基于单纯形优化法的准方波脉冲形成网络设计

脉冲形成网络常用于大功率固态调制器、微波驱动源以及激光激励源中,以便获取宽平顶的高压长脉冲输出。针对常用的雷利网络,根据宽平顶低纹波的应用需求,开展了优化设计技术研究,提出了基于单纯形优化法的设计算法。主要针对两种情形进行了优化设计及计算:一是电容值相等,通过优化电感值以获取最优的输出波形;二是约定电容值(电容值不完全相等),通过优化计算不同电容排列下的输出结果,寻求最优的电容排列组合及相应的优化电感值。上述优化算法结果表明,在两种情形下均可以获得较优的准方波脉冲输出,可以为准方波脉冲形成网络的工程实现提供一种新的方法。理论计算和电路仿真结果表明,所提出的方法合理可行。     

基于互耦电感的两节准方波脉冲形成网络设计

针对小型化紧凑型脉冲源的应用需求,开展了基于互耦电感的两节准方波脉冲形成网络设计技术研究。首先介绍了两节脉冲形成网络互耦电感解耦的条件,并根据常用的三种脉冲形成网络模型运用拉普拉斯变换推导出了相应的输出脉冲电流表达式,并利用准方波的Prony级数表达式,通过求解非线性方程组获得了准方波脉冲的解析表达式,进一步求解出各网络元件的参数。然后研究了电感耦合系数在电路中的影响,提出了利用互耦电感设计准方波脉冲形成网络的方法。模拟仿真结果表明:基于互耦电感的两节脉冲形成网络可获得输出波形质量较好的准方波脉冲输出。利用互耦电感这一巧妙设计,可以较方便地实现准方波脉冲形成网络的设计。     

邻近电感互耦的准方波脉冲形成网络设计

针对小型化紧凑型脉冲源的应用需求,开展了电感存在互耦的准方波脉冲形成网络设计技术研究。首先介绍了基于坐标轮换-直接搜索法的准方波脉冲形成网络优化技术研究,获得了网络元件的电感、电容值以及准方波的解析表达式;然后推导了邻近电感互耦网络的等效去耦电路解算方法,基于回溯法,最终给出了全网络各元件值的求解算法;最后分别针对等电容情形及规定电容的情形,求解给出了网络元件参数值。算例结果表明:电感存在互耦的准方波脉冲形成网络可获得较理想的准方波脉冲输出。基于互耦电感的巧妙设计,有利于实现紧凑型准方波脉冲形成网络的设计。     

基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源初步研究

设计了一台基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源,其核心部件为分数比可饱和脉冲变压器,用来实现固态磁开关、脉冲调制、电压升压等功能,再借助Marx技术、磁开关技术和反谐振网络调制技术建立全固态脉冲驱动源,初步实验结果表明当直流电源提供100 V的充电电压时,该全固态脉冲驱动源可输出14.4 kV左右的准方波信号,脉宽约194 ns,验证了该技术方案实现输出百纳秒准方波信号的可行性,为建立百MW长脉冲信号输出的全固态脉冲驱动源模块提供了设计思路。     

两节反谐振式网络输出方波脉冲的参数计算

研究了反谐振式脉冲形成网络的紧凑化、小型化问题。介绍了两节反谐振式网络的组成和特点,并建立了相应的电路模型,运用电路的拉普拉斯变换和方波的傅里叶级数展开,通过波形拟合和参数对比的方法,找到了一种解决此类型电路输出方波脉冲的参数计算方法。模拟仿真结果显示:此网络输出的方波脉冲平顶约占整个脉冲时间的1/4且基本无抖动,前沿约占整个脉冲时间的1/7,半高宽约占整个脉冲时间的5/7。利用此方法设计了一套实验装置,并进行了初步的实验探究,实验结果表明:利用两节反谐振式网络可获得输出波形质量较好的百ns级方波脉冲输出,与理论分析结果基本一致。     

百纳秒近方波高压脉冲形成模块的设计与实验研究

基于高功率脉冲功率系统小型化和模块化发展要求,研制了一种集储能和脉冲形成功能为一体的脉冲形成模块。通过发展非均匀脉冲形成技术,成功将传统脉冲形成网络的级数降至两级,并保持其输出波形为近方波,大幅降低了近方波脉冲形成模块的体积重量。模块内部电容采用串联分压结构以提高其耐电压值,采用折叠式薄膜电容以提高其储能密度,结合薄膜/变压器油混合绝缘方式,实现了紧凑化、耐高压设计。利用PSpice电路仿真,结合最坏情况模拟等方法,分析了模块内部电参数对其输出特性的影响,并进行了实验验证。模块耐电压值可达120 kV,单次储能密度高达41 kJ·m-3,可输出脉宽约180 ns的近方波高压脉冲。该模块将传统需要五级以上的脉冲形成网络的实际应用发展到两级,有利于实现多级高压方波Marx系统的紧凑化、模块化设计。     

光导开关级联Blumlein型脉冲网络设计

为了驱动重复频率运行高阻抗X光管,设计了基于光导开关的级联Blumlein型脉冲形成网络。采用数值模拟方法优化网络参数,从网络充电电压一致性、输出脉冲波形畸变、电压叠加效率、负载预脉冲幅值出发确定了充电电感和支撑电感设计原则。实验表明:光导开关工作场强23.2 kV/cm,激光触发能量3.5 mJ时,阻抗约15.6 的Blumlein型脉冲形成网络电压转换效率为0.71,2级级联网络电压叠加效率0.96。     

双路脉冲输出结构理论设计与仿真

基于单台脉冲功率驱动源同时驱动两个微波器件产生双频高功率微波的构想,设计了一种双路短脉冲输出结构,其接于主开关后,能够将主开关产生的高压纳秒脉冲传输至高功率微波产生器。两路脉冲由同一脉冲源产生,具有很好的一致性。对双路输出结构脉冲传输过程进行了建模仿真,研究了传输线阻抗、输入脉冲前沿等电学参数对输出波形质量的影响规律,并完成了绝缘风险分析及结构优化。经评估,在前沿4～8 ns的准方波输入脉冲下,双路脉冲输出线的输出波形质量与单路传输线相当,其过冲振荡均小于20%、平顶振荡均小于1%,且能满足绝缘要求。     

基于脉冲变压器和脉冲形成网络的高压脉冲源北大核心CSCD

为了满足在高电压状态下对氧化锌陶瓷（ZnO）元件的检测需要,研制了一种基于脉冲变压器和脉冲形成网络（PFN）的,输出电压范围10-80kV可调,波形为近方波的高压脉冲源。根据实际研制过程,分别介绍了高压脉冲源的设计、仿真及系统电路构建。测试了高压脉冲源在标准负载（匹配）和氧化锌陶瓷负载上的输出情况。结果显示：脉冲顶降小于3%,顶部波动小于1.5%,前后沿指标均满足要求。因而,高压脉冲源可以用于氧化锌陶瓷的性能检测。     

100kV低阻抗非均匀集中参数Blumlein脉冲形成网络的研制

 从工程实用角度出发，针对高压、高变比、低阻抗工作的脉冲变压器具有漏感大的特点，提出了要采用低阻抗集中参数非均匀电容脉冲形成网络的设计方法。采用传统设计和计算机模拟相结合，设计出了电压100kV，阻抗1.4Ω的6级集中参数 Blumlein型非均匀电容脉冲形成网络，缩短了输出脉冲前后沿，改善了脉冲波形，并成功地用于正在研制的500kV长脉冲加速器中。     

调整PFN提高BFEL微波相位稳定度

 为实现北京自由电子激光(BFEL)的受激辐射和饱和振荡,加速器的微波功率相位稳定度要小于1°。对微波相位的变化与速调管高压调制器人工线之间的关系做了仔细的实验研究。对高压调制器的48节人工线做了全面的优化调整。调整结果令人满意,在6 μs高压调制器最大脉宽里,速调管输出功率的微波相位纹波由调整前的2.6° 降到了± 1.5° ;在BFEL加速器实际使用的4 μs宽里,相位纹波仅为± 1°。     

纳秒级前沿PFN-MARX发生器充放电特性

为了改善脉冲形成网络(PFN)-Marx发生器的输出波形,得到前沿较短、纹波因数尽可能小的输出波形,对单级PFN的特性进了仿真研究,包括PFN中末端电容、末端电感、PFN的阻抗等因素对单级PFN的输出波形的影响;建立了PFN-Marx发生器的整体仿真模型,并对采用耦合电感作为隔离电感和采用分立电感作为隔离电感进行了仿真研究。研究表明:采用耦合电感作为隔离电感可以使各级PFN的充电波形更加一致,效果更好。搭建了一个小型的PFN-Marx发生器,并研究了PFN-Marx发生器中气体开关在不同气压下导通时输出波形的差异,结果表明,升高气压有利于减小PFN-Marx发生器输出波形的前沿持续时间。     

An effective numerical method for gain profile optimizations of multi pumped fiber Raman amplifiers

In this paper, we have solved propagation equations of multi-pump fiber Raman amplifier using Runge–Kutta (RK 4th order) numerical method and pump power evolutions along with the fiber length. They are used to calculate the net gain and gain ripple by varying the input signals powers for different fiber lengths. The pump powers are optimized by genetic algorithm and resulting net gain and gain ripple are reported graphically as well as in tabular form. The optimum minimum gain ripple is 0.26 dB for 1 mW input signal powers for 50 km fiber length. By increasing the fiber length gain ripple increases to 0.5 dB for 0.1 mW input signal power. In comparison to other methods reported in the literature, our method is simple to implement and efficient for numerical design of Raman amplification in optical communication systems.     

基于Blumlein 脉冲形成网络的直线变压器驱动源设计

 设计了基于Blumlein 脉冲形成网络的直线变压器驱动源单元模块。双路阻抗各为20 Ω的Blumlein 脉冲形成网络对称连接于直线变压器驱动源(LTD)的初级绕组上,此种接法降低了脉冲形成网络(PFN)的设计难度,有利于形成更好的脉冲。在LTD次级绕组所接的10 Ω匹配负载上输出高压脉冲,实验结果表明,单个LTD模块输出脉冲半高宽约200 ns,前沿约为55 ns,平顶约为100 ns。     

电容加载平板传输线型PFN理论与实验研究

 介绍了一种电容加载双导体平板传输线型PFN,分析了PFN的波传播特性,提出通过减小加载电容间距提高PFN上限截止频率、减小阻抗色散的方法;采用损耗线模型分析了串联PFN的端部反射系数,研究了减小反射系数的方法;分析了串联PFN的磁耦合问题,从理论和实验两方面研究了PFN几何参数和排布方式对电流脉冲的影响。基于串联PFN和Tesla变压器技术,研制成功一台长脉冲功率源,输出电压脉冲幅度超过300 kV,脉冲宽度110 ns,前沿小于10 ns,功率超过2 GW。     

Direct numerical simulation of quasi-three-level passive Q-switched laser

The Runge-Kutta method is used to solve numerically the rate equations of quasi-three-level passive Q-switched laser directly without any approximate treatment of these differential equations. The 946 nm self-Q-switched Cr,Nd:YAG laser is chosen for example to describe the details. The time-dependence of intra-cavity photon density is obtained and its detailed real-time changing process is reproduced in numerical solution. The curves of laser output parameters such as average output power, pulse width, repetition rate, pulse energy and peak power changing with different cavity conditions such as pump power, output coupler reflectivity, Cr,Nd:YAG crystal length, Nd³⁺ ion and Cr⁴⁺ ion concentrations are simulated according to direct numerical solution rather than analytical expressions. This direct numerical simulation method can be widely used to describe and optimize the quasi-three-level passive Q-switched laser theoretically.