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?jī)?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(cè)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(jì)了高功率超寬譜脈沖產(chǎn)生系統(tǒng),通過對(duì)其理論的分析和電路模擬計(jì)算,設(shè)計(jì)了脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)中對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。1開關(guān)2不導(dǎo)通時(shí)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(chǔ)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(zhǎng)度為t1,PFL的阻抗為Z2,電長(zhǎng)度為t2。通常情況下,STL的阻抗和電長(zhǎng)度都大于PFL的阻抗和電長(zhǎng)度。儲(chǔ)能傳輸線被預(yù)先充上電,當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通后,儲(chǔ)能傳輸線開始對(duì)脈沖形成線進(jìn)行充電,充電時(shí)間約幾ns。為便于分析,可認(rèn)為2個(gè)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(shí),相當(dāng)于PFL是開路;而當(dāng)開關(guān)K1導(dǎo)通時(shí),在時(shí)間t=2t2Nt內(nèi),STL對(duì)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(shí)間之比。求和的時(shí)間為0~2t1,在這一時(shí)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(shí)滿足負(fù)載阻抗等于PFL阻抗時(shí),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?yàn)镻FL的阻抗和傳輸時(shí)間均小于STL,當(dāng)能量從STL轉(zhuǎn)換到PFL時(shí),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(jì)用PSpice軟件對(duì)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(jì)算結(jié)果分別如圖2,3所示。電容C為儲(chǔ)能電容,傳輸線T1為一段高阻傳輸線,在實(shí)際工作中可以等效為一段電感,傳輸線T2為儲(chǔ)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(jì)算時(shí),儲(chǔ)能電容C充上電,開關(guān)K0導(dǎo)通后,儲(chǔ)能電容C對(duì)傳輸線T2進(jìn)行充電;開關(guān)K1導(dǎo)通后,傳輸線T2對(duì)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(shí)驗(yàn)裝置和方法高功率超寬譜脈沖產(chǎn)生裝置主要由儲(chǔ)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(duì)儲(chǔ)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(gè)過程,儲(chǔ)能電容對(duì)儲(chǔ)能傳輸線的充電過程、儲(chǔ)能傳輸線對(duì)脈沖形成線的充電過程和脈沖形成線對(duì)負(fù)載放電的過程。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中,測(cè)量了儲(chǔ)能電容對(duì)儲(chǔ)能傳輸線的充電電壓,波形如圖5(a)所示;儲(chǔ)能傳輸線對(duì)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?jìng)鬏斁€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(jì),實(shí)驗(yàn)中為便于準(zhǔn)確測(cè)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(cè)試傳輸線和50Ω電阻吸收負(fù)載等部件。通過對(duì)50Ω直段測(cè)試傳輸線上電容分壓器的標(biāo)定,可以直接測(cè)量得到在50Ω?jìng)鬏斁€上的脈沖電壓,計(jì)算出50Ω?jìng)鬏斁€上的脈沖功率,再通過對(duì)阻抗變換傳輸效率的標(biāo)定,就可以獲得在2.7Ω?jìng)鬏斁€上的脈沖功率。根據(jù)對(duì)電容分壓器和阻抗變換傳輸效率的標(biāo)定結(jié)果,在50Ω?jìng)鬏斁€上測(cè)量得到輸出脈沖電壓1.1MV,輸出脈沖半高寬1.6ns,計(jì)算出在2.7Ω?jìng)鬏斁€上的輸出脈沖功率大于30GW。4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果本文通過對(duì)納秒傳輸線充電技術(shù)進(jìn)行理論分析和模擬計(jì)算,