高功率超宽带双极脉冲产生技术

介绍了采用C-P组合开关产生双极脉冲和采用Blumlein线产生双极脉冲两种高功率双极脉冲产生技术,理想情况下,这两种双极脉冲形成线产生的双极脉冲电压峰-峰值均等于入射脉冲峰值电压的2倍。设计了相应的高功率双极脉冲形成线,并采用Pspice软件对形成线进行了模拟计算。在同一台高功率超宽带单极脉冲源上,分别对这两种双极脉冲形成线进行高压实验研究,结果为:C-P组合开关双极脉冲形成线在入射脉冲电压为855.5 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,可以产生负峰电压为812.0 kV、正峰电压为603.2 kV、半周期为720 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.65倍。Blumlein双极脉冲形成线在入射脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,可以产生负峰电压为571.9 kV、正峰电压为550.4 kV、半周期为740 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.72倍。     

Chopping-peaking开关形成高功率超宽带双极脉冲的实验研究

 设计研制了一种chopping-peaking组合开关型高功率双极脉冲形成装置，通过调节两个开关的导通时刻来得到不同形状的双极脉冲。理想情况下，形成的双极脉冲电压峰-峰值等于入射脉冲峰值电压的2倍，实验中入射脉冲峰值电压为205kV的单极脉冲，获得了最大峰-峰电压为360kV的双极脉冲，是入射脉冲峰值电压的1.76倍。双极脉冲的持续时间可以改变，最大值为单极脉冲的脉宽。入射脉冲上升时间越小，得到的双极脉冲峰-峰电压就越大。     

形成线脉冲压缩技术在超宽谱技术中的应用

分析了基于同轴Blumlein线的高功率脉冲源对低阻抗短形成线充电、实现脉冲压缩的基本原理,给出了理想情况下,脉冲压缩后输出的高功率超宽谱脉冲电压、功率增益及能量效率计算公式。利用电路仿真软件建立了脉冲压缩电路模型,通过模拟验证了理论分析。模拟了实际主脉冲波形对输出脉冲的影响,结果表明:低阻抗压缩线充电时间变长、充电电压峰值降低;通过在前级脉冲源与脉压形成线之间增加一定长度传输线,可以有效提高压缩线充电电压。针对典型的同轴Blumlein线高功率脉冲源紧凑Tesla型高功率脉冲源CKP-1000,设计了脉冲压缩装置和测量系统,建立了完整的脉冲压缩实验系统,开展了脉冲压缩试验。该脉压系统可将4.5 ns输入脉冲压缩为前沿940 ps、半高宽约1 ns的亚纳秒脉冲,实现了约2.2倍的功率增益。实验数据与理论分析基本吻合。     

高功率多脉冲调制器研究

 研制了能产生多脉冲的高功率脉冲调制器，该调制器由初级储能系统、带绕式变压器、水介质Blumlein线和场发射二极管组成。在场发射二极管上获得3个峰值功率大于20 GW，半高脉宽约60 ns，脉冲间隔约15 ms，电压约400 kV的高功率电脉冲。理论计算、模拟计算与实验结果基本一致。分析表明主开关恢复时间是影响调制器输出脉冲时间间隔的主要因素。     

非线性传输线高功率实验北大核心CSCD

设计了基于交叉耦合铁氧体非线性传输线高功率射频微波产生系统,系统由脉冲形成线、非线性传输线以及高功率匹配负载(或组合振子辐射天线)组成。由100kV高压电源和高压微波电缆构成单传输线高功率脉冲形成线,形成线输出脉冲幅度35kV,脉冲半宽60ns。高压脉冲经过非线性传输线的脉冲压缩和调制,与高功率匹配负载相连时,实验得到了峰峰值31kV、中心频率308 MHz、3dB带宽为13%的射频振荡脉冲;与组合振子天线相连时,实验得到了中心频率380MHz、3dB带宽为12%的宽谱辐射。实验结果与数值模拟基本吻合。     

高功率超宽带脉冲辐射实验装置

对高功率超宽带脉冲辐射实验装置的理论分析、工程设计及实验等分别进行了介绍。高功率超宽带脉冲辐射实验装置主要由脉冲充电电源、超宽带脉冲产生装置及超宽带脉冲发射天线三部分组成。脉冲充电电源为脉冲产生装置提供充足的前级能源；超宽带脉冲产生装置包括高压储能电容、高压开关、充电电感、低阻脉冲形成线、亚纳秒开关和高功率负载等部分；超宽带脉冲发射天线包括阻抗变换、传输线、同轴到平板过渡段、TEM喇叭馈源、透镜及密封腔、4．5m抛物面等部分。     

等阻抗超宽带高能微波发生器模拟研究

基于等阻抗-双脉冲成形线技术,建立了一个超宽带高能高功率微波发生器理论模型。计算机模拟结果表明:利用等阻抗超宽带高功率微波发生器,可以同时产生纳秒主脉冲和皮秒前沿脉冲;通过控制皮秒脉冲成形线输出开关闭合的延迟时间,可以调制皮秒脉冲和纳秒脉冲的输出电压比值;通过调节纳秒脉冲成形线与皮秒脉冲成形线的电容比值,可以控制皮秒脉冲的脉宽和皮秒脉冲的峰值电压;利用等阻抗超宽带高功率微波发生器,可以最大限度地提高辐射脉冲能量和整个系统的能量转换效率。     

新型宽谱电磁脉冲试验系统

 研制了一套新型宽谱电磁脉冲试验系统,该系统采用全电感隔离型重复频率Marx发生器产生高压冲击脉冲,经双极脉冲形成线馈入宽带天线进行宽谱辐射。介绍了发生器工作原理和双极脉冲形成原理。实验结果表明：发生器输出脉冲电压500 kV,脉冲前沿20 ns,重复频率20 Hz,宽谱辐射因子195 kV,辐射中心频率200 MHz,频谱宽度37%。该试验系统结构紧凑、操作灵活,并具有方位辐射方向360°旋转和运程控制等功能。     

10 GW甘油介质双螺旋Blumlein脉冲形成线

为实现脉冲驱动源的高储能密度和紧凑化，研制了一种以甘油为储能介质，具有中筒螺旋和内筒螺旋的高功率双螺旋Blumlein脉冲形成线(BPFL)。首先，综合绝缘稳定性和储能密度考虑，分别计算BPFL的外线和内线尺寸。利用增加中筒和内筒螺旋的方式增加输出脉宽和形成线阻抗，实现BPFL的紧凑化设计。其次，利用场路协同仿真软件计算形成线内的瞬态场位形变化，结合瞬态场分布分析电压波在形成线内的传输过程，给出外线和内线传输时延的仿真结果。在此基础上，对中筒螺旋匝数、内筒螺旋匝数，以及开关电感等影响输出波形质量的情况进行详细分析。最后，根据仿真优化结果搭建基于双螺旋BPFL的10 GW实验平台。利用脉冲变压器对BPFL充电600 kV，在10 Hz重频条件下运行10 s，于50Ω负载上产生峰值电压712 kV、半高宽136 ns的准方波脉冲，单脉冲能量与BPFL体积比达到10.8 kJ/m³，脉冲平顶峰峰值抖动为3.8%，与仿真结果吻合度较高。     

一种高功率共面馈电脉冲辐射天线的设计实验

设计了一种高功率共面馈电脉冲辐射天线。该天线馈源采用双组电大尺寸共面极板馈臂,将馈电点置于焦点处,与直径2.1 m的抛物反射面相配合,实现超宽谱短脉冲的有效定向辐射。提出了一种由同轴输入到4端输出的高功率馈电巴伦,解决了高功率情况下同轴线到4馈臂共面馈电问题。对所设计天线进行测试实验,结果表明:在馈电脉冲宽度为450 ps、峰值电压为142 kV时,辐射因子达到800 kV。     

气体开关对多级脉冲形成线输出波形的影响

为了提高脉冲形成线的输出耐压,采用组叠的方式将多个单级脉冲形成线进行串叠,可实现脉冲功率系统的小型化设计。基于多级薄膜介质线脉冲形成叠加技术,研究了气体火花间隙开关对多级脉冲形成线输出波形的影响。介绍了开关的设计原则,分析了开关抖动、开关电感、开关电阻对多级脉冲形成线输出特性的影响,并且从实验上研究了开关的导通特性对脉冲形成线输出波形的影响。实验结果表明:开关抖动会引起脉冲输出波形平顶时间减小,并且开关触发抖动会引起绝缘介质上的过电压条件,从而影响系统的绝缘设计;开关电感会使脉冲前沿变缓,平顶宽度变窄,后沿存在扭曲变形,存在拖尾现象;开关电阻的存在会降低输出效率。     

放电泵浦KrF激光放大器的高电压脉冲发生器

描述了一台用于泵浦KrF激光放大器的可重复频率运行的高电压脉冲发生器。该脉冲发生器由恒流充电机、储能电容器、传能开关、低阻抗布鲁姆林脉冲形成线、多通道轨条型输出开关组成。介绍了布鲁姆林线和轨条开关的结构,对充电回路和放电回路特性进行了分析,完成了各部分的调试并给出了实验结果。在储能电容器直流充电电压30kV,布鲁姆林线输出电压脉冲在激光器负载上峰值可达到60kV,脉宽80ns,脉冲上升时间30ns。     

紧凑型长脉冲功率模块研制

设计了基于Blumlein脉冲成形网络(PFN)的紧凑型长脉冲功率模块。该模块将两路阻抗各为20Ω的Blumlein脉冲形成网络对称连接于LTD的初级绕组上,并采用同一个气体开关驱动,以保证两路PFN工作同步。PFN采用直角弯折"L"型结构,这种结构既保证了PFN与开关连接紧凑,又将模块横向尺寸缩减至最短,且对输出脉冲波形影响不大。实验结果表明,研制的长脉冲功率模块在10Ω负载上输出脉冲幅值约为135kV,半高宽约为180ns,前沿约为50ns,平顶约为100ns,重复脉冲频率可达到25Hz。     

螺旋型Blumlein线的理论研究

 采用薄电流层模型讨论了螺旋型Blumlein线的一种结构，该结构由螺线体内筒、螺线体中筒和导体外筒构成。给出了假定外线独立传输电压波时的螺旋型Blumlein线特征参数的近似计算公式，并进行了简单的原理验证实验。理论计算得到的脉冲电压幅值为543 V、脉宽为24 ns，而实验中分流器测到的电压值为471 V、脉宽为30 ns。为了简化计算，理论计算中对外线独立传输的假设条件不严密，由此造成了与实验结果的差异。提出了Tesla变压器和螺旋型Blumlein线相结合的方案：内置高耦合Tesla变压器的单同轴线构成整个外线的一部分。设计结果表明：外径628 mm、总长2.67 m、充电800 kV的螺旋型Blumlein线可实现电压1.07 MV、功率1.53 GW、脉宽93 ns的脉冲输出，理论输出线能量转换效率50%。     

螺旋Blumlein脉冲形成线的放电分析

 利用拉普拉斯方法严格求解双电报方程,得到了内外线传输时间不相同的螺旋Blumlein脉冲形成线在纯电阻负载上输出电压波形的解析表达式,分析并讨论了螺旋Blumlein脉冲形成线内线传输时间等于外线、小于外线和大于外线等3种情况下输出电压的特点,同时与波过程分析方法进行了比较,结果完全一致。研究结果表明,对于内外线非等传输时间的螺旋Blumlein脉冲形成线,与传统Blumlein脉冲形成线相比,具有其显著的特点。     

紧凑型脉冲成形模块的设计与实验研究

采用了人工线、开关和直线变压器结构一体化的设计方法,为重复运行的长脉冲直线变压器驱动源(LTD)装置研制了一种紧凑型低阻抗脉冲成形模块。为优化空间结构、减小分布参数、提高波形质量,脉冲单模块由两条20ΩBlumlein脉冲成形网络(PFN)并联储能,人工线采用相向L型布局,通过一个同轴开关同步放电,分两路向直线变压器初级线圈对称馈入快前沿的高压电脉冲。为了进一步减小线路电感,缩短脉冲前沿,研制了新型的嵌入式激光触发开关。与同轴开关相比,引线长度缩短了一半,脉冲前沿减小了10%。两级LTD模块实验装置在18.5Ω负载上获得了电压240 kV、半宽180 ns的脉冲输出,重复频率可达25 Hz。     

便携式脉冲形成线设计与实验研究

采用聚酯薄膜为绝缘材料,设计了一种小型化便携式层绕Blumlein线,其主要特点是采用S型层绕的方法对薄膜介质平板Blumlein线进行绕制,使形成线的体积小,结构紧凑,有利于脉冲功率源小型化、实用化的发展。其集成了薄膜电容器易卷绕、耐高压、储能强的优势,同时具备了传输线的特点。采用气体火花间隙开关,对S型薄膜介质脉冲形成线的耐压特性及负载输出波形进行了实验研究。结果表明:开关的导通特性对脉冲形成线的负载输出波形有很大的影响,开关电感及开关抖动等因素会影响脉冲波形的前后沿,使输出脉冲方波波形质量变差。采用PSpice软件对实验等效电路进行了模拟,得到了与实验一致的结果。设计的Blumlein线体积为50 cm18 cm12 cm,承载电压50 kV,负载输出脉冲上升沿50 ns,平顶宽度120 ns。     

100MW重复频率超宽带脉冲辐射源的实验研究

 介绍了利用充氮气自击穿开关产生双极脉冲, 并通过同轴双锥天线辐射的实验研究。实验获得电压约±100kV, 脉冲宽度小于等于3.6ns, 工作频率单次、10Hz和100Hz的双极脉冲;同轴双锥天线带宽150MHz～1GHz, 峰值功率辐射效率达65%。     

基于磁开关技术的长脉冲驱动源初步研究

基于磁开关技术提出了一种高功率长脉冲驱动源方案,主要包括脉冲变压器、磁脉冲压缩、低阻抗脉冲形成网络、磁开关类型主开关,以及感应电压叠加器等关键子系统;研制了各关键子系统并开展了单独的实验调试,基于跑道型磁芯制作了闭环磁芯脉冲变压器,采用硬连接绕组方式制作了方便调节的两级磁压缩系统,利用陶瓷电容器制作了圆周对称的Blumlein型低阻抗脉冲形成网络,配合低阻抗脉冲形成网络研制了磁开关类型主开关,基于单端口馈电和角向传输线技术建立了四级IVA实验装置;在上述关键子系统调试基础上,开展了全系统的初步联合实验,验证了技术方案。