探索高功率超宽带电磁脉冲产生和辐射

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1、西南交通大学博士学位论文高功率超宽带电磁脉冲产生和辐射姓名：孟凡宝申请学位级别：博士专业：交通信息工程及控制指导教师：任朗19990801西南交通大学博士学位论文摘要本文研究高功率超宽带电磁脉冲产生和辐射，从理论和实验相结台的角度开展研究。超宽带电磁脉冲是正在蓬勃发展中的前沿性研究领域，它具有瞬态和超宽带的特点，有广阔的应用前景，除军事领域外，已在目标识别、地下目标探测、医学等民用领域开始应用。由于它在产生、辐射、传播、接收以及处理等方面与常规的电磁信号有很大区别，因此将极大地促进这些领域的技术进步，并有可能研制出全新的超宽带雷达和通信系统，对电

2、子学的其它领域产生深远影响。然而，作为一个新兴的研究领域，超宽带电磁脉冲，特别是高功率超宽带电磁脉冲研究可以说刚刚起步，还有许多急待解决的问题。本文集中探讨高功率条件下超宽带脉冲产生和辐射。／本文首先对超宽带电磁脉冲的发展历程和应用现状进行了简要回顾，对国外在该领域的研究现状进行了评介。分析讨论了超宽带电磁脉冲领域有关产生和辐射方面存在的问题和今后研究方向，对影响火花隙开关导通时间和重复频率的主要原因和改进方法、超宽带天线的绝缘和与源的匹配等问题提出了自己的见解。脉冲变压器是超宽带电磁脉冲产生和脉冲功率技术的关键部件，而Tesla变压器是一种新型

3、的变压器，本文对高压Tesla变压器进行了理论分析，设计并制作了300kV、200Hz开环磁芯充电脉冲Tesla变压器。Tesla变压器为直径20cm、长80cm圆柱，能量效率大于85％；已用于超宽带脉冲发生器中，运行稳定可靠。同轴双锥天线是一种超宽带辐射天线，它的同轴输入结构易于与脉冲源连接。本文从口径场出发分析了有限长同轴双锥天线的辐射场，用二维数值进行模拟、优化方法设计并制作了带宽150MHz一1GHz、峰值功率辐射效率达65％的天线，此天线用于高压达±lookv的超宽带单周期脉冲辐射源，满足实验要求。抛物面冲击脉冲辐射天线是一种新概念的超

4、宽带电磁脉冲辐射天线，它西南交通大学博士学位论文包括抛物面反射器、TEM馈臂和匹配电路等，半抛物面冲击脉冲辐射天线解决了与源的匹配和连接问题。本文用口径场的方法讨论了冲击脉冲辐射天线的基本原理，导出了空间辐射场，研制出高压半抛物面冲击脉冲辐射天线系统，包括电压100kV、脉冲半高宽O．9ns、重频100Hz的冲击脉冲发生器和半抛物面天线系统，在30m远处辐射场达13kV／m。由于高功率超宽带天线增益不高，发展天线阵列是提高超宽带天线方向性和增益的一条重要技术途径。本文对线性超宽带稀疏天线阵列进行了理论分析和讨论。研制出高功率二组元超宽带天线阵列系

5、统，两路天线输入阻抗50f2，输入电压大于100kV，H平面辐射方向图由单天线的1050压缩到250，8m处空间辐射电场为11．2kV／m，约是单天线的两倍。开展了光导开关产生超宽带电磁脉冲的实验研究工作，利用工作在线性模式的GaAs光导开关、平板Blumlein传输线和指数形TEM天线，实验获得辐射脉冲半高宽1．2ns、峰值功率100kW的超宽带电磁脉冲。超宽带电磁脉冲朝高峰值功率的方向发展，本文用充10MPa氮气的火花隙开关产生超宽带电磁脉冲，研制的单周期电磁脉冲发生器峰值功率达1．6GW。用同轴双锥天线辐射功率达500MW。II关键词：超宽

6、带冲击脉冲超宽带天线光导开关ABSTRACTThegenerationandradiationofhighpowerandultrawideband(UWB)electromagneticpulsearethesubjectsstudiedinthisdissertation，theinvestigationofthetwosubjectsissummarizedbycombinationoftheexperimentandthetheoryTheUWBelectromagneticpulseisoneofthemostimportantandv

7、igorouslydevelopingresearchfield，itischaracteristicofthetransientandtheUWB，andhasthewideprospectsforapplication．Ithasattractedincreasingattentionowingtojtscivilapplicationintargetidentification，medicineanddetectionobjectsundergroundeta1．besidesmilitaryapplication．Itwillextrem

8、elypromotetechnologicalprogressofthesefield，isabletodevelopthenewtyp