[发明专利]基于半导体开关和铁氧体传输线的IRA超宽带辐射阵列有效

专利信息
申请号: 201310162368.3 申请日: 2013-05-03
公开(公告)号: CN103247869A 公开(公告)日: 2013-08-14
发明(设计)人: 王冬冬;张骏;邓峰;高岚;郑生全;张崎 申请(专利权)人: 中国舰船研究设计中心
主分类号: H01Q23/00 分类号: H01Q23/00;H01Q21/30;H03K17/76
代理公司: 湖北武汉永嘉专利代理有限公司 42102 代理人: 胡建平
地址: 441623 湖*** 国省代码: 湖北;42
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摘要:
搜索关键词: 基于 半导体 开关 铁氧体 传输线 ira 宽带 辐射 阵列
【说明书】:

技术领域

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

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:

(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到109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。

(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。

(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

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。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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