基于光导开关的瞬态电磁脉冲系统

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1、第一章引言1．1课题研究背景课题研究工作是基于以下三个学科分支已取得的进展基础上提出来的。(1)瞬态电磁脉冲能量的慢衰减理论．该理论认为，对满足一定波形条件的瞬态电脉冲，经超宽带天线辐射后，其能量将呈现“三段式传输规律”。即：在近场区能量G几乎不随距离z减小，称此距离为能量的“不衰减段"；在中近场区能量随距离衰减慢于平方反比律(Gocz"卜50<承1)，称此距离为能量的“慢衰减段”；在中远场区能量随距离衰减满足平方反比律(Gocz‘2)，称此距离为能量的“快衰减段"。瞬态电磁脉冲能量随距离衰减慢于平方反比律的特性，称为其能量的慢衰减特性。瞬态电磁脉冲的慢衰减特性使得人

2、们有可能在更远的距离获得较大的电磁辐射，大大提高瞬态电脉冲的辐射效率。(2)阵列超宽带天线的高效传输特性、波束聚焦特性与波束扫描特性瞬态电脉冲经合理布阵的阵列超宽带天线辐射后，所得电磁脉冲容易实现空间场量的同相合成，在轴线相同空间点z，mxm阵列在该点的能量正比于单元天线在该点能量的m4，通常称阵列超宽带天线的这个特性为其高效传输特性。瞬态电磁脉冲场量空间同相合成的结果，使得阵列超宽带天线辐射的电磁能量集中于轴线附近很小的立体角内，实现电磁波束的空间聚焦，称此特性为阵列超宽带天线的波束聚焦特性。对mxm阵列超宽带天线，保持对同一行(列)同步馈电，而对不同行(列)依次作

3、馈电延迟，可以实现电磁波束的空间扫描，这一特性被称为阵列超宽带天线的“波束扫描特性’’。阵列超宽带天线的高效传输特性、波束聚焦特性与波束扫描特性不仅可以极大提高靶区电磁辐射的功率密度，而且可以人为控制波束的空间方位，这就为实现高功率微波的定向传输奠定了理论基础。(3)用光导开关产生稳定的高功率瞬态电脉冲瞬态电磁脉冲慢衰减距离与其脉冲宽度成反比，传统的高功率微波器件通常只能产生纳秒、几十纳秒甚至微秒量级的瞬态电脉冲，且峰值功率相对较低，触发抖动也在纳秒量级，这一方面抑制了瞬态电脉冲的慢衰减特性，另一方面也使电子科技大学硕士学位论文得阵列超宽带天线的高效传输特性、波束聚焦

4、特性和波束扫描特性难以实现，这也正是高功率微波定向能传输的瓶颈技术之一。利用光导开关产生高功率瞬态电脉冲源方法提出后，为人们实现无抖动、高功率瞬态电脉冲源提供了可能的技术路线。综合上述三个学科方向已取得的进展，确定了将瞬态电磁脉冲的慢衰减特性、阵列超宽带天线的高效传输特性和利用光导开关产生高功率瞬态电磁脉冲方法结合成一个系统，以研制瞬态电磁脉冲源及其辐射系统样机为目标的研究课题。旨在通过突破高功率瞬态电脉冲源研制的关键技术，研究光导开关各种工作模式下的物理机制，并验证瞬态电磁脉冲的慢衰减特性，阵列超宽带天线的高效传输特性、波束聚焦与扫描特性等基本概念，为瞬态高功率电脉

5、冲源研制、高功率微波定向能传输等领域的研究提供理论与应用方面的参考资料。光导开关脉冲源利用激光与半导体的相互作用产生电脉冲，光导开关全称为光控光导半导体开关英文简称PCSS(Photoconductivesemiconductorswitches)，是微电子技术、激光技术和微波技术不断取得进展的基础上发展起来的一种新型半导体光电器件。其基本思想是用激光脉冲照射半导体产生电子一空穴对，从而实现对光导器件的电导及其他电路参数的调制，完成各种电子学功能。特别是在产生和控制各种电信号方面具有独特的优点：其极快的响应速度(电流上升时间为ps量级)，极小的触发抖动(ps量级)，极

6、大的功率容量(MW量级)，极好的同步精度(ps量级)，极高的耐压能力(几十KV量级)，极紧凑的器件结构，近乎完美的光电隔离和不受电磁干扰，动态范围宽等优良特性。光导开关与几种常规的火花管、IGBT、水银放电管等大功率器件进行比较，其开关频率和动态范围都是最高的，而开关功率也较多种器件为大，它在脉冲功率领域的卓越表现，己受到人们广泛赞誉。“迄今为止尚无任何一种技术能以几十皮秒的定时精度，几十皮秒的功率上升时间，几十兆赫的重复率，几十亿次的开关寿命，几十克的开关重量传递几十兆瓦的电脉冲，唯萋铬雷：}{<糸O≥·_BLT＼、SCR卜GTO

7、＼S＼＼＼PcssMCT

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9、：}I2＼、]MosFET＼开关速率／Hz图1．1PCSS与常用功率开关器件速率、功率参数比较光导开关，，【11。图1-1给出PCSS和传统功率器件性能指标的比较【21。2第一章引言由于PCSS具有这些优点，使它在诸如新型高功率电磁脉冲武器、高功率微波系统、脉冲功率储能系统、高功率THz源、超宽带冲击雷达、超宽带通信系统、超快光采样、超高速电子学，以及任何需要光控制、高功率和快速响应的双态系统中有广泛的民用、军用与高科技应用前景，并已经成为近二十年来国内外的热点研究课题之--[3小】。1．2光导开关的历史光导开关是根据皮秒光电导效应的原理工作的一类半