一种高功率微波信号产生与传输装置及系统

本技术属于信号传输，具体涉及基于非线性传输线的高功率微波信号传输，更具体地，涉及一种高功率微波信号产生与传输装置及系统。

背景技术：

1、高功率微波（high-power microwave，hpm）是指峰值功率在百兆瓦以上、频率处于300mhz–300ghz范围内的强电磁脉冲辐射，在雷达探测、电子对抗、等离子体加热、工业加工及医疗治疗等领域具有广泛的应用前景。随着固态器件与新材料技术的发展，基于非线性传输线（nonlinear transmission line，nltl）的固态hpm源因具有结构紧凑、无需真空环境、可重复频率运行等优势，逐渐成为hpm源技术的重要发展方向。

2、现有的nltl型hpm源主要分为两类：一类是基于铁磁材料非线性磁导率的旋磁nltl，其工作原理依赖于铁磁材料磁矩围绕有效磁场进动产生微波振荡，通常需要施加外部偏置磁场以维持相干进动；另一类是基于铁电材料非线性介电常数的铁电nltl，利用材料在居里温度附近介电常数随电场变化的特性实现波形调制。上述两类nltl在工作时均需要一个独立的高压脉冲调制器（如marx发生器、脉冲形成网络或脉冲形成线）来提供快前沿（上升沿小于5纳秒）的驱动脉冲，以激发材料的非线性响应。

3、然而，现有nltl型hpm源在实际应用中面临以下不足：首先，独立的脉冲调制器不仅增加了系统的体积、重量和成本，还引入了额外的控制复杂度；其次，旋磁nltl对外部偏置磁场的依赖使得系统需要配备永磁体或电磁线圈等辅助装置，进一步限制了系统的紧凑化与便携化；此外，传统nltl的典型长度约为1米量级，整体尺寸较大，难以满足便携式hpm应用场景对小型化、轻量化的迫切需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种高功率微波信号产生与传输装置及系统，旨在解决现有高功率微波源系统中因需要单独配置脉冲调制器和外部偏置磁场而导致系统复杂度高、体积大、难以便携化的问题，实现脉冲形成与微波生成功能的复用以及无外置偏置磁场下的微波振荡。

2、本技术的第一方面涉及一种高功率微波信号产生与传输装置，包括：同轴传输线，所述同轴传输线包括同轴设置的外导体和内导体，以及填充于所述外导体和所述内导体之间的复合材料；所述复合材料包括具有非线性介电常数的铁电材料和具有非线性磁导率的铁磁材料；分别嵌套固定于所述同轴传输线轴向两端的定位环，用于保持所述外导体和所述内导体的同轴状态；所述复合材料用于在脉冲信号正向传输时，基于所述非线性介电常数使波形陡化以实现脉冲形成功能，并基于初始注入脉冲的瞬态脉冲磁场对所述铁磁材料中的磁矩进行准直；还用于在所述脉冲信号发生反射而反向传输时，基于反射信号产生的反射磁场驱动所述磁矩发生相干进动，以在无外部偏置磁场的情况下产生微波信号。

3、本技术通过在同轴传输线的内外导体之间填充同时包含铁电材料和铁磁材料的复合材料，利用复合材料的非线性介电常数和非线性磁导率的双重非线性特性，使得同一传输线在正向脉冲传输时作为脉冲形成线实现波形陡化，在反向反射传输时作为微波发生器驱动磁矩相干进动产生微波振荡，从而实现了脉冲形成与微波发生两种功能的复用。由于初始注入脉冲的瞬态磁场已对磁矩进行了准直，反射信号可驱动磁矩发生相干进动而产生强烈的微波振荡，无需额外施加外部偏置磁场，消除了对外部偏置磁场系统的依赖，从而显著简化了系统架构并减小了装置体积。

4、在一些实施方式中，所述复合材料还包括聚合物基体，所述铁电材料和所述铁磁材料分散混合于所述聚合物基体中；其中，所述聚合物基体为聚二甲基硅氧烷，所述铁电材料为钛酸锶钡，所述铁磁材料为镍锌铁氧体。

5、本方案通过采用聚二甲基硅氧烷（pdms）作为聚合物基体，将钛酸锶钡（bst）和镍锌铁氧体（nzf）分散混合其中形成均匀的复合材料，pdms基体具有良好的绝缘性、柔韧性和易于成型的特点，能够有效支撑并固定铁电与铁磁颗粒，保证复合材料在灌注固化后保持稳定的微观结构与电磁特性，同时便于在同轴腔体内的填充与成型。

6、在一些实施方式中，以所述复合材料的总体积为基准，所述钛酸锶钡的掺杂体积百分比为10%-15%，所述镍锌铁氧体的掺杂体积百分比为5%-25%。

7、本方案通过精确调控钛酸锶钡与镍锌铁氧体的掺杂比例，在保证足够非线性介电强度以实现有效脉冲陡化的同时，维持了铁磁组分的磁矩密度以支持强相干进动；该配比范围避免了因铁电相过多导致的磁损耗增加或铁磁相过多引起的介电非线性减弱，有利于兼顾脉冲形成效率与微波输出功率。

8、在一些实施方式中，所述外导体和所述内导体均采用低损耗金属材料；所述外导体为管状结构，所述内导体为棒状结构，所述外导体的内径与所述内导体的外径的比值，基于所述复合材料的介电常数和磁导率确定，以使所述装置的特征阻抗与输出端连接的负载阻抗相匹配。

9、本方案通过选用低损耗金属材料制作外导体和内导体，有效降低了传输过程中的欧姆损耗，提升了能量传输效率；同时通过根据复合材料的等效介电常数和等效磁导率精确设计外导体内径与内导体外径之比，使得同轴传输线的特征阻抗与后端负载阻抗实现匹配，减少了信号反射损失，确保陡化后的脉冲能量高效地传递至负载端并激发后续微波振荡过程。

10、在一些实施方式中，所述定位环采用铝材料；所述定位环设有中心穿孔，所述内导体的端部穿设于所述中心穿孔内；所述定位环覆盖所述外导体的端部开口，且所述定位环的端面与所述外导体的端面相抵接，以封闭所述外导体和所述内导体之间的间隙并界定出用于容纳所述复合材料的腔体。

11、本方案通过采用铝材料制作定位环，铝具有密度低、导电性良好且易于机械加工的特点，既保证了定位环的结构强度与同轴定位精度，又减轻了装置的整体重量；通过铝制定位环的精密配合结构，在复合材料灌注固化过程中可靠固定内外导体的相对位置，确保全程同轴度；同时其端面抵接设计形成了密封腔体，防止未固化材料泄漏，保障了传输线几何结构的均匀性与电气性能的一致性，为后续稳定的脉冲传播与微波生成奠定了结构基础。

12、本技术的第二方面涉及一种高功率微波信号产生与传输系统，包括：如上述方案所述的高功率微波信号产生与传输装置、供电接口、阻抗失配结构、输出开关和阻抗匹配结构。供电接口用于接入外部的直流电压，以向装置充电。阻抗失配结构串联在供电接口与装置的内导体的输入端之间，用于在内导体的输入端形成信号反射边界。输出开关串联在内导体的输出端，用于在满足导通条件时向外释放脉冲信号。阻抗匹配结构的输入端连接输出开关的输出端，其输出端连接至外导体，且外导体与供电接口的接地端相连，阻抗匹配结构用于吸收输出能量并抑制输出端的信号反射。

13、本系统通过供电接口向同轴传输线提供直流充电电压；当输出开关导通时，装置中储存的电能以快前沿脉冲形式释放。该脉冲自输出开关侧沿同轴传输线朝内导体输入端传播，并在由阻抗失配结构形成的高阻抗边界处发生反射。反射脉冲返回同轴传输线后作用于复合材料，以驱动铁磁材料中的磁矩发生相干进动而产生微波信号。设置于输出开关后的阻抗匹配结构用于构成放电回路、吸收经输出开关释放的脉冲能量并抑制该端的信号反射。由此，同轴传输线可在初始脉冲传播阶段实现脉冲形成，并在反射脉冲作用阶段实现微波激发。

14、在一些实施方式中，所述阻抗失配结构为限流电阻；所述限流电阻的阻抗值大于所述装置的特征阻抗，用于限制接入的直流电流，以在所述内导体的输入端形成产生反射磁场的所述信号边界条件。

15、本方案通过采用阻抗值大于传输线特征阻抗的限流电阻作为阻抗失配结构，一方面限制了直流充电电流的大小，保护了直流电源免受过流冲击；另一方面，该高阻抗节点在脉冲信号到达时形成了近似的开路反射边界，使电压脉冲几乎全反射回传输线，从而在传输线上建立起足以驱动铁磁材料磁矩进动的反射电磁场，实现了反射边界构建与电路安全保护的双重作用。

16、在一些实施方式中，所述输出开关为气体火花隙开关；所述气体火花隙开关用于在所述内导体上的充电电压达到设定阈值时导通，以将缓慢上升的充电电压截断并转化为纳秒级快前沿的电压脉冲，并向所述阻抗匹配结构释放所述电压脉冲。

17、本方案通过采用气体火花隙开关作为输出开关，利用气体击穿的快速响应特性（纳秒级上升沿），在内导体充电电压达到设定阈值时瞬间导通，将存储在传输线上的静电能量以极快前沿（约2ns上升沿）的高压脉冲形式释放，该陡化过程进一步增强了复合材料的非线性响应效率，并为后续的反射激励提供了高质量的入射脉冲。开关的自触发特性使其无需外部同步控制即可响应充电状态，简化了系统时序设计，同时其耐受高压能力支持更高充电电压，直接提升输出微波功率。

18、在一些实施方式中，所述阻抗匹配结构为电阻性负载；所述电阻性负载的阻抗值与所述装置的特征阻抗相匹配。

19、本方案通过采用与传输线特征阻抗相匹配的电阻性负载作为阻抗匹配结构，使得从火花隙开关输出的脉冲能量能够被负载充分吸收而不产生二次反射，保证了输出波形的纯净度。纯净的输出波形不仅有利于准确表征装置性能，在实际应用中还可为后续信号耦合与利用提供基础，确保微波信号的高质量传输与利用，提升了系统的实用性和可靠性。

20、在一些实施方式中，所述系统还包括测量组件，所述测量组件包括分压器、同轴电缆和示波器；所述分压器的输入端与所述内导体的输出端连接，用于按预设比例提取输出电压信号；所述同轴电缆的第一端与所述分压器的输出端连接，所述同轴电缆的第二端与所述示波器连接；所述示波器用于接收并显示所述输出电压信号；其中，所述同轴电缆的长度被配置为防止测量引起的反射信号干扰原始信号。

21、本方案通过特定长度的同轴电缆引入时间延迟，使测量回路可能产生的反射信号在时间上远离原始信号窗口，从而在不影响主信号完整性的前提下实现高精度电压监测；分压器按比例衰减高压信号以适应示波器量程，整个测量链路既保障了设备安全，又确保了实验数据的真实性与可重复性。

22、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

23、（1）本技术通过将铁电材料与铁磁材料复合于同轴传输线中，使单一结构同时承担脉冲形成与微波生成双重功能，省去了传统系统中独立的高压脉冲调制器模块；同时利用正向脉冲瞬态磁场对磁矩进行预准直，并由输入端反射形成的反向磁场驱动磁矩相干进动，替代了外部偏置磁场系统，从而简化了高功率微波源的硬件架构，减小了装置的体积与重量，使其适用于便携式应用场景。

24、（2）本技术通过精确设计复合材料中铁电与铁磁组分的配比及传输线的几何尺寸，使脉冲陡化效率与微波振荡强度达到协同优化；阻抗匹配与失配结构的合理配置，既保证了输出能量的高效吸收，又在输入端构建了有效的反射边界以激发相干进动，从而在无外场辅助条件下仍能获得较长持续时间与较高功率的微波输出，提升了能量利用率与系统整体性能。

25、（3）本技术采用直流充电配合气体火花隙开关自触发的工作方式，避免了复杂高压调制器的时序同步难题，简化了输入连接器设计与外围控制电路；测量组件通过延时电缆隔离反射干扰，确保了高压脉冲信号的准确获取，为系统调试与性能验证提供了可靠手段，增强了工程实现的可行性与测试数据的可信度。