基于光导开关的瞬态电磁脉冲系统传输线路与天线的研究

论文摘要

超宽带源和天线在瞬态雷达和通信系统中具有广泛的应用前景。目前,超宽带电磁脉沖的产生是一个极具挑战性的工作。它可以产生100ps上升沿,电压幅度超过10kV,脉沖宽度可从130ps到几个ns。产生超宽带电磁脉冲的关键是高压开关技术。人们已经使用气体和油作为开关介质完成了各种实验。与传统的气体或液体开关相比,光导固体开关(photoconductive semiconductor switches,简称PCSS)具有触发无抖动、寄生电抗小、上升时间快、关断时间短、重复频率高等优良特性。而在光导开关中,GaAs光导开关与Si光导开关相比具有响应速度快、传输效率高、耐高压的能力强,尤其是它除可以按常规的线性模式工作以外,还存在一种高增益的非线性工作模式,这种模式可使光导开关导通的光能比常规模式降低3～5个数量级,从而为光导开关的小型化,实用化,集成化提供了现实的可能性,因而倍受人们的关注。因此它将在超宽带脉冲产生领域有着极其广阔的应用前景。本文主要研究了各种以光导开关为核心器件的电脉冲成形电路:Auston电路、Blumlein脉冲形成线,对其输出转换效率进行比较,并进行实验研究。设计了一种微带型Blumlein线,在非理想和非线性模式的光导开关的条件下,实验测得其最高电压转换效率达63.1%,并通过指数渐变槽天线实现电磁脉冲的辐射。本文还采用理论分析、数值仿真和实验等手段对槽天线和电路与天线的一体化进行了研究。研究了天线的方向性、副辦电平、阻抗,为超宽带槽天线和电路与天线的一体化的实现,提供了依据。本文所设计的基于光导开关的电路与天线的一体化在科研和工程上具有很好的应用前景,将该系统组成阵列,可实现空间功率合成、光控相控阵,极大地提高电磁干扰能力。本文最终设计的一体化系统,具有体积小、制作成本低、易组成阵列等优点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 光导高功率微波源的研究进展
• 1.3 论文主要内容及结构安排
• 第二章 光导开关基本理论
• 2.1 发展历史、现状及其特点
• 2.2 光导开关的基本结构
• 2.3 光导开关材料的选择
• 2.4 光导开关的基本工作原理
• 2.5 光导开关的两种工作模式
• 2.5.1 线性工作模式及其特点
• 2.5.2 非线性工作模式及其特点
• 2.6 横向GaAs光导开关的设计
• 2.6.1 电极的设计
• 2.6.2 传输线的设计
• 第三章 瞬态电磁脉冲传输规律
• 3.1 同轴线传输特性分析
• 3.1.1 理论分析
• 3.1.2 理论计算和实验研究
• 3.1.2.1 理论计算
• 3.1.2.2 实验研究
• 3.2 微带线的传输特性分析
• 3.2.1 理论分析
• 3.2.1.1 微带线的损耗
• 3.2.1.2 微带线的色散
• 3.2.1.3 微带线中电脉冲的传输特性
• 第四章 脉冲形成线电路
• 4.1 普通型微带电路
• 4.1.1 普通型微带电路的工作原理
• 4.1.2 Auston电路实验测试
• 4.2 Blumlein脉冲成形线
• 4.2.1 Blumlein线物理原理
• 4.2.2 Blumlein线解析分析
• 4.2.3 Blumlein线的数值与仿真计算
• 4.2.4 Blumlein线实验
• 4.2.5 Blumlein线的设计
• 第五章 天线基本理论及指数渐变槽天线的研究
• 5.1 天线基本电参数
• 5.1.1 天线输入阻抗
• 5.1.2 天线的极化方式
• 5.1.3 天线的增益
• 5.1.4 天线的方向图、主瓣宽度
• 5.1.5 天线带宽
• 5.2 微带缝隙槽天线的研究
• 5.2.1 微带缝隙槽天线的基本理论
• 5.2.2 指数渐变槽天线的馈电方式
• 5.2.2.1 波导馈电
• 5.2.2.2 微带线馈电
• 5.2.2.3 共面波导馈电
• 5.2.2.4 同轴馈电
• 5.2.2.5 本文使用的馈电方式
• 5.2.3 指数渐变槽天线的分析
• 5.2.3.1 介质基片对天线的影响
• 5.2.3.2 渐变段R对天线的影响
• 5.2.3.3 天线缝宽对天线的影响
• 5.3 微带缝隙槽天线的设计
• 5.4 微带缝隙槽天线的实验及分析
• 第六章 一体化Blumlein线与天线的实验研究
• 第七章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果