瞬态电磁脉冲的传输特性和实验研究

论文摘要

瞬态电磁脉冲对电子设备的致命威胁是上个世纪60年代发现的。由于其具有陡峭的前沿和较宽的频谱,因此在很多应用领域中优于正弦波信号。而光导开关,由于具有触发无抖动、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,在超高速电子学和大功率超快电脉冲产生和整形技术领域,成为传统开关(间隙放电、闸晶管及结器件)最有希望的换代器件,在电子学的各个领域(如通信、雷达、目标识别、电子对抗等)有广泛的应用前景。用光导开关的超快特性可以制成理想的瞬态电磁脉冲源。本论文就是研究以GaAs光导开关作为瞬态电磁脉冲源,通过Blumlein传输线和指数渐变槽天线来实现电磁脉冲的辐射。在瞬态电磁脉冲源的理论研究方面,虽然光导开关的瞬态响应模型早就有人研究过,但是文献的解释都不完善,并且迁移率都以常数计算,与实际情况不符合,因此必须对迁移率进行修正;在瞬态电磁脉冲传输规律研究上,传统方法是采用严格电磁理论或者电磁仿真软件进行计算,前者计算过程繁杂,而后者则局限于目前的计算机内存限制,能仿真的阵元数有限,因此有必要引入一种简便易行计算大阵列的方法。首先,本论文在考虑光斑与光导开关缝隙大小对比的基础上,建立了两种不同的瞬态响应模型,在统计分布规律的基础上修正了迁移率,更加完善地数值求解两种瞬态响应模型,得到较好的结果,为以后的非线性模式的研究奠定一定的基础;从统计分布规律出发,讨论了简并和非简并情况下载流子等的异同,提出简并条件下需采用费米分布来修正迁移率等。其次,在瞬态电磁脉冲能量传输规律计算方面,提出以点源模型进行大阵列参数的计算,用严格理论计算曲线和实验测试曲线与点源曲线进行对比,验证了点源模型在一定范围的合理性;讨论了地面反射问题,用地面反射解释了测试曲线中的三次方、四次方衰减。同时,分析了天线阵列耦合的产生、减小耦合的措施,采用CST仿真软件对阵列天线间的耦合进行了仿真,验证了实验天线间距的合理取值范围。最后,在实验研究方面,测试了光导开关的暗电阻随偏压的变化曲线,参与了大型的野外系统实验,验证了瞬态电磁脉冲的慢衰减理论和高效合成理论,首次测试出该辐射系统对其他电子产品的干扰能力,证实了该系统具有一定的电磁效应能力。这也是国内目前用光导开关作为电磁脉冲源的最大阵列。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 光导开关及其分类
• 1.2 瞬态电脉冲的传输特性
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 光导开关物理机制研究
• 2.1 光导开关的工作原理
• 2.2 光导开关瞬态模型研究
• 2.2.1 载流子连续性方程
• 2.2.2 载流子的复合和扩散
• 2.2.3 光导开关的瞬态响应模型
• 2.3 迁移率、电导率等参数的修正
• 2.3.1 简并条件下费米分布与玻尔兹曼分布的区别
• 2.3.2 玻尔兹曼统计和费米统计下的普遍适用公式
• 2.3.3 各种散射机制下的迁移率和电导率
• 2.4 数值计算结果及分析
• 2.4.1 瞬态响应模型求解框图
• 2.4.2 面触发模型结果及分析
• 2.4.3 点触发模型结果及分析
• 2.5 总结
• 第三章 用点源模型计算瞬态电磁脉冲的传输规律
• 3.1 严格电磁理论计算瞬态电磁脉冲的传输规律
• 3.2 天线阵列辐射单元间的耦合与布阵方式
• 3.2.1 天线单元间互耦的物理实质
• 3.2.2 影响互耦的因素及减小互耦的措施
• 3.2.3 CST 仿真结果
• 3.3 用点源模型计算瞬态电磁脉冲的传输规律
• 3.3.1 点源模型的理论分析
• 3.3.2 点源近似下典型布阵方式的天线阵列轴线能量计算
• 3.3.3 点源近似下天线阵列辐射波束其他参数计算
• 3.3.4 地面反射问题的研究
• 3.4 总结
• 第四章 实验研究
• 4.1 瞬态电磁脉冲的慢衰减理论验证实验
• 4.2 瞬态电磁脉冲高效传输特性验证实验
• 4.3 瞬态电磁脉冲辐射系统的效应实验
• 4.4 PCSS 暗电阻测试实验
• 4.5 总结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果