L波段高功率微波辐射拒止效应研究.pdf

真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 微波能应用L波段高功率微波辐射拒止效应研究李长年,辜霄,王辉,李国熠,姚庆阳(成都西科微波通讯有限公司,四川 成都 ;电子科技大学,四川 成都 )摘要:针对高功率微波辐射拒止效应的测试需求,研制了L波段大功率微波辐射系统实验装置,该装置主要由全固态高压脉冲调制器、速调管、固态放大器激励源、输出波导及定向辐射天线组成,介绍了各个组成部分的参数设计、系统辐射效应试验及测试结果.实验结果表明:辐射系统等效辐射功率GW,在辐射远场区的功率密度达到 W/c m,对典型效应物能够产生明显的拒止效果,满足开展相关高功率微波拒止效应的测试需求.关键词:高功率微波;辐射系统;功率密度;微波拒止中图分类号:T N 文献标识码:A文章编号:()d o i:/j c n k i c n /t n R e s e a r c ho nR e j e c t i o nE f f e c t o fL b a n dH i g h p o w e rM i c r o w a v eR a d i a t i o nL IC h a n g n i a n,GUX i a o,WANG H u i,L IG u o y i,YAOQ i n g y a n g(C h e n g d uS e e k o nM i c r o w a v eC o mm u n i c a t i o nC o L t d,C h e n g d uS i c h u a n ,C h i n a;U n i v e r s i t yo fE l e c t r o n i cS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fC h i n a,C h e n g d uS i c h u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h e t e s t i n g r e q u i r e m e n t f o r t h e r e j e c t i o ne f f e c t o f h i g h p o w e rm i c r o w a v e,aL b a n dh i g hp o w e rm i c r o w a v er a d i a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e d T h es y s t e mi sc o m p o s e do fa l l s o l i d s t a t eh i g h v o l t a g ep u l s em o d u l a t o r,k l y s t r o n,s o l i d s t a t ea m p l i f i e re x c i t a t i o ns o u r c e,r e c t a n g u l a rw a v e g u i d ea n dh i g h p o w e rd i r e c t i o n a l a n t e n n a T h ep a r a m e t e r d e s i g no f e a c hc o m p o n e n t i s i n t r o d u c e d T h e r a d i a t i o ne f f e c t t e s ts h o w s t h a t t h ee q u i v a l e n t r a d i a t i o np o w e ro f t h er a d i a t i o ns y s t e mi sGW,a n dt h ep o w e rd e n s i t yi nt h ef a r f i e l dr a d i a t i o nr e g i o nr e a c h e s W/c m,w h i c hc a np r o d u c e s i g n i f i c a n t r e j e c t i o ne f f e c t so n t y p i c a l e f f e c t o r sa n dm e e t t h e t e s t i n gr e q u i r e m e n t s f o rh i g h p o w e rm i c r o w a v er e j e c t i o ne f f e c t s K e y w o r d s:H i g hp o w e rm i c r o w a v e,R a d i a t i o ns y s t e m,P o w e rd e n s i t y,R e j e c t i o ne f f e c t自从 世纪 年代以来,美国、英国、法国、德国、日本和前苏联等相继开展了高功率微波技术研究,在高功率微波辐射效应研究中,为满足对目标对象的效应研究试验要求,通常需要在辐射系统远场条件下具备相对较高的功率密度,实现微波与目标对象的相互作用,继而开展相应的效应研究试验.研究表明,相应的辐射电磁环境功率密度需要达到W/c m甚至数十W/c m .为在辐射远场区实现数十W/c m功率密度的高功率微波辐射场输出,本文采用全固态高压脉冲调制器驱动MW量级的L波段多注速调管,固态放大器激励源输出百瓦量级的射频激励信号至速调管,经高压脉冲调制器输出高压脉冲驱动后产生大功率微波输出,并由输出波导传输后,经过波导缝隙阵天线对外辐射出大功率微波,在远场区实现十W/c m量级功率密度的高功率微波输出,满足开展相应高功率微波效应研究的需求.试验装置设计系统试验装置组成框图如图所示.它主要包括全固态高压脉冲调制器、速调管、固态放大器激励源、输出波导及定向辐射天线等部分.整个系统采用 V交流供电,经由全固态高压脉冲调制器后输出高压脉冲电压驱动速调管工作,同时调制器输出同步触发信号,驱动固态脉冲调制器输出射频激励信号传输至速调管射频输入接口,速调管在高压V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 脉冲调制器提供的高压脉冲和固态放大器激励源提供的射频激励下振荡产生大功率微波输出,经输出波导和定向辐射天线后,对外辐射大功率微波,在空间形成较高功率密度的微波辐射.AC380 V图试验装置组成框图 高压脉冲调制器速调管主要采用钢管调制器作为高压脉冲调制器,即应用绝缘栅双极性晶体管(I G B T)及矩阵式脉冲变压器推动速调管,其组成框图如图所示.图高压脉冲调制器组成框图相比于传统高压脉冲调制器,此类调制器在继承感应叠加器快前沿和传统的脉冲变压器结构紧凑优点的同时,使得感应叠加器和传统的脉冲变压器一体化 .具有高变比、无开关管的串/并联、初级单元调制器数量少等优点,实现初级模块等电位,克服了传统脉冲变压器中存在的系统稳定性差、开关同步要求高、I G B T模块易损坏等问题.本文采用的是中电 所V E 型L波段多注速调管,其阻抗可根据式()进行预估,为调制器设计提供技术参考:RUkIk()根据速调管的阴极电压和阴极电流可计算出速调管阻抗范围约为 .脉冲变压器采用矩阵式设计,根据脉冲宽度要求 s及 的工作比,根据公式()()确定速调管和调制器输出端需要匹配的电容量和电感量.Ctss()(R)()Lts()(RR)s()式中,C为等效分布电容;L为等效漏电感;R为脉冲源振荡内阻;R 为速调管等效内阻;为无量纲系数;为变压器初级到次级的电压传输系数;s为脉冲前沿的相对宽度;ts为脉冲前沿宽度.通过公式计算出相应的电容量C F和电感量L H.为进一步降低脉冲变压器分布参数对高压输出波形的影响,变压器采用锥形绕组,变比设计为:.高压脉冲调制器与速调管匹配后输出的电压波形如图所示.图高压脉冲调制器匹配速调管后输出波形由图可见,经过与速调管匹配后,输出高压脉冲波形顶部平坦度不超过,输出波形上升时间为 n s,下降时间为 n s,输出脉冲宽度不小于s,经示波器探头补偿换算后输出脉冲电压为 k V,速调管和调制器匹配很好,可高效驱动速调管工作.速调管中电 所生产的V E 型L波段多注速调管采用B J 的标准矩形波导输出微波能量,主要性能指标如表所示.表表 V E 主要性能指标阴极电压/k V阴极电流/A工作频率/MH z脉冲宽度/S重复频率/H z L波段 根据输出的平均功率和工作比计算该速调输出峰值功率约 MW.该管采用周期反转永磁聚焦的聚焦方式,正常工作无需额外的磁场进行聚焦,调试时仅需调整驱动电压及射频激励功率,实现管子的最大功率输出.固态放大器激励源固态放大器激励源主要由恒温晶振、源模块、数控衰减模块、功率放大模块、脉冲调制模块、隔离器、检波器、控制模块以及电源模块等组成,其组成原理框图如图所示.功放模块采用三级放大,该模块设计框图如图所示,该放大器模块可以输出约 W的峰值功率,满足该速调管的使用要求.真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 图固态放大器激励源组成框图AC/DC220 VACRFinRFout6WCN008020-P56WCN008020-P53P:53 dBmWFBN003020-P40P:40 dBmG:26 dBHGC301-1 P:20dBmG:18 dBIL:0.4 dB 0 dBm14 dBm40 dBmG:13 dB53 dBmIL:1 dB43.4 dBm+28 V+48 V+5 V62.3 dBm43 dBm56 dBm57.6 dBmP:56 dBmG:13 dBIL:0.4 dBIL:1 dB图功放模块框图 输出波导及辐射天线辐射天线采用波导缝隙阵方案,天线采用标准矩形波导宽边开缝的形式,功分器采用插片型的波导功分器,最后将功分器与天线组成阵面,完成微波能量从速调管到辐射天线的传输.馈线至天线的框图如图所示.图天馈系统框图功率容量需求为 MW,而天线阵面采用 根裂缝波导阵,因此平均分配到单根裂缝波导天线上的能量为 MW,天线口面尺寸 m m.因此在H F S S软件中将激励端口的能量按照实际情况,设置为 MW,功率容量的仿真结果如图所示,满足功率容量的要求.图为功率容量的仿真结果,设置激励功率为 MW,仿真的电场强度为 V/m,小于空气击穿强度 V/m,满足功率容量 MW的要求.图波导缝隙天线功率容量的仿真结果图功率容量的仿真结果V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 实验测试在完成系统中高压脉冲调制器、速调管、激励源、输出波导、定向辐射天线安装及分机测试后,先对高压脉冲调制器采用模拟测试的手段进行技术验证,将速调管替换为模拟电阻负载,相应的阻值根据速调管阻值进行设定,以确认高压脉冲调制器输出波形的电压、上升时间、下降时间、脉冲顶部宽度等关键指标是否满足速调管的要求.然后连接速调管进行小功率输出测试,再次确认调制器输出高压脉冲波形的关键参数是否有差异,根据测试结果对脉冲调制器做相应调整,最后连接激励源和辐射系统进行大功率辐射试验,实时监测远场条件下的辐射场大小,并以此对高压脉冲调制器输出的电压和激励源输出的射频激励功率进行调整,直至速调管输出满功率为止.系统辐射场监测试验框图如图所示,根据近距离测出的辐射场大小换算出远场条件下的辐射场大小,对高压脉冲调制器和激励源输出进行调整.40 dB20 dB20 m 图辐射场监测测试示意图系统经测试优化后,数字示波器监测的辐射波形如图 所示,其中,电压峰峰值约 V,对应的微波信号中心频率为 MH z.图 示波器监测的辐射波形为确保整个系统,包括高压脉冲调制器、速调管、输出波导及定向辐射系统满足设计指标要求,并与测量结果进行比对,本文从下面两个方面进行设计计算.一方面需要确认整个系统的等效辐射功率理论值,即参考速调管的射频输出功率、输出波导及定向辐射天线的插入损耗和天线增益,可以计算出系统等效辐射功率理论值为GW;另一方面,需要根据实际测试环境,包括接收天线与发射天线相对距离,接收天线增益、接收天线到示波器线缆损耗、检波器灵敏度、示波器采样电压幅值,可计算出对应的等效辐射功率测量值约为 GW.理论计算值与实际测试值相差 d B,在误差允许范围之内.根据系统的实际等效辐射功率,结合定向辐射天线口面尺寸,可以计算出辐射远场区为R m.因此,该辐射系统能够模拟的远场区最大功率密度按下式计算.SE R P R W/c m()可见,远场条件下的微波辐射场功率密度已达十W/c m的量级,满足对目标对象的效应研究试验要求,可以开展相应的效应研究试验.效应测试主要分静态测试和动态测试两种方式进行,测试结果如表和表所示.表静态测试结果汇总表序号是否熄火熄火距离/m功率密度/(W/c m)其余故障车辆类型是 安全气囊故障汽油是 安全气囊故障汽油是 安全气囊故障汽油是 黑屏、助力消失电动是 黑屏电动是 黑屏、助力消失电动是 /报废是 /报废表动态测试结果汇总表序号是否熄火熄火距离/m功率密度/(W/c m)其余故障车辆动力类型是 /汽油是 无法启动混动否/黑屏纯电可见,L波段高功率微波对运动中以及静止中的车辆可实现有效拒止.真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 结束语基于速调管的大功率微波辐射系统具有工作稳定、试验应用灵活方便等特点,在辐射远场区辐射场功率密度已达十W/c m的量级,对运动中以及静止中的车辆可实现有效拒止,满足开展相应高功率微波效应研究的需求.参考文献赵鸿燕国外高功率微波武器发展研究J航空兵器,():汪伟华高功率微波M北京:国防工业出版社,:许建军,肖开奇,张溪高功率微波辐射电磁环境模拟系统研究J真空电子技术,():B o r t i sD,O r t i zG,K o l a r JW,e t a l D e s i g nP r o c e d u r e f o rC o m p a c tP u l s e T r a n s f o r m e r s w i t h R e c t a n g u l a r P u l s eS h a p ea n dF a s tR i s eT i m e sJ I E E E T r a n s D i e l e c t r E l e c t I n s u l,():B o r t i sD,B i e l a J,K o l a r JW T r a n s i e n tB e h a v i o u r o f S o l i dS t a t e M o d u l a t o r w i t h S p l i tC o r e T r a n s f o r m e rJI E E EI n t e r n P u l s e dP o w e rC o n f(P P C),U S A:W a s h i n g t o nD C,:收稿日期:作者简介:李长年(),男,硕士,工程师,主要专业研究方向:大功率微波发射技术,E m a i l:l c h a n g n c o m,联系电话:.(上接第 页)表网络分析仪法测试结果变化双端口校准双端口输入功率校准双端口输入功率校准R 稳幅 d B d B d B结论工程应用中,采用网络分析仪法测试行波管饱和增益平坦度时,双端口校准不能完全消除矢网发射功率的波动,需要进一步增加输入功率校准和开启功率调平模式,才能满足网络分析法对输入功率的要求.本文在研究过程中,未能发现改进方法后的网络分析仪测试结果与逐点法测试结果在百分位的差异来源,还需进一步探讨.参考文献薛凯微波、毫米波增益均衡器技术研究D成都:电子科技大学,李镇远,冯进军,梁友焕等行波管中的微波测量技术M北京:国防工业出版社,A SG i l m o u r,J r P r i n c i p l e so fT r a v e l i n g W a v eT u b e sM N o r w o o d,MA:A R C T E CHHOU S E,收稿日期:作者简介:何晏彰(),男,工程师,年毕业于西安交通大学电子科学与技术专业,现主要从事空间行波管研 制工作,E m a i l:h e y a n z h a n g c o m.