4.1脉冲成形与传输线技术
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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3—30ns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
1.
2. 3.
R1=0, R2=0,
k
M 1 L1 L2
L2 L1 2 , C1 n 2C2 n L1 C2 V2 V1 V1 nV1 L2 C1
非理想情况
设计考虑的问题
• • • • 分布电容 电压分布不均匀 绝缘破坏 采用均压措施
高压绕组电压分布
s d 2t sV02 Pe KLs
损耗系数，－电导率，－导磁材料颗粒尺寸， d s－饱和磁导率， －导磁材料占用比。 K
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 降压 阻抗匹配 脉冲变换
双谐振脉冲变压器 (Tesla)
1. 理想情况
末端短路 及 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
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
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，不会引入较大的波形失真。
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。
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2πrk，高度为hk的 平板带状线，则特征阻抗为：
n 1 LsnC0 / 2 n 1
I n 1 Vmax C0 / 2 Lsn
脉冲压缩关系
时间、电流放大系数：
n I n 1 Lsn 1 G n 1 I n Lsn
脉冲压缩的几个约束条件
1. 2. 3.
Ln 1 Ln Cn C0
(saturated ) (for all n)
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=2l/V
Blumlein传输线
• 1、脉冲陡化 • 2、脉冲压缩
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
Blumlein line 等效电路
层叠型Blumlein Line
同轴型Blumlein
2Z0
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
Magnetic Pulse Compression Switch （MPCS）
充电电荷： 充电电压：
Q = IT = CE E=L*ΔI/ΔT ET = LI
（1） （2） （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
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
L n 百度文库 L n (unsaturat ed)
4. 饱和电感 L n 必须在Cn 充电到峰值时（ / 时）饱和； 5. 最后一级饱和感抗要远小于负载阻抗。
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106－cm，B~0.6-0.8Tesla） 2. 玻莫合金 （电阻率50－cm，B~1.7-3Tesla ） 3. 非晶态合金（金属玻璃） （电阻率150－cm，B~3Tesla ） 涡流损耗：
饱和电感量Ls与铁心参数之间的关系
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
I n Vmax C0 / 2 LSn1
n Lsn 1C0 / 2 n
Vmax Vn 1 (1 cosn 1t ) 2 1 n 1 , LsnC0 / 2
µr--相对磁导率
εr--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µr和εr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)在导体表面呈切线方向。E和H是互 相垂直的，它们的取向是坡印亭矢量(E×H) 沿传输线的轴向传输能量。
• • • • • 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3—30ns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
1.
2. 3.
R1=0, R2=0,
k
M 1 L1 L2
L2 L1 2 , C1 n 2C2 n L1 C2 V2 V1 V1 nV1 L2 C1
非理想情况
设计考虑的问题
• • • • 分布电容 电压分布不均匀 绝缘破坏 采用均压措施
高压绕组电压分布
s d 2t sV02 Pe KLs
损耗系数，－电导率，－导磁材料颗粒尺寸， d s－饱和磁导率， －导磁材料占用比。 K
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 降压 阻抗匹配 脉冲变换
双谐振脉冲变压器 (Tesla)
1. 理想情况
末端短路 及 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
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
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，不会引入较大的波形失真。
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。
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2πrk，高度为hk的 平板带状线，则特征阻抗为：
n 1 LsnC0 / 2 n 1
I n 1 Vmax C0 / 2 Lsn
脉冲压缩关系
时间、电流放大系数：
n I n 1 Lsn 1 G n 1 I n Lsn
脉冲压缩的几个约束条件
1. 2. 3.
Ln 1 Ln Cn C0
(saturated ) (for all n)
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=2l/V
Blumlein传输线
• 1、脉冲陡化 • 2、脉冲压缩
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
Blumlein line 等效电路
层叠型Blumlein Line
同轴型Blumlein
2Z0
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
Magnetic Pulse Compression Switch （MPCS）
充电电荷： 充电电压：
Q = IT = CE E=L*ΔI/ΔT ET = LI
（1） （2） （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
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
L n 百度文库 L n (unsaturat ed)
4. 饱和电感 L n 必须在Cn 充电到峰值时（ / 时）饱和； 5. 最后一级饱和感抗要远小于负载阻抗。
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106－cm，B~0.6-0.8Tesla） 2. 玻莫合金 （电阻率50－cm，B~1.7-3Tesla ） 3. 非晶态合金（金属玻璃） （电阻率150－cm，B~3Tesla ） 涡流损耗：
饱和电感量Ls与铁心参数之间的关系
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
I n Vmax C0 / 2 LSn1
n Lsn 1C0 / 2 n
Vmax Vn 1 (1 cosn 1t ) 2 1 n 1 , LsnC0 / 2
µr--相对磁导率
εr--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µr和εr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)在导体表面呈切线方向。E和H是互 相垂直的，它们的取向是坡印亭矢量(E×H) 沿传输线的轴向传输能量。