用同轴型形成线产生单周期UWB脉冲的实验的研究

用同轴型形成线产生单周期ＵＷＢ脉冲
的实验研究
马弘舸。

２聂在平１孟凡宝２杨周炳２陆巍２
１电子科技大学电子工程学院６１００５４。

中国工程物理研究院应用物理研究所６２１００９摘要：具有瞬态和超宽带特’眭的高功率超宽带脉冲辐射源在电子战、通讯、探地、冲击雷达等多个领域具有广泛的应用。

超宽带窄脉冲形成线的研究是超宽带辐射源的关键技术之一。

本文从理论和实验两方面来研究两种基本类型的高功率单周期ＵＷＢ脉冲形成线．它们能在内充高压气体的情况下，形成数百千伏的单周期脉冲，脉冲全宽度约几个ｎｓ。

对它的研究有利于生成适于提高天线辐射效率的，前后沿更陡的高压双极啪脉冲。

关键词：黼（ＵＷＢ）脓啊囱拨恤ｍｌｓｅｆｏｒｍｅｒ火嘏§钎关ｓＤａｒｋｇａｐｓｗｉｔｃｈ
一、引言
超宽带电磁脉冲（ｕ船）是正在蓬勃发展中的前沿性研究领域，它具有瞬态和超宽带的特性，有广阔的应用前景，除军事领域外，已在目标识别、地下目标探测、医学等民用领域开始应用，并带动了与之相关技术的飞速发展。

商功率ＵＷＢ脉冲形成线是商功率超宽带脉冲源的关键技术之一。

根据所形成脉冲形式的不同，高功率超宽带脉冲形成线分为冲击脉冲形成线和双极单周期脉冲形成线两大类。

冲击脉冲为单一峰值的脉冲，其超宽带特性体现于快速变化的前沿。

但是，其频谱低频分量所占比例较大，低频分量难辐射出来。

工程上可采用一种新橱念的超宽带电磁脉冲辐射天线一冲击脉冲辐射天线（ＩＲＡ）完成脉冲辐射。

单周期脉冲也称双极脉冲，它有一正一负两个峰值。

根据频谱变换可知，它的直流分量很少，易于使用常规天线辐射，反射较小。

这一定程度上减轻了天线、开关以及脉冲源前端的负担，有利于得到高的辐射效率。

本文所介绍的同轴型单周期ｕ珊脉冲形成线用于产生峰值电压达几百千伏，脉宽约几ｎＳ的高压单周期ｕｗＢ脉冲，它己成功的运用于几种高功率超宽带脉冲辐射源，并取得了良好的效果．
二、单周期ｍ脉冲形成的基本原理
１、形成线基本结构
高功率单周期脉冲形成线目前存在两种基本的结构形式，一种是前后沿削波开关形成线（如图１所示），另一种为单开关脉冲形成线（如囝２所示）。

选择同轴形式是因为同轴线中传播主模为Ｔ蹦波，可以简化设计分析，同时同轴形式也便于工程制造。

两种形式的同轴形成线其脉冲形成原理相近，但又有所区别。

在此先以单开关单周期形
成线为例，它的等效电路图如图３所示。

在图３的等效电路中要求开关Ｋ１和Ｋ２能在瞬间同时动作。

这样，在电路中将产生
５２Ｔ，１０２Ｔ，
由陌访赍溢帛佶措蟪浦动方捍．鼍｝一吉鼍｝＝ｏ，矿ｂ，ｏ）＝ｖ０，矿’Ｇ，ｏ）＝ｏ。

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电压波，它满足传输线波动方程：缸２ｖａｆ２
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图２单开关ＵＷＢ脉冲形成结构图３双极脉冲形成等效电路
用Ｌａｐｌａｃｅ变换的降维方法解上述的二次偏微分方程。

方程中ｖ是波在传输线上的传播速度，ｖ是传输线上的电压。

解微分方程，并根据初始条件可解得系数Ａ，Ｂ可知，沌ｓ）：Ａ争＋Ｂ。

＿－，Ｓｘ＋一Ｖ０
Ｓ一素南≯一去志孚
将边界条件代入，同时考虑到在实际情况下Ｒｃ－－－０，Ｒ】Ｉｚ，对所得式子整理得：
ｖ。

，ｆｓ）：旦一竖＋翌二
一上．型
…４
２ＳＳ２Ｓ
对此式再经过拉氏反变换，就可得到负载上电压为
、，１１０１
‰＝÷ｕ（ｔ）一ＶｏＵ（ｔ一÷）＋寺ＶｏＵ（ｔ一詈）
即在负载上产生幅度为±Ｖｏ／２，正负脉冲全宽度为２１／ｖ的双极脉冲。

从以上式子中我们可以看到，影响双极脉冲脉宽的主要参数是形成线的长度ｌ。

调整ｌ的大小，可以在一定范围内控制所形成脉冲的宽度。

事实上，形成的脉冲不太可能是矩形脉冲，其前后沿的陡度要受到开关快慢的限制。

对于前后沿削波开关形成线，我们可阻做一个定性的解释。

形成线的轴心导体输入端接前端输出源中心导体，形成线外筒接地。

当输入脉冲在同轴线中传输到后沼开关Ｋｂ时，由亍开关间隙较大，尚不能达到导通电压，开关不动作。

随后，输入脉冲前沿到达前沿开关Ｋａ。

在未达到导通电压前，脉冲发生断路全反射．反射波与前沿后段迭
·８１２·
加形成高电压，并向Ｋｂ开关方向移动。

当输入脉冲前沿波形电压达到火花隙开关Ｋａ的导通电压时，Ｋａ导通．并在开关后的同轴线上形成快上升前沿。

稍后，向Ｋｂ开关方向移动的断路反射波到达Ｋｂ开关并达到导通电压，此对Ｋｂ导通，反射波发生短路全反射，从而在幅度反向后重新向Ｋａ开关方向传播。

它在通过Ｋａ后，导致下～段形成线上产生了反向波蜂。

同样，这种形式的形成线所彤成的脉冲也不太可能是矩形脉冲，其前后沿的陡度也要受到开关快慢的限制。

可以看到，形成脉冲的波形和两个火花隙开关的导通电压设置以及两个开关的间距Ｌ息息相关，对它们的调整可以得到不同的波形。

２、高气压火花隙开关
理想单周期ＵＷＢ脉冲的形成对形成线中的通断开关提出了很高的要求。

它应能够在需要的瞬间导通，并有陡的导通前沿。

在大功率纳秒脉冲发生器中，我们通常采用快速作用的高气压火花放电器作为开关。

一般的要求是开关导通时间为亚纳秒量级，耐压能力接近Ｍｖ，同时工作稳定可靠并具有１００Ｈｚ以上重复频率运行能力和较长的寿命。

在实验中，开关的导通电压按下式估算，并根据实验情况进行调节。

Ｕ＝［２４．５Ｐ４－６．７（翻“２】／ｆ式中，ｕ为开关电压（ＫＶ），Ｐ为气体压强（ａｒｍ），一一叫
Ｒ．ｕ＝１．１１５ｒ，厂＝孕·￡２磐，ｒ为开关电极半径（ｃｍ），ｄ为开关间距（ｃｍ）。

在文献［４］中提到了一种计算纳秒气体火花隙开关上升前沿的方法冲击脉冲·ｂｗ∥１｝
１０、％～９０％前沿时间由ｆ＝２．２（ｒ，＋ｆ。

）给出。

其中％＝二：二型Ｔ，式中Ｅ）ｂ电极间电场。

““－…－－Ｌ－Ｚ｝
（ｋｖ／ｃｍ），ｚ为形成线阻抗（Ｑ），形为气体密度参数。

而ｔＬ＝Ｌ／２Ｚ．其中．Ｌ为通道电感。

从上两式中我们可以看到，场强越高、通道电感越小．脉冲的前沿也越窄。

一种有效的方法是采用多通道开关，它能够大大降低通道电感。

然而．在实际运用中这是很困难的。

由于机械加工以及安装定位的精度问题，往往不能实现真正的多通道导通．开关仍然倾向于一点击穿，并导致非标准的电磁波，通道电感也会比想象中高。

在本文所讨论的单开关形成线中采用了锥形多通道开关，而在前后沿削波形成线中使用了环形电极，它们在一定程度上作到了多点导通．部分改善了波形状况。

三、实验基本原理及结果
同轴型啪脉冲形成线一般采用同轴结构的Ｔｅｓｌａ变压器作为输入功率源，形成线输出端接ＵＷＢ辐射天线．并要求其输出阻抗和天线输入阻抗匹配。

本文实验所采用的
Ｔｅｓｌａ变压器输出电压一２４０ＫＶ，输出电容一３０ｐＦ，具有重复运行在ｌＯＯＨｚ的能力。

图４实验电路示意图
实验的等效电路如图４所示。

图中ｃ１为Ｔｅｓｌａ变压器的输出负载电容．Ｌｌ为谐振
充电电感，Ｌ２为接地电感，脉冲压缩开关Ｋ１为自击穿高压气体开关ａ电感Ｌｌ后接同轴
·８１３·
型单周期脉冲形成线，同轴腔中均充有高压Ｎ：气（２０—６０ａｒｍ）。

工作时，Ｔｅｓｌａ变压器
给电容ｃ１充电到～定电压，开关Ｋ１导通，通过充电电感Ｌｌ给脉冲形成线充电。

‘形成线
电压达到一定值时，形成ｕｗＢ脉冲波，通过传输线输出高压脉冲。

以上介绍的两种单周期同轴ＵＷＢ脉冲形成线均已成功的运用于１００ＭＷ及ｌＯＷ超宽带脉冲辐射源。

两种脉冲形成线的工作物质均为２０。

６０ａｔｍ的Ｎ２。

在它们的外筒内壁上设计安装了电容分压器检测单周期脉冲充电
和高压气体开关的导通状况。

通过形成
线，可以形成脉宽约３ｎｓ，幅度约±１００ｋＶ
的单周期ＵＷＢ脉冲。

形成线输出端是一
段同轴传输线．在其外筒内壁上也安装了
电容分压器，以监视形成后输出的波形。

经过调整后，两种形成线所形成的ＵＷＢ
脉冲波形基本一致。

右图为ｌＯＷ超宽带源中脉冲形成线
所形成的典型的输出脉冲波形。

形成后输
出的单周期ＵＷＢ脉冲全底宽为５．５ｎｓ：
脉冲电压４－２８５ｋＶ，－－２４０ｋＶ：输出阻抗
５０９２。

图５输出脉冲波形
四、结论
通过理论分析和实验，证明了本文所述两种单周期ＵＷＢ脉冲形成线均可在充高压气体的情况下形成数百千伏的双极脉冲，其脉冲全宽度约几个ｎｓ，能在１００Ｈｚ重频下工作。

对这些同轴型脉冲形成线来说，还要注意到可能会引起脉冲畸变的因素。

其中包括１、高次型ＴＥ波和州波，引起脉冲畸变。

其临界频率ＴＥ波ｆｌ。

赤ＴＭ波为气＝面面Ｃ万·若在被形成脉冲的频谱里，有能与同轴线横截面尺寸相比较的波长，则在同轴线内将产生式中Ｃ为光速，Ｄ．ｄ分别为同轴线外导体和内导体直径。

２、连接点的结构及安装的不均匀性。

３、金属中的损耗、绝缘介质中的损耗和电离过程引起的损耗也将引起脉冲畸变。

要获得更理想的ＵＷＢ脉冲可采用改进开关电极结构、提高腔体气压以及研制更佳结构的多通道电感等方法．而对形成线结构的进一步研究仍是必要的。

参考文献：
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Ｖ０１．３１５８．０２７７—７８６Ｘ／９７，
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ｖ０１．１ｌ。

Ｎｏ．６，１９９９
４、Ｊ．Ｗ．Ｏｉｎｎ，Ｄ．Ｍｔｔｅｎｄｒｉｃｋｓｅｔａｌ，“ＮａｎｏｓｅｃｏｎｄｓｐａｒｋＧａｐＳｗｉｔｃｈｉｎｇ
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”ＣＨ２２６２—４／８６／００００—１６ｌ，１９８６，ＩＥＥＥ。