基于脉冲形成线充电的脉冲压缩技术

利用脉冲压缩技术,将具有一定初始电压的高阻抗长脉冲形成线对低阻抗短脉冲形成线充电到一定值时,其输出开关导通,在其后的传输线上可以产生高功率短脉冲。给出了脉冲压缩理论分析;前级脉冲驱动源采用GW级纳秒脉冲形成线,其特性阻抗为40 、电长度为3.9 ns,输出脉冲宽度约8 ns;研制了与前级脉冲驱动源匹配的脉冲压缩装置和变阻抗传输线,考虑到脉冲压缩装置低阻抗形成线绝缘击穿和开关导通限制,选取脉压装置形成线特性阻抗6.5 、电长度0.5 ns。利用GW级纳秒脉冲驱动源开展了脉冲压缩实验,得到了输出功率增益达4倍左右的脉宽1.5 ns高功率短脉冲,输出脉冲功率增益与理论值基本相符。     

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。     

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。     

爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电的理论分析

 将爆磁压缩等效为电流源的方法，对爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电进行了理论分析，得出爆磁压缩发生器在负载上产生电流波形（简称负载电流）为直线情况和任意电流波形情况下充电电流和充电电压的表达式。分析表明变压器耦合互感与负载电流随时间变化增长率是脉冲形成线充电的两个重要参数，脉冲形成线第一个充电电压峰值与变压器的耦合互感和负载电流波形斜率成正比，负载电流波形斜率的变化可以改变充电电压峰值的时间，斜率不断增加可以延长第一个充电电压峰值时间，从而可能增加充电电压的幅值，提高爆磁压缩发生器能量的利用效率。     

爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电的理论分析

将爆磁压缩等效为电流源的方法,对爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电进行了理论分析,得出爆磁压缩发生器在负载上产生电流波形（简称负载电流）为直线情况和任意电流波形情况下充电电流和充电电压的表达式。分析表明变压器耦合互感与负载电流随时间变化增长率是脉冲形成线充电的两个重要参数,脉冲形成线第一个充电电压峰值与变压器的耦合互感和负载电流波形斜率成正比,负载电流波形斜率的变化可以改变充电电压峰值的时间,斜率不断增加可以延长第一个充电电压峰值时间,从而可能增加充电电压的幅值,提高爆磁压缩发生器能量的利用效率。     

爆磁压缩发生器对脉冲形成线充电的模拟和实验研究

将爆磁压缩发生器等效为电流源,利用电路模拟程序对爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电过程进行了分析,结果发现这种分析方法可以准确地模拟爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线的充电过程,与实验结果吻合较好。利用这种模拟方法和实验验证的结果,得出了一些重要的结论,增加变压器的耦合互感特别是变压器的副边电感和爆磁压缩发生器负载电流斜率可以明显提高充电电压的幅值,调制器的水介质电阻率对于充电幅值有一定的影响,这些结论对脉冲变压器和爆磁压缩发生器的设计具有一定的指导意义。     

长脉冲能源给脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象

 利用简单的理论和电路模拟的方法，分析了爆磁压缩发生器或电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象。研究表明由变压器副边电感和脉冲形成线电容构成的回路充电频率和接地电感的大小是影响预脉冲电压幅值的主要因素。由于接地电感的引入带来的高频寄生振荡不会引起预脉冲幅值的变化。在通过变压器对脉冲形成线充电的方案中，由于回路充电频率低，预脉冲电压幅值很小，只有kV量级。在电容器通过变压器为脉冲形成线充电的脉冲功率调制器中，将预脉冲开关去掉进行了实验，并与有预脉冲开关的情况进行了对比，结果发现无预脉冲开关的情况下，不影响二极管的正常工作和产生电子束的质量。     

长脉冲能源给脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象

利用简单的理论和电路模拟的方法,分析了爆磁压缩发生器或电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象。研究表明由变压器副边电感和脉冲形成线电容构成的回路充电频率和接地电感的大小是影响预脉冲电压幅值的主要因素。由于接地电感的引入带来的高频寄生振荡不会引起预脉冲幅值的变化。在通过变压器对脉冲形成线充电的方案中,由于回路充电频率低,预脉冲电压幅值很小,只有kV量级。在电容器通过变压器为脉冲形成线充电的脉冲功率调制器中,将预脉冲开关去掉进行了实验,并与有预脉冲开关的情况进行了对比,结果发现无预脉冲开关的情况下,不影响二极管的正常工作和产生电子束的质量。     

电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程

从T模型等效电路出发,在等效电路中磁化电感两端的电压在形成线等效电容充电到第一个峰值之前变化较小这一假设之下,推导了电容器通过变压器对脉冲形成线充电的解析表达式,给出了考虑回路存在电阻和杂散电感下的表达式。最后利用电路模拟来验证解析表达式,结果表明:给出的解析表达式能够较好地分析电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程;在形成线充电的第一个半周期内,解析理论得到的结果与模拟结果比较吻合,在原边电容和形成线等效电容可比较的情况下,从变压器耦合系数较低（不超过0.7）到耦合系数接近于1的情况都适用。     

电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程

从T模型等效电路出发,在等效电路中磁化电感两端的电压在形成线等效电容充电到第一个峰值之前变化较小这一假设之下,推导了电容器通过变压器对脉冲形成线充电的解析表达式,给出了考虑回路存在电阻和杂散电感下的表达式。最后利用电路模拟来验证解析表达式,结果表明:给出的解析表达式能够较好地分析电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程;在形成线充电的第一个半周期内,解析理论得到的结果与模拟结果比较吻合,在原边电容和形成线等效电容可比较的情况下,从变压器耦合系数较低（不超过0.7）到耦合系数接近于1的情况都适用。     

水介质形成线泄漏电阻对充电效率的影响

研制了一种基于直线变压器技术的脉冲功率系统,采用水介质脉冲形成线并联充电作为脉冲形成装置。分析了给形成线充电时泄漏电阻对充电电压效率和能量效率的影响,给出了泄露电阻的能量损耗率计算公式;结合实验参数计算了本实验中水介质形成线的泄漏电阻,介于8.2 kΩ与3 kΩ之间。根据泄露电阻取值范围,分析了双模块和四模块实验中水介质形成线充电过程中的电压效率与能量效率,结果表明水介质形成线的能量损失占其获得能量的5%～12%;计算结果同时表明：随着实验模块数增加,能量损失逐渐增大。     

水介质形成线泄漏电阻对充电效率的影响

研制了一种基于直线变压器技术的脉冲功率系统,采用水介质脉冲形成线并联充电作为脉冲形成装置。分析了给形成线充电时泄漏电阻对充电电压效率和能量效率的影响,给出了泄露电阻的能量损耗率计算公式;结合实验参数计算了本实验中水介质形成线的泄漏电阻,介于8.2kΩ与3kΩ之间。根据泄露电阻取值范围,分析了双模块和四模块实验中水介质形成线充电过程中的电压效率与能量效率,结果表明水介质形成线的能量损失占其获得能量的5%～12%;计算结果同时表明:随着实验模块数增加,能量损失逐渐增大。     

基于螺旋线的紧凑型高压纳秒脉冲发生器

提出了一种结合高耦合Tesla变压器和螺旋形成线(FL)的紧凑型高压纳秒脉冲发生器,由内置Tesla变压器充电的螺旋FL包含外屏蔽筒、螺旋中筒和内导体筒,内外筒的两端均短路连接,螺旋中筒的一端开路,另一端穿过内外筒短路端面并与主开关电极连接。该结构简单紧凑、易于实现,输出脉冲前沿快、平顶好。给出了一组10 GW功率、百ns脉宽的FL设计,采用Midel 7131合成酯绝缘介质,FL外筒内径0.88 m,长度2 m。     

电感储能型脉冲形成线高重复频率脉冲功率发生器

利用传输线中的电感单元和电压叠加的方式来获得纳秒(ns)级矩形高压脉冲是一种全新的思路。描述了这种发生器的基本原理,并利用同轴电缆和MOSFET开关制作了两种原型脉冲发生器(单线型和双线型)来论证此方案的可行性,并进行了初步实验验证,在四模块叠加的情况下,分别实现了4 kV/20 A,20 ns和2 kV/40A,20 ns的短脉冲。实验结果表明,电感型脉冲形成线电压叠加器是一种有潜力的紧凑型高压脉冲发生器。     

基于螺旋线的紧凑型高压纳秒脉冲发生器

提出了一种结合高耦合Tesla变压器和螺旋形成线(FL)的紧凑型高压纳秒脉冲发生器,由内置Tesla变压器充电的螺旋FL包含外屏蔽筒、螺旋中筒和内导体筒,内外筒的两端均短路连接,螺旋中筒的一端开路,另一端穿过内外筒短路端面并与主开关电极连接。该结构简单紧凑、易于实现,输出脉冲前沿快、平顶好。给出了一组10 GW功率、百ns脉宽的FL设计,采用Midel 7131合成酯绝缘介质,FL外筒内径0.88 m,长度2 m。     

Blumlein双极脉冲形成线

为了提高超宽带系统的辐射因子,对超宽带脉冲整形技术进行了深入研究,介绍了采用Blumlein线产生双极脉冲的高功率双极脉冲产生技术。对采用Blumlein线产生双极脉冲的原理进行了讨论,通过数值模拟分析了影响双极脉冲形成的主要因素。设计了一套Blumlein高功率双极脉冲形成线,在800 kV脉冲源上开展了高压实验研究,分析了开关及形成线长度对形双极脉冲的影响。在输入单极脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,Blumlein双极脉冲形成线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,辐射因子为4.54 MV。     

Pulse forming lines for square pulse generators

The designing of square pulse generators using pulse-forming lines (PFLs) made up of identical L and C, was reviewed in this study. Fourteen different types of PFLs were analyzed utilizing PSpice simulation results. These PFLs are described with respect to their distinct features-the number of forming lines (single or double), the circuit relationship of the PFL and load (parallel or series), and the types of energy storage (current source, voltage source or a combination of both). The characteristic impedance, output parameters such as pulsewidth, voltage and current magnitudes, and pulse power were derived for each scheme. The merits and demerits of the output parameters are also included.     

充电不均匀对脉冲形成系统输出方波脉冲平顶的影响

在对脉冲形成线进行充电时,由于充电时间较短,以及形成线具有一定的长度,往往会使得充电电压在脉冲形成线上存在一定的不均匀性,从而影响到负载输出电压。对此进行了理论和模拟研究,分析了引起充电不均匀的原因和机制;在此基础上,通过求解不均匀充电初始条件下的电报方程,得到负载输出电压,并进行了模拟。结果表明,充电不均匀会引起负载输出电压平顶的起伏。     

充电不均匀对脉冲形成系统输出方波脉冲平顶的影响

在对脉冲形成线进行充电时,由于充电时间较短,以及形成线具有一定的长度,往往会使得充电电压在脉冲形成线上存在一定的不均匀性,从而影响到负载输出电压。对此进行了理论和模拟研究,分析了引起充电不均匀的原因和机制;在此基础上,通过求解不均匀充电初始条件下的电报方程,得到负载输出电压,并进行了模拟。结果表明,充电不均匀会引起负载输出电压平顶的起伏。