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频率可调宽带高功率微波辐射源技术研究

作　者: 徐刚
导　师: 唐传祥；孟凡宝
学　校: 清华大学
专　业: 核科学与技术
关键词: 宽带高功率微波频率可调贴片天线脉冲产生 Taguchi算法
分类号: TN015
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

宽带高功率微波(HPM)兼顾了超宽带HPM频谱宽和窄带HPM谱功率密度高的特点，并且对典型电子设备具有较高的后门耦合效率，在车辆拒止、路边炸弹压制和重要区域防护等安全领域具有巨大的应用潜力，同时这些应用也对宽带HPM辐射源提出了体积紧凑和可变频工作的更高要求。论文为提高辐射天线的增益体积比和实现宽带高功率脉冲产生器的频率在线可调，开展了四个方面的研究：1、研究用于贴片天线和耦合器优化设计的改进Taguchi优化算法。针对原算法在求解较复杂的最优化问题时易落入局部极值的不足，在原算法中引入了新级阶的随机产生和内循环两步具有现代智能优化算法特点的操作。对改进算法的测试表明，对于大部分测试函数，最优收敛率由改进前的近乎为0提高到大于80%，并将改进算法成功用于文中宽带高功率贴片天线和宽带耦合器的优化设计。2、宽带高功率贴片天线和阵列研究。采用双层贴片和复合介质基底结构扩展带宽，提出圆锥馈电结构并在连接上下层基底形成的密封腔中填充SF6以提高功率容量，结构参数经改进Taguchi算法优化后的实测带宽达到64%、增益体积比达到22.3dB。经计算对比，宽带脉冲比双极和单极脉冲更适于作为宽带辐射源的激励源。最后对2×2宽带高功率贴片天线阵的电磁脉冲辐射特性进行了探索性研究。3、频率可调宽带高功率脉冲产生器研究。给出带耦合器的开关激励λ/4同轴谐振器结构；采用频域响应方法得到了该结构脉冲产生器的谐振、输出响应和带宽与耦合系数的关系；优化设计了具有恒定耦合系数的低、高频宽带耦合器；在模拟计算中调节环形开关的位置，可输出中心频率在200-800MHz连续变化的宽带脉冲；并分析了非匹配负载和非均匀导通开关对产生器谐振输出特性的影响。4、在Tesla变压器平台上开展频率可调宽带辐射源的高功率实验研究。宽带脉冲产生器的调试实验中获得了200-800MHz的可变频输出，验证了理论预期的充电、谐振和输出工作机理；与宽带高功率贴片天线的联试验证了天线的辐射性能：辐射场中心频率在225-350MHz连续可调，最大辐射因子183kV，经频谱和相位修正的辐射场波形和频谱与非匹配负载影响分析得到的理论结果较好吻合。研究为宽带HPM辐射源提供了一种高增益体积比的宽带贴片天线；首次系统地给出了开关激励谐振器的谐振、输出和辐射场频域响应关系，完善了宽带脉冲产生器分析手段，并首次在实验中实现开关激励同轴谐振器的在线频率可调工作。

频率可调宽带高功率微波辐射源技术研究

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