50Ω輸出的四形成線納秒級(jí)高壓方波發(fā)生器設(shè)計(jì)

張 琦 石立華 邵志學(xué)

（解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

1.引 言

方波脈沖源是一種常用的電磁脈沖模擬實(shí)驗(yàn)裝置。由于方波信號(hào)既具有豐富的高頻成份，又含有直流等低頻成份，把方波作為注入源能夠獲得系統(tǒng)的寬頻率響應(yīng)。例如，利用方波這一特性，可以實(shí)現(xiàn)脈沖電流探頭、電阻分壓器、脈沖場(chǎng)探頭的時(shí)域校準(zhǔn)［1－2］。另外，人們也利用方波開(kāi)展器件的電磁脈沖注入響應(yīng)實(shí)驗(yàn)和設(shè)備系統(tǒng)的電磁脈沖抗擾度試驗(yàn)［3］。方波無(wú)論是應(yīng)用于測(cè)量還是應(yīng)用于校準(zhǔn)，都要求方波具有高電壓和較陡的前后沿。按照電壓等級(jí)分類，方波脈沖源可分為高壓發(fā)生器（≥10kV）和低壓發(fā)生器（≤10kV）。美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn) MILSTD－461E中定義了用于抗擾度測(cè)量的方波波形標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)在“CS115”（電纜注入脈沖激勵(lì)傳導(dǎo)敏感度）部分中提出了方波的前沿和后沿均要求小于2ns，脈寬不小于30ns.低電壓等級(jí)的方波發(fā)生器，可采用單形成線的實(shí)現(xiàn)方案［4－5］，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、輸出阻抗易與50Ω匹配；但電壓輸出效率低，僅為充電電壓的一半。

Blumlein線（雙形成線）方波成形機(jī)理由于比單成形線具有較高的輸出電壓［6－7］，在高電壓等級(jí)脈沖源中得到了廣泛應(yīng)用。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和New Mexico大學(xué)設(shè)計(jì)制作的高壓裝置輸出電壓達(dá)600kV，負(fù)載阻抗為5Ω［8］；國(guó)防科技大學(xué)制作的兩套高壓裝置輸出電壓分別為400kV和600kV，負(fù)載阻抗分別為5Ω和15Ω［9－10］。這些裝置達(dá)到了高電壓輸出的要求，但其輸出阻抗特殊。例如，以特征阻抗為50Ω的同軸電纜作為脈沖形成線，輸出阻抗為100Ω，在常見(jiàn)的50Ω測(cè)量系統(tǒng)中使用均不方便。

以Blumlein線理論為基礎(chǔ)，在不降低電壓輸出效率的前提下，解決了與50Ω端口的阻抗匹配問(wèn)題，并進(jìn)一步研究了影響電壓輸出的主要因素，提出了具體改進(jìn)措施。

2.四形成線方波成形電路設(shè)計(jì)、分析、實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用

2.1 四形成線方波成形電路設(shè)計(jì)

對(duì)比單形成線電路和雙形成線電路，它們都有其優(yōu)缺點(diǎn)。如何把二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，既在50Ω端口上輸出，又保持電壓輸出效率不降低，這一問(wèn)題值得深入研究。以特征阻抗50Ω的同軸電纜為例，既然要求輸出負(fù)載阻抗為50Ω，而同軸電纜構(gòu)造的雙形成線電路要求的匹配負(fù)載阻抗為100Ω，只需要特征阻抗為25Ω的同軸電纜就可以構(gòu)造輸出阻抗為50Ω的雙形成線電路。然而，這樣的思路不易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樘卣髯杩篂?5Ω的同軸電纜在市場(chǎng)上是不多見(jiàn)的?？紤]并聯(lián)兩根特征阻抗為50Ω的同軸電纜，得到特征阻抗為25Ω的雙同軸電纜，從而既具有單形成線電路50Ω端口輸出的優(yōu)點(diǎn)，又有雙形成線電路電壓輸出效率較高的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)這一思路，設(shè)計(jì)了四形成線方波成形電路，應(yīng)用Ansoft工程電磁場(chǎng)有限元分析軟件 Maxwell 2D／3D［11］的電路仿真模塊Schematic Capture，分析了四形成線方波成形機(jī)理，進(jìn)行的2kV低壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法是可行的，電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 四形成線方波成形電路

2.2 四形成線方波成形電路機(jī)理分析

指定雙同軸電纜1和雙同軸電纜2的兩端分別為A、B、C、D四個(gè)端口，如圖1所示。各個(gè)端口的芯線與芯線、屏蔽層與屏蔽層分別對(duì)應(yīng)并聯(lián)。每根同軸電纜的特征阻抗為50Ω.則雙同軸電纜1和2的特征阻抗Z1和Z2均為25Ω.負(fù)載阻抗RL為50 Ω.同軸電纜長(zhǎng)度L＝10m，電磁波在同軸電纜內(nèi)的傳播速度為v.

當(dāng)t≤0時(shí)，兩組雙同軸電纜上均充滿－UB電壓，線上電流為零。在t＝0時(shí)刻，合上開(kāi)關(guān)K，同軸電纜開(kāi)始對(duì)負(fù)載放電。

1）雙同軸電纜1始端短接以后，由于邊界條件改變，所產(chǎn)生的入射波電壓ui必為UB，以保證始端電壓為零，由A端向右（B端口方向）傳播，同時(shí)也產(chǎn)生入射波電流ii＝ui／Z1.此時(shí)，負(fù)載上尚不出現(xiàn)電壓。在t＝L／v時(shí)刻，入射波到達(dá)B端口負(fù)載RL.這時(shí)，負(fù)載RL和雙同軸電纜2的特性阻抗串聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成終端負(fù)載，由于Z1≠RL＋Z2，產(chǎn)生一部分反射波和一部分透射波［12］，且有

此透射波的一部分在RL上形成電壓降，另一部分進(jìn)入右邊雙同軸電纜2成為入射波.因此，負(fù)載RL和雙同軸電纜2特征阻抗Z2的分壓為

開(kāi)關(guān)閉合50ns后，B端口電壓波形和C端口的電壓波形如圖2、圖3所示。

端口電壓指雙同軸電纜屏蔽層和芯線之間的電壓。在50～100ns時(shí)間里，兩者的電位差即為負(fù)載的輸出電位。圖3也顯示出在50ns時(shí)刻，電壓變化的幅度即為透射波電壓幅值3kV.

2）在50ns時(shí)刻，產(chǎn)生的反射波u反在雙同軸電纜1中由B端口向左（A端口方向）傳播，而產(chǎn)生的透射波的一部分u′i成為雙同軸電纜2的入射波，

在雙同軸電纜2中由C端口向左（D端口方向）傳播。兩個(gè)波向左傳播的過(guò)程中，在負(fù)載上產(chǎn)生的壓降為＝ui＝UB.

3）當(dāng)100ns時(shí)，u反到達(dá)雙同軸電纜1的A端口，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)短路，反射系數(shù)為－1，u反反極性后，向右（B端口）傳播，成為第二次入射波（也是第二次反射波）。同時(shí)，雙同軸電纜2中u′i到達(dá)開(kāi)路終端（D端口），反射系數(shù)為1，極性不變，發(fā)生全反射，負(fù)載RL繼續(xù)保持電壓UB.

4）當(dāng)150ns時(shí)，雙同軸電纜1中的二次入射波到達(dá)B端口負(fù)載RL，此時(shí)雙同軸電纜2中的反射波也到達(dá)C端口負(fù)載，這兩個(gè)波大小相等，極性相反，由于Z1＝Z2，且均為25Ω，而RL＝Z1＋Z2，是混合匹配條件，在此時(shí)互相抵消，負(fù)載電壓電流均為零，波的傳遞過(guò)程結(jié)束。50Ω負(fù)載輸出的仿真波形如圖4所示。

圖4 四形成線50Ω負(fù)載輸出波形

2.3 四形成線方波成形電路實(shí)驗(yàn)

按圖1建立的實(shí)際電路采用的主放電開(kāi)關(guān)為真空開(kāi)關(guān)，如圖5所示。真空開(kāi)關(guān)有三個(gè)電極，其工作介質(zhì)是真空，管內(nèi)通常維持在1×10－4Pa以上的真空度，真空開(kāi)關(guān)的觸發(fā)脈沖在3～4kV之間。實(shí)際電路中，以電容放電電路觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)。

圖6為50Ω負(fù)載上獲得的輸出波形圖。高壓直流源輸出設(shè)定為2kV，四形成線電路輸出方波幅值約1.8kV.輸出方波脈寬約100ns，上升沿時(shí)間為12.591ns.為了比較四形成線電路與雙形成線電路對(duì)輸出方波波形的影響，也采用了類似方案制作了雙形成線方波發(fā)生裝置，圖7為雙形成線電路100Ω負(fù)載上獲得的方波波形，幅值約1.93kV，上升沿時(shí)間7.764ns.

由此可見(jiàn)，四形成線電路雖然在50Ω負(fù)載上實(shí)現(xiàn)了輸出，但由于其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電路雜散參數(shù)影響大，在脈沖前沿、電壓輸出效率等方面稍微劣于雙形成線電路。但通過(guò)改進(jìn)電路搭接工藝等措施是可以優(yōu)化的。另外，四形成線電路也增加了脈沖裝置的體積。脈寬100ns約需要脈沖形成線10m，總計(jì)需要40m的同軸電纜。但并聯(lián)同軸電纜引起的裝置總體積增加并不是很大，對(duì)于低壓脈沖裝置是可以接受的。

2.4 浪涌抑制器方波響應(yīng)特性實(shí)例

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)用性，延長(zhǎng)方波形成線的長(zhǎng)度，使其產(chǎn)生了約1μs的脈寬，對(duì)某型浪涌抑制器進(jìn)行方波注入試驗(yàn)，當(dāng)注入方波電壓為620V時(shí)，器件在260V電壓時(shí)開(kāi)始響應(yīng)，圖8給出了響應(yīng)電壓與電流波形。

圖8 某型浪涌抑制器方波注入響應(yīng)波形

3.開(kāi)關(guān)參數(shù)對(duì)輸出電壓的影響

由以上分析可知，四形成線電路方波成形機(jī)理的本質(zhì)是在輸出負(fù)載兩端波的往返傳播過(guò)程中產(chǎn)生了均勻的電位差。所以，該方法對(duì)電路根本的要求是保證輸出負(fù)載兩端的電路平衡。電路中任何不平衡的微小差異都會(huì)造成方波成形的劣化。這種電路可以通過(guò)優(yōu)選同軸電纜、精確匹配（包括輸出阻抗的匹配和同軸電纜之間的匹配），以及優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)、改進(jìn)電路搭接工藝，來(lái)達(dá)到電路平衡的目的，從而使得方波波形符合標(biāo)準(zhǔn)要求。與單形成線電路比較，單形成線電路的放電回路即為輸出回路，不存在電路平衡問(wèn)題；而四形成線電路的放電回路與輸出回路分屬于不同的電路，由于高壓放電開(kāi)關(guān)的接入，使其具有不可避免的不平衡性。所以，放電開(kāi)關(guān)對(duì)四形成線電路輸出的方波具有決定性影響，開(kāi)關(guān)的性能參數(shù)是決定方波指標(biāo)的主要因素。為此，采用Maxwell 2D／3D軟件，進(jìn)一步分析了開(kāi)關(guān)內(nèi)阻和電感對(duì)輸出波形的影響。

3.1 開(kāi)關(guān)內(nèi)阻對(duì)輸出波形的影響

方波電壓輸出回路的等效電路如圖9所示。方波幅值和開(kāi)關(guān)內(nèi)阻成近似線性關(guān)系，即

開(kāi)關(guān)內(nèi)阻越大，輸出電壓損失越嚴(yán)重。開(kāi)關(guān)內(nèi)阻和輸出電壓的關(guān)系曲線如圖10所示。尤其是四形成線電路，與雙形成線電路比較，由于輸出負(fù)載變小，開(kāi)關(guān)內(nèi)阻對(duì)方波輸出影響變大，如圖10所示。對(duì)于10kV低壓裝置，這類電壓輸出損失是相當(dāng)可觀的。因此，要盡量減小開(kāi)關(guān)內(nèi)阻，才能提高電壓輸出效率。對(duì)于四形成線電路，如果不考慮上升沿對(duì)開(kāi)關(guān)內(nèi)阻的要求，按照輸出效率95%計(jì)算，宜選取導(dǎo)通內(nèi)阻小于1.3Ω的開(kāi)關(guān)。

3.2 開(kāi)關(guān)電感對(duì)輸出電壓的影響

一般來(lái)說(shuō)，如果不考慮輸出回路雜散參數(shù)對(duì)方波上升沿的影響，方波上升沿時(shí)間主要由放電回路開(kāi)關(guān)的雜散參數(shù)決定，其中開(kāi)關(guān)電感是主要因素［13］。開(kāi)關(guān)雜散電感包括開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)電感及開(kāi)關(guān)與同軸電纜連接的結(jié)構(gòu)電感。開(kāi)關(guān)放電回路等效電路如圖11所示。

圖12是開(kāi)關(guān)電感L分別為2nH、20nH以及40nH時(shí)的輸出波形圖。隨著開(kāi)關(guān)電感增大，上升沿時(shí)間緩慢延長(zhǎng)，20nH時(shí)上升沿達(dá)到5ns?？梢?jiàn)，方波上升沿時(shí)間主要取決于開(kāi)關(guān)電感。如果要獲得較快的上升時(shí)間，必須使得開(kāi)關(guān)電感盡可能減小。按照設(shè)計(jì)指標(biāo)上升沿為2ns計(jì)算，開(kāi)關(guān)電感最大不能超過(guò)10nH.

4.結(jié) 論

方波輸出電壓幅值和其上升沿一樣，都是倍受關(guān)注的問(wèn)題。人們?cè)谔岣呙}沖前沿的同時(shí)，也越來(lái)越期望提高電壓輸出效率。本文基于Blumlein線方波成形機(jī)理，提出同軸電纜并聯(lián)方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法是可行的，在輸出阻抗50Ω的端口上測(cè)得了同充電電壓幅值相近的方波，并分析了影響方波輸出的兩個(gè)主要參數(shù)，提出了具體的改進(jìn)措施，對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)定型選取及波形優(yōu)化具有應(yīng)用價(jià)值。

［1］譚堅(jiān)文，石立華.脈沖電流探頭的時(shí)域標(biāo)定研究［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2006，18（2）：337－340.

TAN Jianwen，SHI Lihua.Time domain calibration of pulsed current probe［J］.High Power Laser and Particle Beams，2006，18（2）：337－340.（in Chinese）

［2］邵 哲，石立華，公聰聰.EMI測(cè)量中探頭失真的實(shí)時(shí)數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（9）：134－137.

SHAO Zhe，SHI Lihua，GONG Congcong.Numerical compensated technique of the current probe distortionin EMI Measuring［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（9）：134－137.（in Chinese）

［3］MIL－STD－461E：Requirements for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment［S］.1999.

［4］譚堅(jiān)文，石立華，李炎新，等.快前沿納秒高壓脈沖源的開(kāi)發(fā)及實(shí)驗(yàn)研究［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2004，16（11）：1434－1436.

TAN Jianwen，SHI Lihua，LI Yanxin，et al.Development and experimental research on the fast rise time EMP generator［J］.High Power Laser and Particle Beams，2004，16（11）：1434－1436.（in Chinese）

［5］毛志國(guó)，鄒曉兵，劉銳，等.一種10kV方波電壓發(fā)生器［J］.高電壓技術(shù).2007，33（10）：41－44.

MAO Zhiguo，ZOU Xiaobing，LIU Rui，et al.High voltage square wave generator［J］.High Voltage Engineering，2007，33（10）：41－44.（in Chinese）

［6］BLUHM H.Pulsed Power Systems：Principles and Application［M］.Verlag Berlin，Heidelberg：Springer，2006.

［7］劉錫三.高功率脈沖技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

LIU Xisan.High pulsed power technology［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2005.

［8］JOLER M，CHRISTODOULOU C G，SCHAMILOGLUE，et a1.Modeling of compact，portable transmission line for pulsed powerapplications［C］／／14th IEEE Int.Pulsed Power Conference，2003，253：256.

［9］歐陽(yáng)佳，劉永貴，劉金亮，等.折疊型平板Blumlein線的理論與實(shí)驗(yàn)研究［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2007，19（6）：1044－1048.

OUYANG Jia，LIU Yonggui，LIU Jinliang，et al.Theoretical and experim ental research of a folded parallel plates Blumlein line［J］.High Power Laser and Particle Beams，2007，19（6）：1044－1048.（in Chinese）

［10］歐陽(yáng)佳，劉永貴，劉金亮，等.折疊型平板Blumlein線的特征阻抗［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2007，19（11）：1931－1936.

OUYANG Jia，LIU Yonggui，LIU Jinliang，et al.Characteristic resistance of folded Blumlein line［J］.High Power Laser and Particle Beams，2007，19（11）：1931－1936.（in Chinese）

［11］劉國(guó)強(qiáng).Ansoft工程電磁場(chǎng)有限元分析［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

LIU Guoqiang.Ansoft－finite Analyzing of Electromagnetic Field in engineering［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2005.

［12］曾正中.實(shí)用脈沖功率技術(shù)引論［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

ZENG Zhengzhong.Introduction to practical pulse power technique［M］.Xi’an：Shaanxi Science and Technology Press，2003.

［13］馬連英，曾正中，費(fèi)國(guó)強(qiáng)，等.Blumlein型方波發(fā)生器中雜散參數(shù)對(duì)輸出方波的影響分析［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2002，22（2）：190－192.

MA Lianying，ZENG Zhengzhong，F(xiàn)EI Guoqiang，et al.Analysises of the effect of stray parameters on the output pulse of Blumlein type rectangular pulse generator［J］.Nuclear Electronics ＆ Detection Technoloy，2002，22（2）：190－192.（in Chinese）