脉冲成形与传输线技术

1、脉冲压缩与成形技术 脉冲传输线 Blumlein传输线及其它 脉冲成形网络 脉冲变压器 磁开关传输线 所谓传输线，实质上是用电介质隔离开的两个或多个导体。 在脉冲功率中所使用的传输续有两个功能。其一，顾名思义，它们能以相当高的保真度和一定的延迟时间传输脉冲。其二，采用适当的转换，用传输线成形亚微秒乃至纳秒的脉冲，此时又称它为脉冲成形线(PFL)。 传输线用于成形脉冲时，它产生的脉冲长度是传播延迟时间的两倍。在脉冲功率应用中，传输线的传播延迟时间在每米330ns范围内。传输线 在通常情况下，传输线导体具有不变的或缓变的垂直轴线的横截面。若横截面不变时。其电特性不随远离端部的位置而变化，脉冲沿标准

2、的带状线传播时，脉冲畸变最小。 但是，有时需要用受控的方式使脉冲畸变。以满足某些特殊要求，此时可通过改变线的横截面来达到。基本理论 第一，TEM波的传输速度 r-相对磁导率r-相对介电常数 电磁波在自由空间的传播速度与传输线的结构尺寸无关。如果不考虑色散，且认为r和r与频率无关，则传播速度与脉冲频率无关。传输线的延时仅与长度和介质材料有关。基本理论 在传输线内传播的电磁波是由麦克斯韦方程定性描述的。传输线理论与在相同横截面波导内传播理论相似。传输线的传播方式是以所谓的横向电磁波(TEM)方式传播，认为电场矢量和磁场矢量都是垂直线传输线轴向前传播的，电场(E)垂直导体表面，磁场(H)在导体表面呈

3、切线方向。E和H是互相垂直的，它们的取向是坡印亭矢量(EH)沿传输线的轴向传输能量。基本理论 第二，我们已经假设了TEM波，因此其它波导模式（如TE，TM模）不可以存在。脉冲功率中由于高压运行，传输线的横截面尺寸一般较大，高频电磁波传播一般无问题，可以传播任何频率的波，没有频率的限制。基本理论第三，脉冲沿传输线传播，不依赖于传输线的外形结构。对于脉冲功率运行的频率范围，由于趋肤效应，电流仅在传输线的导体表面流动。在传输线模式中，两导体表面电流大小相等，方向相反。电路参数完全可以由导体的几何尺寸及充填的介质性质确定。对于脉冲功率应用的传输线，电阻R和电导G通常都可以忽略，作无损线来处理，不会引入

4、较大的波形失真。脉冲传输线Load 通过传输线向负载传输能量 电磁波按一定速度传播（最大光速 c） 水波传播示意图 传输线具有分布参数 传输线分布电感 传输线分布电容 沿传播方向分布电阻两传输线之间存在泄漏电流引起泄漏电阻 传输线分布参数示意图 分布参数示意图 直流电压下传输线充电过程传播过程 交流电压下充电过程充电电荷： Q = IT = CE （1）充电电压： E=L*I/T （2）ET = LI （3）电压、电流关系传输时间 T：波速：波阻抗(特征阻抗Z） 传输线波过程分析传输线波过程分析波的折射和反射波的折射和反射波的折射和反射 波的折射和反射 单次入射波作用：末端开路 末端短路 及

5、末端匹配 阶跃电压入射波作用：末端开路直流阶跃电压入射：末端开路末端开路，任意点电压波形直流阶跃电压入射：末端短路直流阶跃电压入射：末端短路结论：电感、电容影响折射波陡度，不影响最大幅值结论：电感、电容影响折射波陡度，不影响最大幅值脉冲传输线的种类 同轴传输线 平板传输线或带状传输线 径向传输线 螺旋传输线同轴传输线 带状传输线径向传输线 径向传输线一般是两个具有中心开孔的平行圆板或双锥筒构成。大多用于将脉冲功率沿圆盘外围四周向中心部位呈辐射状对称地输送，或者沿径向形成方波脉冲给轴向加速间隙提供高梯度的加速电场。 分析径向传输线时，可将它划分为若干条高度阶梯增加的带状线考虑，假设有k级，线宽为

6、2rk，高度为hk的平板带状线，则特征阻抗为：为了使径向传输线的特性阻抗与半径无关，必须令 为常数。对于给定的允许场强Emax和介质介电常数，可传输的最大功率为：螺旋传输线 螺旋传输线是一个圆筒型传输线，其中间加了一个绕成螺旋线管形式的中间导体。 对于相当形状的同轴线而言，螺旋传输线具有较高的特性阻抗和较长的传输延时，因为它单位长度有更大的电感。锥形变阻抗传输线 可以提高脉冲电压或者降低阻抗与负载匹配。 变阻抗传输线实质就是一段内导体尺寸渐变的同轴线。也有改变外导体尺寸的，或内外导体尺寸同时改变。单传输线 当匹配放电时，负载阻抗与导线阻抗相等，可以在负载上得到二分之一的充电电压，脉冲宽度tp=

7、2l/VBlumlein传输线Blumlein line 等效电路层叠型Blumlein Line同轴型Blumlein2Z0多线段倍压变换器多线段倍压变换器其它类型传输线3：阿基米德螺旋倍压器脉冲压缩与脉冲变换磁压缩开关脉冲变压器磁开关的作用 1、脉冲陡化 2、脉冲压缩Magnetic Pulse Compression Switch （MPCS）磁开关B-H特性曲线磁开关特性脉冲陡化脉冲压缩放大脉冲电压脉宽压缩等效电路图参数设计 作为陡化开关使用的磁开关有三个重要参数： 饱和延迟时间ts， 饱和电感Ls， 饱和电流is。环形结构磁开关参数延迟时间ts与铁心参数的关系饱和电感量Ls与铁心参数

8、之间的关系饱和电流is与铁心参数的关系多级磁压缩开关参数设计 Cn-1=Cn=Cn+=C0 2/2/0110maxCLLCVIsnnnSnnsnnsnnnsnnnnLCVICLCLtVV2/2/ , 2/1)cos1 (20max1011011max1脉冲压缩关系时间、电流放大系数：snsnnnnnLLIIG111脉冲压缩的几个约束条件 小于负载阻抗。最后一级饱和感抗要远时）饱和；充电到峰值时（必须在饱和电感 . 5 / L 4.) all(for C C 3.ed)(unsaturat L L 2.)(saturated . 1n0nn1n1nnnCnLL磁开关直流偏置偏置电流：感应电压感应电流磁开关材料选择 三种材料： 1. 铁氧体 （电阻率106cm，B0.6-0.8Tesla） 2. 玻莫合金 （电阻率50cm，B1.7-3Tesla ） 3. 非晶态合金（金属玻璃） （电阻率150cm，B3Tesla ） 涡流损耗： ssseKLVtdP202导磁材料占用比。饱和磁导率，导磁材料颗粒尺寸，电导率，损耗系数，K d s准分子激光器脉冲压缩电源改进的准分子激光器脉冲压缩电路脉冲变压器 升压 降