脉冲；旋磁非线性传输线，包括螺线管及铁氧体传输线，其中，铁氧体传输线包括内、外导体及填充在内、外导体之间的旋磁铁氧体磁环，外部可调电源给螺线管馈电形成轴向磁场作用于旋磁铁氧体磁环上；通过选取合适组合的铁氧体传输线的长度、内、外导体的半径及旋磁铁氧体磁环的特性参数，将铁氧体传输线接收到的第一高压电脉冲的前沿陡化至皮秒级前沿的第二高压电脉冲；开关振荡器，用于将第二电脉冲转化为宽带电磁脉冲；辐射天线，用于将宽带电磁脉冲辐射至自由空间。本发明能有效提高产生宽带电磁脉冲的能量效率。
1.一种高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，其特征在于，包括：
Marx发生器，用于将外部高压直流电源提供的高压直流电压进行陡化处理后，输出前沿小于3ns的第一高压电脉冲；
其中，所述Marx发生器包括十级Marx单元，其中，每级Marx单元均包括火花隙开关、充电电容、第一隔离电感和第二隔离电感，第一级Marx单元中的第一隔离电感的一端与所述高压直流电源相连，除所述第一级Marx单元外其余每级Marx单元中的第一隔离电感的一端均与上一级Marx单元中的第一隔离电感的另一端相连；在各级Marx单元中，第一隔离电感的另一端均通过充电电容与第二隔离电感的一端相连，第二隔离电感的另一端和火花隙开关的一电极接地；除第十级Marx单元外其余每级Marx单元中的火花隙开关的另一电极均与后一级Marx单元中花隙开关的一端相连，所述第十级Marx单元中的火花隙开关的另一端与铁氧体传输线相连；
当所述高压直流电源给所述第一级Marx单元中的充电电容充电至预定电压时，各级Marx单元中的火花隙开关依次导通，利用各级Marx单元中的火花隙开关的一电极与地之间形成的寄生电容，并通过选取合适组合的所述Marx发生器中各器件的电参数，将所述高压直流电源提供的高压直流电压陡化至前沿小于3ns的第一高压电脉冲；
旋磁非线性传输线，包括螺线管及固定设置在所述螺线管内的铁氧体传输线，其中，所述铁氧体传输线包括内、外导体及填充在所述内、外导体之间的旋磁铁氧体磁环，所述螺线管与外部可调电源相连；外部可调电源给所述螺线管馈电形成轴向磁场作用于所述旋磁铁氧体磁环上，通过选取所述铁氧体传输线中各部件的长度、所述内、外导体的半径及所述旋磁铁氧体磁环的特性参数这三者的合适组合，将所述铁氧体传输线接收到的所述第一高压电脉冲的前沿陡化至皮秒级前沿的第二高压电脉冲；
开关振荡器，用于将所述第二高压电脉冲转化为宽带电磁脉冲；
2.根据权利要求1所述的高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，其特征在于，所述旋磁铁氧体磁环的特性参数包括所述旋磁铁氧体磁环的饱和磁化强度。
3.根据权利要求2所述的高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，其特征在于，所述铁氧体传输线的长度为490～510mm，内导体的半径为10～12mm，外导体的半径为21～23mm，所述旋磁铁氧体磁环的饱和磁化强度为4750～4850Gauss。
4.根据权利要求1所述的高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，其特征在于，在各级Marx单元中，所述充电电容的容值为1～3nF，所述充电电容中的内感感值为29～31nH，第一隔离电感和第二隔离电感的感值为9～11μH，所述寄生电容的容值为9～11pF，各级Marx单元中的火花隙开关与充电电容之间形成的连线电感的感值为49～51nH。
5.根据权利要求1所述的高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，其特征在于，所述第一级Marx单元中的火花隙开关采用场畸变型触发开关，除所述第一级Marx单元外其余各级Marx单元中的火花隙开关均采用自击穿开关。
6.根据权利要求1所述的高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，其特征在于，各级Marx单元中的充电电容排成一列间隔设置，相邻两个充电电容之间的中心轴线上对应设置有所述火花隙开关，每级Marx单元中的第一隔离电感和第二隔离电感固定在充电电容的两侧。
7.根据权利要求1任意一项所述的高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，其特征在于，所述开关振荡器包括同轴传输线、自击穿火花隙开关和半径渐变的传输线，所述同轴传输线的一端与所述铁氧体传输线相连，所述自击穿火花隙开关设置在所述同轴传输线和所述半径渐变的传输线之间，所述同轴传输线的另一端与所述辐射天线相连。
8.根据权利要求7所述的高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，其特征在于，所述自击穿火花隙开关的腔体内充入有SF6气体。
9.根据权利要求1所述的高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，其特征在于，所述辐射天线采用螺旋天线。
一种高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统
技术领域
[0001] 本发明属于宽带电磁脉冲产生技术领域，更具体地，涉及一种高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统。
背景技术
[0002] 高能量效率的宽带电磁脉冲的百分比带宽为1％～25％，具有后门耦合效率高、产生系统结构简单、易小型化和可高重频运行等优点，受到越来越多的重视。然而，实际应用中采用的宽带电磁脉冲产生系统主要是由脉冲产生系统、开关振荡器和辐射天线组成，利用开关振荡器将脉冲产生系统的前沿电脉冲转化为宽带电磁脉冲，存在能量效率低的问题。
发明内容
[0003] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统。
[0004] 为实现本发明的目的，本发明提供了一种高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，包括：
[0005] Marx发生器，用于将外部高压直流电源提供的高压直流电压进行陡化处理后，输出前沿小于3ns的第一高压电脉冲；
[0006] 旋磁非线性传输线，包括螺线管及固定设置在所述螺线管内的铁氧体传输线，其中，所述铁氧体传输线包括内、外导体及填充在所述内、外导体之间的旋磁铁氧体磁环，所述螺线管与外部可调电源相连；外部可调电源给所述螺线管馈电形成轴向磁场作用于所述旋磁铁氧体磁环上，通过选取合适组合的所述铁氧体传输线的长度、所述内、外导体的半径及所述旋磁铁氧体磁环的特性参数，将所述铁氧体传输线接收到的所述第一高压电脉冲的前沿陡化至皮秒级前沿的第二高压电脉冲；
[0007] 开关振荡器，用于将所述第二高压电脉冲转化为宽带电磁脉冲；
[0008] 辐射天线，用于将所述宽带电磁脉冲辐射至自由空间。
[0009] 本发明提供的高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，相比于传统的宽带电磁脉冲产生方式，采用Marx发生器作为脉冲驱动源产生快前沿的电脉冲，之后接旋磁非线性传输线将电脉冲进行进一步陡化，可有效提高产生宽带电磁脉冲的能量效率；同时本实施例提供的宽带电磁脉冲系统组成结构简单，配套设备少，可实施性强。
[0010] 在一个实施例中，所述旋磁铁氧体磁环的特性参数包括所述旋磁铁氧体磁环的饱和磁化强度。
[0011] 在其中一个实施例中，所述铁氧体传输线的长度为490～510mm，内导体的半径为10～12mm，外导体的半径为21～23mm，所述旋磁铁氧体磁环的饱和磁化强度为4750～
4850Gauss。
[0012] 在其中一个实施例中，所述Marx发生器包括十级Marx单元，其中，每级Marx单元均包括火花隙开关、充电电容、第一隔离电感和第二隔离电感，第一级Marx单元中的第一隔离电感的一端与所述高压直流电源相连，除所述第一级Marx单元外其余每级Marx单元中的第一隔离电感的一端均与上一级Marx单元中的第一隔离电感的另一端相连；在各级Marx单元中，第一隔离电感的另一端均通过充电电容与第二隔离电感的一端相连，第二隔离电感的另一端和火花隙开关的一电极接地；除第十级Marx单元外其余每级Marx单元中的火花隙开关的另一电极均与后一级Marx单元中花隙开关的一端相连，所述第十级Marx单元中的火花隙开关的另一端与所述铁氧体传输线相连；
[0013] 当所述高压直流电源给所述第一级Marx单元中的充电电容充电至预定电压时，各级Marx单元中的火花隙开关依次导通，利用各级Marx单元中的火花隙开关的一电极与地之间形成的寄生电容，并通过选取合适组合的所述Marx发生器中各器件的电参数，将所述高压直流电源提供的高压直流电压陡化至前沿小于3ns的第一高压电脉冲。
[0014] 在其中一个实施例中，在各级Marx单元中，所述充电电容的容值为1～3nF，所述充电电容中的内感感值为29～31nH，所述第一隔离电感和所述第二隔离电感的感值为9～11μH，所述寄生电容的容值为9～11pF，各级Marx单元中的火花隙开关与充电电容之间形成的连线电感的感值为49～51nH。
[0015] 在其中一个实施例中，所述第一级Marx单元中的火花隙开关采用场畸变型触发开关，除所述第一级Marx单元外其余各级Marx单元中的火花隙开关均采用自击穿开关。
[0016] 在其中一个实施例中，各级Marx单元中的充电电容排成一列间隔设置，相邻两个充电电容之间的中心轴线上对应设置有所述火花隙开关，每级Marx单元中的第一隔离电感和第二隔离电感固定在充电电容的两侧。
[0017] 在其中一个实施例中，所述开关振荡器包括同轴传输线、自击穿火花隙开关和半径渐变的传输线，所述同轴传输线的一端与所述铁氧体传输线相连，所述自击穿火花隙开关设置在所述同轴传输线和所述半径渐变的传输线之间，所述同轴传输线的另一端与所述辐射天线相连。
[0018] 在其中一个实施例中，所述自击穿火花隙开关的腔体内充入有SF6气体。
[0019] 在其中一个实施例中，所述辐射天线采用螺旋天线。
附图说明
[0020] 图1是本发明一实施例提供的高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统的组成框图；
[0021] 图2是本发明提供的旋磁非线性传输线的结构示意图；
[0022] 图3是本发明提供的旋磁非线性传输线进行前沿陡化的原理示意图；
[0023] 图4是本发明提供的Marx发生器的电路原理示意图；
[0024] 图5是本发明一实施例提供的Marx发生器输出的脉冲波形图；
[0025] 图6是本发明一实施例提供的开关振荡器和辐射天线的结构框图。
具体实施方式
[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027] 本发明着眼于宽带电磁脉冲产生系统的实际需求，提出了一种高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，适用于高功率微波领域。利用Marx发生器100产生3ns左右上升沿、电压百kV级的电脉冲，而后利用旋磁非线性传输线200将电脉冲的上升沿进一步陡化至ps量级，随后利用开关振荡器300将电脉冲转化为宽带电磁脉冲，最后利用辐射天线400将宽带电磁脉冲辐射至自由空间。相比于传统宽带电磁脉冲产生系统，加入了旋磁非线性传输线200，可有效提高宽带电磁脉冲的能量效率。
[0028] 图1是本发明一实施例提供的高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统的组成框图，该宽带电磁脉冲产生系统主要包括Marx发生器100、旋磁非线性传输线200、开关振荡器300和辐射天线400，该宽带电磁脉冲产生系统整体为同轴结构，其各组成部分相对独立，仅保持电连接。
[0029] 其中，Marx发生器100的输入端与外部高压直流电源相连，Marx发生器的输出端依次通过旋磁非线性传输线200、开关振荡器300与辐射天线400相连。
[0030] 在本实施例中，Marx发生器100，用于将外部高压直流电源提供的高压直流电压进行陡化处理后，输出前沿小于3ns、电压百kV的电脉冲，即第一高压电脉冲。利用Marx发生器100产生前沿小于3ns、电压百kV的电脉冲，便于后端旋磁非线性传输线200将该电脉冲进行进一步陡化处理。
[0031] 旋磁非线性传输线200，如图2所示，主要包括螺线管及固定设置在螺线管内的铁氧体传输线，其中，铁氧体传输线包括内、外导体222及填充在内、外导体222之间的旋磁铁氧体磁环224；螺线管与外部可调电源210相连，外部可调电源210给螺线管馈电形成轴向磁场作用于旋磁铁氧体磁环224上，通过选取合适组合的铁氧体传输线的长度、内、外导体222的半径及旋磁铁氧体磁环224的特性参数，可将铁氧体传输线接收到的第一高压电脉冲的前沿陡化至皮秒级前沿的电脉冲，即第二高压电脉冲。具体地，旋磁铁氧体磁环224的特性参数可包括旋磁铁氧体磁环224的饱和磁化强度，当然也可以为其他参数，本实施例不作限制。
[0032] 在一个具体设计例中，当铁氧体传输线的长度取490～510mm，内导体的半径取10～12mm，外导体的半径取21～23mm，取饱和磁化强度为4750～4850Gauss的旋磁铁氧体磁环224时，可将第一高压电脉冲的前沿陡化至ps量级。当然本实施例提供的旋磁非线性传输线
200中各部件的参数还可有其他选择组合形式，具体可根据实际情况进行相应选择，本实施例不作限制。
[0033] 需要说明的是，本实施例提供的旋磁非线性传输线200对第一高压电脉冲进行陡化的原理为：如图3所示，旋磁铁氧体磁环224相对磁导率的变化会直接影响到第一高压电脉冲前沿传播相速度的变化，随着第一高压电压脉冲沿着铁氧体传输线传播，电压幅度逐渐增加，旋磁铁氧体磁环224也随之逐渐励磁，使得磁导率降低，波速增快。于是在铁氧体传输线中，波前部分中的Vl点的速度高于V2点，导致脉冲前沿不同点的速度不一样，会出现V1点的速度不断“赶上”V2点的速度逐步形成前沿陡化。
[0034] 开关振荡器300，用于将第二电脉冲转化为宽带电磁脉冲。
[0035] 辐射天线400，用于将宽带电磁脉冲辐射至自由空间。
[0036] 本实施例提供的高能量效率的宽带电磁脉冲产生系统，相比于传统的宽带电磁脉冲产生方式，采用Marx发生器100作为脉冲驱动源产生快前沿的电脉冲，之后接旋磁非线性传输线200将电脉冲进行进一步陡化，可有效提高产生宽带电磁脉冲的能量效率；同时本实施例提供的宽带电磁脉冲系统组成结构简单，配套设备少，可实施性强。
[0037] 在一个实施例中，参见图4，本发明提供的Marx发生器100包括十级Marx单元，每级Marx单元均包括火花隙开关110、充电电容120、第一隔离电感130和第二隔离电感140，且每级Marx单元中采用的各器件参数相同。
[0038] 其中，第一级Marx单元中的第一隔离电感的一端与高压直流电源相连，除第一级Marx单元外其余每级Marx单元中的第一隔离电感的一端均与上一级Marx单元中的第一隔离电感的另一端相连；在各级Marx单元中，第一隔离电感的另一端均通过充电电容与第二隔离电感的一端相连，第二隔离电感的另一端和火花隙开关的一电极接地；除第十级Marx单元外其余每级Marx单元中的火花隙开关的另一电极均与后一级Marx单元中花隙开关的一端相连，第十级Marx单元中的火花隙开关的另一端与铁氧体传输线相连。在本实施例中第一隔离电感和第二隔离电感用于将相邻两级Marx单元进行隔离。
[0039] 本实施例提供的Marx发生器的工作原理为：各级Marx单元采用并联充电串联放电的方式实现对外部高压直流电源输出的高压直流电压进行升压；当外部高压直流电源给第一级Marx单元中的充电电容充电至预定电压时，各级Marx单元中的火花隙开关依次导通，利用各级Marx单元中的火花隙开关的一电极与地之间形成的寄生电容150，并通过选取合适组合的Marx发生器中各器件的电参数，可将高压直流电源提供的高压直流电压陡化至前沿小于3ns、电压为百kV的电脉冲。
[0040] 在一个具体设计例中，当充电电容120的容值取1～3nF，该充电电容的内感160感值取29～31nH，第一隔离电感130和第二隔离电感140的感值取9～11μH，寄生电容150的容值取9～11pF，各级Marx单元中的火花隙开关110与充电电容120之间形成的连线电感170的感值取49～51nH时，可实现前沿小于3ns，电压百kV的电脉冲输出，其输出波形图如图5所示。当然本实施例提供的各级Marx单元中器件的参数还可有其他选择组合形式，具体可根据实际情况进行相应选择，本实施例不作限制。
[0041] 进一步地，本实施例提供的Marx发生器100可封装在不锈钢圆筒内，不锈钢圆筒内充入有高压绝缘氮气，各级Marx单元中的充电电容排成一列间隔嵌入设置在不锈钢圆筒的内壁上，相邻两个充电电容之间的中心轴线上对应设置有火花隙开关，采用将十级火花隙开关排成一列设计可便于前级导通时产生的紫外光预电离后级的开关；且每级Marx单元中的第一隔离电感和第二隔离电感固定在充电电容的两侧，可使得Marx发生器的结构更加紧凑。
[0042] 为降低火花隙开关与其相邻充电电容之间产生的连线电感的感值，保证Marx发生器输出的电脉冲的波形质量，可将火花隙开关与其相邻充电电容之间的连接线设置为尽可能短，以降低该连线电感。具体地，第一级Marx单元中的火花隙开关可采用场畸变型触发开关，除第一级Marx单元外其余各级Marx单元中的火花隙开关均可采用自击穿开关。
[0043] 在一个实施例中，如图6所示，开关振荡器300主要包括同轴传输线310、自击穿火花隙开关320、半径渐变的传输线330和起密封盒支撑作用的介质340，同轴传输线310的一端与铁氧体传输线相连，自击穿火花隙开关320设置在同轴传输线310和半径渐变的传输线330之间，同轴传输线310的另一端与辐射天线400相连。其中，自击穿火花隙开关320的腔体内可充入SF6气体。
[0044] 当旋磁非线性传输线200输出的电脉冲给自击穿火花隙开关320充电至预定电压时，自击穿火花隙开关320导通，由于辐射天线400特性阻抗较传输线330特性阻抗高很多，自击穿火花隙开关320闭合产生的瞬态波传播至辐射天线400馈入端时，一部分透射入辐射天线400向自由空间辐射，另一部分被反射，当该反射波传播至自击穿火花隙开关320一端时，由于自击穿火花隙开关320导通后短路，被全反射且反相，又开始重复上述过程，于是在辐射天线400馈入端形成宽带电磁脉冲。其中，采用半径渐变的传输线330可实现阻抗的缓慢变化，使开关振荡器300工作在稳定的状态。
[0045] 在一个实施例中，参见图6，辐射天线400采用螺旋天线，将宽带强电磁脉冲高效地辐射至自由空间。其中，螺旋天线的谐振频率主要由螺旋直径、节距决定，增益则主要由圈数、节距决定，天线阻抗约100Ω。
[0046] 本领域的技术人员容易理解，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。
