基于光导开关的时域天线空间功率合成技术分析

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1、第一章引言第一章引言1．1光导开关在电磁学中的应用光电子技术、微波技术和激光技术的进步和相互结合，产生了一类能够工作在时域的高速、高频电子开关器件，光导开关就是这类器件中最具代表性的一种【l】。光导开关全称为光控光导半导体开关(OpticallyControlledPhotoconductiveSemiconductorswitches．-PCsS)，具有极其优良的电学和光学特性，在高功率超宽带脉冲产生领域和超快电子学等众多领域中有着极其广阔的应用前景。光导开关除线性模式工作以外，还存在一种高增益的非线性工作模式，而倍受人们的关注。PCSS尤其在高功率微波(HPM)脉冲和瞬态电子

2、学领域得到广泛的应用。光导开关自问世以来，由于其具有开关速度快、触发稳定、热容量和热传导性高、寄生电感低、灵敏度高、光电隔离好等优点[21，在超宽带雷达、光控微波、毫米波等领域有着广泛的应用前景。随着光导开关和超宽带技术的发展，将光导开关技术更好地运用到超宽带雷达中，超宽带雷达的发展前景将会更广泛，实用性更强。光导开关的非线性特性在高功率超宽带脉冲产生、超快电子学、高功率微波武器等领域中有极为广阔的应用前景和重大意义。1．1．1光导开关在高功率超宽带电磁脉冲中的应用光导开关作为高功率超快电磁波的产生方法之一，是目前在超快高频科学与技术研究领域的前沿课题。用光导开关产生超快高频电磁

3、脉冲的物理机制是：用激光脉冲触发光电导材料，使其内部产生电子．空穴对，这些载流子在外加电场作用下加速运动，形成瞬态光电流，而随时间变化的电流会辐射电磁波，从而产生超快高频电磁波【3】。光电导天线辐射的电磁波的能量主要来自天线上所加的偏置电场，可以通过调节外加电场的大小来获得能量较强的电磁波。随着光导开关材料的发展，已经发现一些击穿电场、禁带宽度、迁移率、热导率、暗态电阻率等都较高，而载流子寿命又很小，非常适合于制作超高频、超大功率、超快微波的半导体光导开关材料。光导开关的性能正在不断改进，逐步适应各种应用领域的要求。可以预测不久的将来凭借其优良的特性，光导开关将成为新一代高功率开

4、关的有力竞争者。电子科技大学硕士学位论文光导开关的高增益非线性工作模式提高了光导开关的输出脉冲峰值功率，高倍增锁定电流有可能达到光电流的几倍，通过天线辐射的时域电压响应要比线性模式高几倍，若用该模式作为天线的激励，结合空间功率合成技术可以在很大程度上提高合成的功率，在高功率电磁领域中有较大的应用潜力。最近光导开关在HPM领域的应用研究最多，光导开关是目前解决微波发生器小尺寸、大功率、低成本最有效的方案之一。其融合激光和大功率微波为一体，使HPM系统具有更大的功率和使用灵活性，其技术的突破被认为与20世纪60年代晶体管取代真空管的突破相当。光一微波系统的关键技术除了脉冲发生技术以外

5、，更重要的是能使系统中的分布式电导体能产生同步的脉冲，所以能在最快的时间内同时接通所有的分布式电导体的光导开关电路技术是一个关键。时域超宽带(uwB)技术的核一tL,器件是能产生从纳秒至皮秒量级超宽带脉冲的电子元件。近年来，随着光导开关技术的发展，特别是用飞秒(fs)激光脉冲选通的快速光导开关技术的成熟，使人们可以获得接近THz的超宽频带脉冲[41。目前我国UWB通信技术的研究重点是光导开关脉冲源及其在大功率辐射系统中的应用。超宽带雷达技术的研究比飞机隐形技术早，但研制出成功的系统的相关报道还比较少，最大的问题就是如何进行高能量的高速转化及产生高速、高功率冲击脉冲。随着f．s激光

6、选通的快速响应光导开关技术的成熟，利用光导开关可以产生高功率皮秒脉冲和脉宽在皮秒0s)级的电磁辐射，为超宽带雷达在实用化方面的研究提供了基本条件。1．1．2基于光导开关的时域天线技术用光导开关作为天线激励源的天线称为光导天线。如图1-1所示，激光由光纤功分，通过对光纤的控制达到天线单元间所需要的时间延迟，然后将光信号激励到加有偏压的光导开关上，开关产生的瞬态电流激励天线实现辐射‘61。图1-1光导天线工作原理框图未来HPM武器发展的关键技术是空间武器所需的重量轻、功率高的微波武器2第一章引言[rl，具体技术包括：超宽带微波辐射源；发射高功率超宽带窄脉冲所需的天线形式；超高压脉冲能

7、量源以及电磁脉冲的形状、峰值功率和其他参数效应的影响。光导天线的响应特点基本上满足了HPW脉冲源的技术要求。早期研究光导开关与天线结合的例子采用的领结天线形式【8】，如图卜2所示，文献中采用硅(Si)基片光导开关线性响应作为激励，对领结天线辐射的时域脉冲波形进行了考察，从理论分析和实验上都得到了较好时域辐射结果。+VO_、，o图Cu—Sl图1-2领结形光导天线不恿图由于载重和空气动力学的限制，空中的载体只能采用小尺寸的天线形式，一般会想到采用微带形式，但是由于微带天线受到功率容量