1、脈沖形成網絡的設計與實驗研究第21卷第4期2009年4月強激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVo1.21,NO.4Apr.,2009文章編號:10014322(2009)040531_O5脈沖形成網絡的設計與實驗研究王慶峰,高國強,劉慶想,張政權,胡克松(西南交通大學理學院,成都610031)摘要:采用陶瓷無感電容器作為儲能介質,設計了一種低阻抗高儲能密度的中等高壓脈沖形成網絡.該脈沖形成網絡采用無感陶瓷電容器作為儲能介質,每一個電容器的容值為1.7nF.電容器采用相對介電常數較高的鈦酸鋇作為材料,單個電容器的直徑為6cm,高度為4cm,該電容器在變壓器油

2、中的工作電壓可以達到50kV.實驗結果表明,設計的單線型中等高壓脈沖形成網絡可在1n的匹配負載上獲得半高寬220ns,前沿為40ns的高壓脈沖,能很好滿足脈沖功率系統小型化的應用要求.實驗研究還表明,設計的低阻抗Blumlein型脈沖形成網絡,在工作電壓為44kV時可在2.5Q的低阻抗負載上獲得脈寬230ns,前沿約為50ns的脈沖.關鍵詞:高功率微波;脈沖形成線;脈沖形成網絡;陶瓷電容;低阻抗負載中圖分類號:TNS01文獻標志碼:A在窄帶高功率微波中要求脈沖功率源輸出的脈沖具有一定的脈沖寬度.目前,高功率脈沖的產生主要有兩種方法,即分布電參數(Yt布電感和分布電容)的脈沖形成線(PFL)口和

3、集中電參數(集中電感和集中電容)的脈沖形成網絡(PFN).一般來說,脈沖形成線主要用來產生100ns以下的短脈沖,這是因為PFL以變壓器油l4,去離子水等液體材料作為儲能介質時,液體材料的介電常數相對較小,因此單位長度形成的脈沖寬度也相對較小,如變壓器油為10ns/m,去離子水為60ns/m.這樣,當要求產生長脈沖時,脈沖形成線的長度將變得較長.另外也有不少學者將脈沖形成線設計成Blumlein型口,通過增加單位長度電感來增加單位長度輸出的脈沖寬度,但同時也增加了脈沖形成線的波阻抗.直接采用高儲能密度的陶瓷材料作脈沖形成線的儲能介質以實現脈沖形成線形成長脈沖,則由于大尺寸陶瓷的燒制還存在著較大

4、的技術障礙,目前難以制成符合要求的高壓脈沖形成線_6.分布參數的脈沖形成線在形成長脈沖方面存在一定的局限性,與此相反,脈沖形成網絡在形成較短脈沖時也有一定局限性7,它主要用于產生500ns以上的脈寬,這是因為在形成短脈沖時,脈沖形成網絡的設計會遇到節間電感制作困難以及對薄膜電容器的內部電感要求苛刻等一系列工程技術難題,使得形成的波形質量較差.為此我們提出了利用高介電常數的陶瓷無感電容器代替傳統PFN設計中使用的薄膜電容器,使用金屬板(或金屬條)形成的均勻分布電感代替集中參數電感,以有效地克服脈沖形成線在形成長脈沖時的局限性,以及脈沖形成網絡在形成短脈沖時的局限性.基于無感陶瓷電容器的脈沖形成網

5、絡,可以很容易地輸出Q量級,甚至是亞Q量級的百ns的中短脈沖,且輸出波形質量好.1混合型脈沖形成模塊理論分析及其電路模擬若把一段均勻傳輸線分成個依次連接的長度相等的小部分,而把每段的分布電感的總和用集中參數電感L代替,每部分的分布電容的總和用集中參數電容器C代替,就可以得到等電感等電容脈沖形成網絡.表征等電感等電容脈沖形成網絡的參量主要有特征阻抗p,脈寬,表示為pV-E/c.(1)r一2n(2)式中:L表示節間電感;C表示每節電容的容值;表示節數.在高功率微秒脈沖設備中普遍采用脈沖形成網絡產生高壓脈沖,其主要原因是節間電感L較大,因此對電容器內感的要求不高.但對于百ns,低阻抗脈沖,此時脈沖形

6、成網絡的節間電感L與常用的薄膜電容器的*收稿日期:20081014;修訂日期:20090326基金項目:國家高技術發展計劃項目作者簡介:王慶峰(1979一),男,博士生,從事脈沖功率技術研究;wangqingfeng173163.corn.532強激光與粒子束第21卷內感相當,電容器的內感對輸出波形的質量有著明顯的影響,因此在高功率納秒脈沖設備中,要利用脈沖形成網絡技術輸出波形質量好的脈沖,首先要減小電容器的內感.目前,國內生產的工作電壓為數十kV的薄膜電容器的內感已經有了明顯的改善,但受限于結構以及工藝,一般仍在10nH以上.本文設計的PFN采用無感陶瓷電容器作為儲能介質,每個電容器的容值為

7、1.7nF.電容器采用相對介電常數較高的鈦酸鋇作為材料,并且該材料的相對介電常數隨著工作電壓的變化較小.單個電容器的直徑為6cm,高度為4cm,實驗表明該電容器在變壓器油中的工作電壓可以達到50kV.對于扁平金屬導體條,其電感可以利用公式(3)進行近似計算口叩L一lln+0.5+0.2235l(3)Z兀L7JJ十t.J式中:z,w和t分別為導體條長度,寬度和厚度.由公式(1)可知節間電感越小則波阻抗越小,因此結構設計時讓相鄰電容器盡量靠近,采用寬度為2cm,厚度為0.2CIFI的金屬條將電容器連接起來,由公式(3)計算可知節間電感為54.6nH.因此特征阻抗約為5.6Q,每節對應的脈沖寬度約為

8、19.2ns,為了實現200ns的脈沖寬度輸出,設計的脈沖形成網絡需要采用1O級才能滿足要求.圖1是單列LC脈沖形成網絡結構圖,圖2給出利用陶瓷無感電容器作為儲能介質的脈沖形成網絡電路圖,其中電容器容值均為1.7nF,Fig.1SinglelineLC-PFN圖1單列Lc脈沖形成網絡l導電感均為27.3nH.圖3給出其模擬輸出結果.模擬時考慮引線電感,開關電感以及負載電感為零,因此輸出波形的前沿有一定的前沖,同時由于脈沖形成網絡其自身的特點,主脈沖過后有一定的振蕩.L一27.3nH,C一1.7nFFig.2Equivalentelectricalcircuitforthelowimpedanc

9、ePFN圖2低阻抗脈沖形成網絡拓撲圖不同的脈沖功率應用場合對成形系統的特征阻抗需600求并不一樣.對于高阻抗的需求,單列Lc脈沖形成網絡可以很容易實現.而對于更低阻抗的需求,則需要進一步減小節間電感滿足其需求.由公式(3)知道,可以通過增大金屬條的寬度以及厚度來增大節19電感.圖4給筆出了節間距離為6cm時,單列LC脈沖形成網絡的特征阻抗與金屬條寬度及厚度的關系,計算時電容器容值取1.7nF.由圖4可知,增大金屬條寬度可以減小單列L一.C脈沖形成網絡的特征阻抗,例如當金屬條的寬度由.100200t/ns3004005002cmN;kN6cm,相應的特征阻抗也從5.67Q減小為Fig.3Sing

10、l.一liL-CPFNsimulti.f.4.43Q.另外,增大金屬條厚度也可以減小單列Lc脈圖3單列LC脈沖形成網絡模擬輸出結果沖形成網絡的特征阻抗,但相對于增大寬度,其效果較小.圖5則給出輸出脈沖寬度與金屬條寬度及厚度的關系,顯然通過增大金屬條寬度,厚度實現降低阻抗的同時,也縮短了輸出脈沖寬度.第4期王慶峰等:脈沖形成網絡的設計與實驗研究533123456width/cmFig.4Relationshipbetweencharacteristicimpedanceandwidth,thicknessofplate圖4特征阻抗與金屬條寬度,厚度的關系圖123456width/cmFig.5R

11、elationshipbetweenpulsewidthandwidth,thicknessofplate圖5脈沖寬度與金屬條寬度,厚度的關系雖然通過增大金屬條寬度,厚度可以一定程度上減小單列LC脈沖形成網絡的特征阻抗.但隨著寬度,厚度的繼續增大,一方面特征阻抗的減小將越來越緩慢,另一方面也會影響到整體的結構布局及其質量,尺寸.為了實現脈沖形成網絡能夠滿足不同阻抗的需求,我們考慮采用多個單列LC脈沖形成網絡并聯輸出低阻抗脈沖.圖6給出6列LC脈沖形成網絡的結構示意圖,由理論分析知道單列Lc脈沖形成網絡輸出脈沖的特征阻抗約為5.6Q,脈沖寬度約為200ns.因此設計的6列平板型Lc脈沖形成網絡特

12、征阻抗約1Q,輸出脈沖寬度200ns,整個尺寸約為65cm×4Ocm×5cm.另外我們設計了矩形同軸結構的脈沖形成模塊,并對其進行了實驗研究.矩形拓撲結構采用雙層形式,因此相對于平板型拓撲結構,其結構在橫向尺寸上更為緊湊.Fig.6Schemeof6-lineLCPFNs圖66列Lc脈沖形成網絡結構示意圖2低阻抗脈沖形成模塊的調試實驗實驗裝置包括高壓直流電源,充電電阻R.,空氣隙開關,脈沖形成網絡,負載R.,電阻環R.,示波器及附屬設備,如圖7所示.實驗時,高壓直流電源通過隔離電阻R.使脈沖形成網絡充電到預設電壓,觸發導通空氣隙開關,脈沖形成網絡在輸出端得到類矩形高壓脈沖.

13、實驗中,選擇負載電阻R-等于設計的脈沖形成網絡阻抗,整個線路連接緊湊,以盡可能減小回路電感得到好的輸出波形.Fig.7Schemeofexperimentaldevice圖7實驗裝置示意圖根據理論分析,當負載的阻抗與PFN的阻抗匹配時,負載上得到的電壓為充電電壓的一半,且后沿沒有明顯的反射.圖8給出了不同結構下,1Q負載上得到的波形.由圖可知此時脈沖寬度為220ns,上升沿約為40ns.另外采用同軸結構可以使得高壓端位于內部,因此可以減小耐壓要求.由輸出波形可知,負載處于高失配狀態,因此設計的脈沖形成網絡的阻抗應該小于1Q.圖9給出了Blumlein型PFN結構示意圖.Blumlein型PFN

14、采用并聯充電,串聯放電結構,因此在負載阻抗匹配的情況下,可以得到兩倍于單線型PFN的輸出脈沖.圖1O給出了充電電壓為44kV時,2.5Q的匹OOOO0OOOO加"5O5O5O665544534強激光與粒子束第21卷配負載上得到的高壓脈沖.由圖可知,負載上得到高壓脈沖脈寬約為230rls,前沿約為50/'IS,其電壓傳遞效率約為0.85.C蘭>00.一.:.一1l_VIl.8Ons,di(a)wavefonnfromflatconfigurationFig.8圖8>00:,一f一一,一,''.|.40ns/div(b)waveform

15、fromcuboidconfigurationWaveformsfrom6-lineLCPFNS6列LC脈沖形成網絡輸出波形,JLLLLL,JFig.9EquivalentelectricalcircuitfortheBlumleinPFN圖9Blumlein型PFN結構示意圖蘭;毒1一一/,.一/j/80ns/divFig.10WaveformsfromtheBlumleinPFN圖10Blumlein型PFN輸出波形3結論目前單線型低阻抗脈沖形成網絡已實現在1Q的負載下得到半高寬為220ns的脈沖,通過優化設計其上升沿可以控制在40ns,下降沿可以控制在50ns.利用該成形技術可以實現在輸

16、出低阻抗的脈沖的同時獲得快前沿上升,同時由于陶瓷電容可以用于直流充電,因此可以省去高壓電源與成形系統之間的能量壓縮段,有利于系統的小型化,輕量化,以及提高系統的能量傳遞效率.參考文獻:1劉振祥,張建德.螺旋線型水介質長脈沖形成線的設計與改進EJ.強激光與粒子束,2006,18(2):20782081.(LiuZhenxiang,ZhangJiande.Designandimprovementofwaterdielectrichelixlongpulseformingline.HighPowerLaserandParticleBeams,2006,18(2):20782081)2FiremanJ

17、.ComputersimulationofapulseformingnetworkJ.IEEEInstrumentationandMeasurementMagazine,2001,4(4):2022.3GaudetJA,BarkerRJ,BuchenauerCJ,eta1.ResearchissuesindevelopingcompactpulsedpowerforhighpeakpowerapplicationsonmobileplatformsJ.ProceedingsoftheIEEE,2004,92(7):11441165.E4TeranlshiT,NojimaK,MotegiS,et

18、a1.A800kVBIumleinmodulatorforanXbandklystr.nc/8thIEEEIntPulsedPowerConference.1991:315-318.5楊建華,鐘輝煌,舒挺,等.水介質Blumlein型螺旋脈沖形成線J.強激光與粒子束,2005,17(8):1191-1194.(YangJianhua,ZhongHuihuang,ShuTing,eta1.WaterdielectricBlumleintypeofPFIwithspiralline.HighPowerLaserandParticleBeams,2005,17(8):11911194)6夏連勝,梁川

19、I,石金水,等.固態Blumlein線的初步研究J.高電壓技術,2003,29(2):4445.(XiaLiansheng,LiangChuan,ShiJinshui,eta1.PrimaryresearchonsolidBlumleinline.HighVoltageEngineering,2003,29(2):4445)7常安碧,羅敏,張之福,等.100kV低阻抗非均勻集中參數Blumlein脈沖形成網絡的研制J.強激光與粒子束,1997,9(3):331-335.(ChangAnbi,LouMin,ZhangZhifu,eta1.Developmentofa100kVlowimpedan

20、ceandnonuniformlylumpedparameterBlumleinPFN.HighPowerLaserandParticleBearns,1997,9(3):331-335)8張永輝,陳洪斌,康強,等.重復頻率電子束源技術研究J.高能物理與核物理,2002,26(8):876881.(ZhangYonghui,ChenHongbin.第4期王慶峰等:脈沖形成網絡的設計與實驗研究535KangQiang,eta1.Developmentofrepetitionfrequencyelectronbeamgeneratortechnology.HighEnergyPhysicsandN

21、uclearPhysics,2002,26(8):876-881)9劉錫三.高功率脈沖技術M.北京:國防工業出版社,2005.(LiuXisan.Highpulsedpowertechnology.Bejing:NationalDefenseIndustryPress,2005)1O海特維西,李遠.電感計算M.北京:國防工業出版社,1960:10.(Hertwig,LiYuan.Inductioncalculation.Bejing:NationalDefenseIndustryPress.1960:10)Designandexperimentalstudyofpulseformingnetw

22、orkWangQingfeng,GaoGuoqiang,LiuQingxiang,ZhangZhengquan,HuKesong(CollegeofScience,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Ahighenergydensitymidiumhighvoltagepulseformingnetwork(PFN)wasdesignedwithlowselfinductanceceramiccapacitors.Eachcapacitorhasameasuredcapacitanceofaround1.7nF.Thecapacitorsaremadefromaveryhighdielectricconstantbariumtitanatedielectricmix,normallyusedtom