納秒傳輸線充電技術(shù)在高壓脈沖產(chǎn)生中的應(yīng)用

納秒傳輸線充電技術(shù)在高壓脈沖產(chǎn)生中的應(yīng)用

uwb脈的特性是頻率帶。通過天線輻射的超寬譜微波很容易覆蓋目標(biāo)的響應(yīng)頻率，因此它具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來,超寬譜相關(guān)技術(shù)得到較快發(fā)展。目前,高功率超寬譜脈沖產(chǎn)生技術(shù)的研究內(nèi)容主要包括納秒脈沖產(chǎn)生技術(shù)、高壓絕緣技術(shù)、納秒火花隙開關(guān)技術(shù)、測量技術(shù)和重復(fù)頻率運(yùn)行技術(shù)等方面。納秒脈沖產(chǎn)生技術(shù)有多種方式,既可以利用單傳輸線或雙傳輸線直接產(chǎn)生單極脈沖,也可以利用形成線加開關(guān)的組合產(chǎn)生雙極脈沖等。納秒傳輸線充電技術(shù)是一種用于產(chǎn)生納秒、亞納秒脈沖的技術(shù),本文即利用納秒傳輸線充電技術(shù)設(shè)計了高功率超寬譜脈沖產(chǎn)生系統(tǒng),通過對其理論的分析和電路模擬計算,設(shè)計了脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)實驗裝置,實驗中對輸出脈沖形狀、輸出脈沖功率和工作穩(wěn)定性進(jìn)行了調(diào)試,取得了較好的實驗結(jié)果。1開關(guān)2不導(dǎo)通時stl和pfl的傳輸特性為了獲得高功率超寬譜脈沖,采用了在低阻抗下利用納秒傳輸線充電技術(shù),其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。納秒傳輸線充電技術(shù)主要包括儲能傳輸線(STL)、脈沖形成線(PFL)和開關(guān)K1,K2。STL的阻抗為Z1,電長度為t1,PFL的阻抗為Z2,電長度為t2。通常情況下,STL的阻抗和電長度都大于PFL的阻抗和電長度。儲能傳輸線被預(yù)先充上電,當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通后,儲能傳輸線開始對脈沖形成線進(jìn)行充電,充電時間約幾ns。為便于分析,可認(rèn)為2個開關(guān)均為理想情況。從STL到PFL的傳輸特性的分析,可以通過它們間的傳輸系數(shù)和反射系數(shù)得到。從STL到PFL的電壓傳輸系數(shù)和反射系數(shù)分別為???Γ12=2Z2Z1+Z2=21+NZρ12=Z1?Z2Z2+Z1=NZ?1NZ+1(1){Γ12=2Ζ2Ζ1+Ζ2=21+ΝΖρ12=Ζ1-Ζ2Ζ2+Ζ1=ΝΖ-1ΝΖ+1(1)式中:NZ=Z1/Z2,是STL和PFL的阻抗之比。假定開關(guān)K2不導(dǎo)通時,相當(dāng)于PFL是開路;而當(dāng)開關(guān)K1導(dǎo)通時,在時間t=2t2Nt內(nèi),STL對PFL的充電電壓為V(Nt)=V1Γ12∑n=1n=Ntρ(n?1)12(2)V(Νt)=V1Γ12∑n=1n=Νtρ12(n-1)(2)式中:Nt=t1/t2,是STL和PFL的傳輸時間之比。求和的時間為0~2t1,在這一時間內(nèi),STL并沒有發(fā)生多次反射,而在PFL的反射次數(shù)為Nt。在開關(guān)K2導(dǎo)通后,同時滿足負(fù)載阻抗等于PFL阻抗時,在負(fù)載上得到的脈沖電壓為V(Nt)/2。則從STL到PFL的能量轉(zhuǎn)換效率為ηe=NZNt[1?(NZ?1NZ+1)Nt]2(3)ηe=ΝΖΝt[1-(ΝΖ-1ΝΖ+1)Νt]2(3)因為PFL的阻抗和傳輸時間均小于STL,當(dāng)能量從STL轉(zhuǎn)換到PFL時,PFL上的峰值功率將增加,功率增益為Gp=NZ[1?(NZ?1NZ+1)Nt]2(4)Gp=ΝΖ[1-(ΝΖ-1ΝΖ+1)Νt]2(4)2傳輸線t3電路設(shè)計用PSpice軟件對利用納秒傳輸線充電技術(shù)產(chǎn)生超寬譜脈沖等效電路進(jìn)行模擬,模擬電路和計算結(jié)果分別如圖2,3所示。電容C為儲能電容,傳輸線T1為一段高阻傳輸線,在實際工作中可以等效為一段電感,傳輸線T2為儲能傳輸線,傳輸線T3為脈沖形成線,傳輸線T4為一段匹配傳輸線,電阻R為匹配吸收負(fù)載。模擬計算時,儲能電容C充上電,開關(guān)K0導(dǎo)通后,儲能電容C對傳輸線T2進(jìn)行充電;開關(guān)K1導(dǎo)通后,傳輸線T2對傳輸線T3進(jìn)行充電;開關(guān)K2導(dǎo)通后,傳輸線T3將能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載上。模擬結(jié)果顯示納秒傳輸線充電技術(shù)產(chǎn)生超寬譜脈沖的模擬輸出與理論分析一致。3實驗裝置和方法高功率超寬譜脈沖產(chǎn)生裝置主要由儲能電容、火花隙開關(guān)、源傳輸線和脈沖形成線等組成。高功率超寬譜脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)的輸入為1.2MV高壓脈沖電源,高壓脈沖電源先對儲能電容C0充電,再利用納秒傳輸線充電技術(shù),在低阻抗同軸線上產(chǎn)生高功率納秒脈沖。超寬譜脈沖的產(chǎn)生可以分為3個過程,儲能電容對儲能傳輸線的充電過程、儲能傳輸線對脈沖形成線的充電過程和脈沖形成線對負(fù)載放電的過程。實驗裝置如圖4所示。實驗中,測量了儲能電容對儲能傳輸線的充電電壓,波形如圖5(a)所示;儲能傳輸線對脈沖形成線的充電電壓波形如圖5(b)所示;經(jīng)阻抗變換后在50Ω傳輸線上的輸出脈沖波形如圖6所示。由于脈沖形成線采用低阻抗設(shè)計,實驗中為便于準(zhǔn)確測量高功率超寬譜脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出電壓,在脈沖形成線后接低阻抗至50Ω阻抗變換、50Ω直段測試傳輸線和50Ω電阻吸收負(fù)載等部件。通過對50Ω直段測試傳輸線上電容分壓器的標(biāo)定,可以直接測量得到在50Ω傳輸線上的脈沖電壓,計算出50Ω傳輸線上的脈沖功率,再通過對阻抗變換傳輸效率的標(biāo)定,就可以獲得在2.7Ω傳輸線上的脈沖功率。根據(jù)對電容分壓器和阻抗變換傳輸效率的標(biāo)定結(jié)果,在50Ω傳輸線上測量得到輸出脈沖電壓1.1MV,輸出脈沖半高寬1.6ns,計算出在2.7Ω傳輸線上的輸出脈沖功率大于30GW。4實驗驗證及結(jié)果本文通過對納秒傳輸線充電技術(shù)進(jìn)行理論分析和模擬計算,