4-42  高功率超宽带脉冲辐射实验装置

杨周炳  孟凡宝  马弘舸  陆  巍  陈志刚 李爱萍  廖  勇  丁恩燕  谢  平

对高功率超宽带脉冲辐射实验装置的理论分析、工程设计及实验等分别进行了介绍。高功率超宽带脉冲辐射实验装置主要由脉冲充电电源、超宽带脉冲产生装置及超宽带脉冲发射天线三部分组成。脉冲充电电源为脉冲产生装置提供充足的前级能源；超宽带脉冲产生装置包括高压储能电容、高压开关、充电电感、低阻脉冲形成线、亚纳秒开关和高功率负载等部分；超宽带脉冲发射天线包括阻抗变换、传输线、同轴到平板过渡段、TEM喇叭馈源、透镜及密封腔、4.5 m抛物面等部分。脉冲充电电源给脉冲产生装置提供充电时间约500 ns、电压约600 kV的脉冲；然后经电容谐振充电、低阻抗下的阻抗变换脉冲压缩、高压亚纳秒开关及后沿锐化开关，输出脉冲电压约174.9 kV，功率约10.7 GW，脉宽1.2 ns；再通过阻抗变换、脉冲传输到达馈源天线，此时脉冲功率约8 GW，最后由抛物面天线辐射出去。

在理论上，通过采取低阻抗脉冲形成和阻抗变换脉冲压缩技术，提高了系统的能量效率；通过对形成线结构的优化设计，解决了低阻抗下形成线的绝缘问题；通过计算和验证实验，从理论上证实了多通道开关实现快上升时间的可行性；通过选用有损传输线做负载（损耗介质用流动的自来水），设计了大平均功率负载，满足了实验调试的要求；同时，为天线系统设计了球面透镜、馈臂，解决了TEM喇叭天线端口反射、参数匹配等问题。

在工程上，通过采用锥形面密封技术，解决了开关腔的密封问题；通过采用新的开关面精确加工和装配技术，解决了多通道开关形成的物理条件和安装精度问题，使开关导通时间从约2 ns减小到约400 ps。

装置调试分为脉冲充电电源调试、脉冲产生装置调试、脉冲辐射天线小信号测试、馈源耐压实验及最后的脉冲充电电源、形成线、脉冲辐射天线的系统安装、调试等几个阶段。通过实验调试，解决了脉冲充电电源的绝缘和脉冲形成线工作稳定性问题，达到设计要求。

通过理论分析、工程设计及实验调试，研制完成的高功率超宽带脉冲辐射实验装置，重频100 Hz时达到的技术指标为：输入馈源天线的峰值电压为606.7 kV，对应峰值功率为7.4 GW，脉宽1.2 ns；在辐射天线轴上220 m处，辐射场峰值电场为16.1 kV/m，对应辐射因子为3.54 MV，等效辐射峰值功率为0.42×10¹² W；辐射场E面方向图半功率宽度为8°，H面方向图半功率宽度为9°。

　　高功率超宽带脉冲辐射实验装置的研制成功，验证了低阻抗脉冲形成技术路线和IRA天线的设计思路，证实了多通道开关形成亚纳秒脉冲的可行性，实验结果达到设计要求。