高功率脈沖技術領域的變阻抗傳輸線研究

提出了一種變阻抗傳輸線電路模擬的分段方法–等阻抗分段法。相對于通常使用的等長度分段法，等阻抗分段法所需的分段數(shù)減少并且收斂速度加快。通過電路模擬，發(fā)現(xiàn)指數(shù)線的功率傳遞效率高于高斯線，并基于傅立葉頻譜分析和變阻抗傳輸線的高通特性，對此結果進行了解釋?；诙喽渭壜?lián)變阻抗線電路模型，推導了適用于任意線型變阻抗線輸出電壓的解析解，其結果和Pspice電路模擬的結果完全一致。對該解析解進行數(shù)學推導，從數(shù)學上證實了變阻抗線的首達波特性、脈沖壓縮特性和高通特性。對指數(shù)型、高斯型、線性線和雙曲線等變阻抗整體徑向傳輸線(monolithoic radial transmission line: MRTL)進行了三維電磁場數(shù)值模擬，結果表明指數(shù)線的功率傳輸效率是最高的。但是，不論何種線型，電磁場模擬得到的功率傳輸效率比電路模擬得到的至少低15%，這說明電路模擬的基礎假設（電磁波以準TEM模傳播）是不正確的。另外，研究了驅(qū)動源數(shù)目、首末端阻抗、變阻抗線型、開孔等對MRTL功率傳輸效率的影響。若綜合考慮功率傳輸效率和實際加工安裝，雙曲線型MRTL是最佳選擇。設計和研制了MRTL的縮比實驗模型。利用脈沖形成線技術和匹配電阻網(wǎng)絡分路器，產(chǎn)生20路方波脈沖（30V、10ns），同時從外圓周驅(qū)動雙曲線型的MRTL，從MRTL圓心處向匹配負載輸出脈沖電壓。基于上述MRTL的縮比實驗模型，進行了MRTL縮比實驗。實驗得到的輸出電壓波形和三維電磁場數(shù)值模擬得到的電壓波形完全重合，說明三維電磁場數(shù)值模擬結果是正確的。當輸入電壓為方波時，輸出電壓明顯畸變，基于變阻抗線的高通特性對此畸變進行了解釋。實驗研究了多路輸入故障模式（某些路短路或開路、各路注入時間分散性）對輸出電壓的影響。 2100433B

隨著脈沖功率系統(tǒng)功率的不斷增大，人們通常采用徑向變阻抗傳輸線將多臺脈沖加速器的功率匯聚到負載上，并達到阻抗變換的目的。以往對變阻抗傳輸線的研究主要集中在微波通訊領域，其研究結果幾乎都是在連續(xù)正弦波的基礎上分析得到的，尚不清楚這些結果能否適用于脈沖功率系統(tǒng)中的變阻抗傳輸線。針對這個問題，本項目擬對單脈沖波形驅(qū)動下的變阻抗傳輸線進行理論分析、電路模擬、電磁場模擬和縮比實驗，著重關注徑向變阻抗傳輸線的功率傳遞效率及優(yōu)化方法，研究影響功率傳遞效率的主要因素，比較不同線型的變阻抗傳輸線的傳輸特性并分析其差異的原因。這些研究工作將有助于了解單脈沖波形條件下變阻抗傳輸線的功率傳輸特性，有助于將現(xiàn)有的變阻抗傳輸線理論拓展到脈沖功率技術領域，促進脈沖功率技術的發(fā)展。

脈沖功率技術指的是將低功率（電壓、電流）能量儲存在電場或磁場中，通過脈沖形成線和開關技術將其在時間尺度上壓縮，而將電壓、電流提高，以獲得極短脈沖的高峰值功率電磁能量并釋放到負載上去的一種能量壓縮技術。由此可見，脈沖功率裝置應該主要包括3大基本部分：低功率下的儲能部分——初級能源；脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)，即由低功率獲得高功率的變換部分——脈沖形成及壓縮系統(tǒng)；高功率負載——二極管系統(tǒng)。

脈沖功率裝置是相對論電子注器件不可分割的組成部分，它的性能直接影響著器件的輸出參數(shù)。

馬克斯發(fā)生器——脈沖形成線——二極管組合是一種最典型、使用最廣泛的脈沖功率裝置；采用直線脈沖變壓器或Tesla變壓器都可以替代馬克斯發(fā)生器產(chǎn)生初級高壓脈沖對脈沖形成線充電。直線脈沖變壓器的特點是電容器組的充電和放電過程都是并聯(lián)的，利用變壓比為1:1的脈沖變壓器使次級電壓因感應電壓疊加原理而與初級線圈電壓成N倍（N為初級線圈的個數(shù)）增長；Telsa變壓器簡單可靠，特別是它與同軸形成線在結構上一體化，十分緊湊，它還適合于重復頻率運行，但它難以獲得數(shù)兆伏電壓和大的儲能，因此適合中、小功率應用。

爆炸磁壓縮脈沖功率系統(tǒng)也是高功率微波中得到重要應用的一種高功率脈沖源，它可以在us量級的時間內(nèi)輸出MJ量級的能量。其最主要的缺點是只能一次性使用。

1、由單次脈沖向重復的高平均功率脈沖發(fā)展。

過去脈沖功率技術主要為國防科研服務，并且大多是單次運行，而工業(yè)、民用的脈沖功率技術要求一定的平均功率，必須重復頻率工作。

2、儲能技術--研制高儲能密度的電源。

在很多應用場合下，脈沖功率系統(tǒng)的體積和重量的大小是決定性因素，如飛機探測水下物體技術、艦載電磁炮等，都要求產(chǎn)生很大的脈沖功率，而且系統(tǒng)又不能過于龐大和笨重。

3、開關技術--探討新的大功率開關和研制高重復頻率開關。

開關元件的參數(shù)直接影響整個脈沖功率系統(tǒng)的性能，是脈沖功率技術中一個重要的關鍵技術。具有耐高電壓強電流、擊穿時延短且分散性小、電感和電阻小、電極燒毀少以及能在重復的脈沖下穩(wěn)定工作的各種類型開關元件的研制，是當前國內(nèi)外脈沖功率技術中又一個十分受重視的研究課題。

4、積極開辟新的應用領域。

近年來，脈沖功率技術在半導體、集成電路、化工、環(huán)境工程、醫(yī)療等領域的應用研究，已引起各界的廣泛重視，而且在某些應用研究中，已取得了可喜的進展。憑借成功應用的經(jīng)驗，脈沖功率技術將更多地應用于民用技術方面，民用是一個巨大的市場，而市場的推動又必將給脈沖功率技術的發(fā)展帶來新的生機。脈沖功率技術是現(xiàn)代電力電子技術中的一項重要內(nèi)容，作為非平衡態(tài)等離子體中的重要方式，近年來逐漸被廣泛應用于環(huán)境工程領域內(nèi)，在處理環(huán)境污染的過程中，其具備高效、節(jié)能、清潔且便捷等優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景。