电容加载平板传输线型PFN理论与实验研究

　　在脉冲功率领域,脉冲形成线(PFL)和脉冲形成网络(PFN)是广泛应用的两种脉冲产生技术[1-6]。PFL输出脉冲宽度一般小于百ns,常见的变压器油线耐压较高,储能密度相对较低,而水线储能密度较高,绝缘性能较弱。PFN输出脉冲宽度一般大于百ns,集总参数元件储能密度较高,却对绝缘不利,通常只能工作在较低电压的情况下。从脉冲功率技术发展趋势来看,设备小型化是一个重要方向,近年来陶瓷电容器在耐压和储能密度等方面的进步使研制工作电压更高、储能密度更大的PFN成为可能。本文介绍了一种陶瓷电容器加载的双导体平板传输线型PFN,对其脉冲传输特性、串联输入阻抗和串联磁耦合等问题进行了探讨,应用此类PFN和Tesla变压器,研制了一种Tesla-PFN型脉冲功率源,对匹配负载输出电压超过300 kV,脉冲宽度110 ns,前沿小于10 ns,功率超过2 GW。

　　1　PFN的上限截止频率与阻抗

　　加载线型PFN是将若干集总电容跨接在双导体平板传输线的两个极板上,图1所示等效电路中考虑了电容器引线电感,在一个理想的模型中假定加载周期结构有无限多个,不考虑端部反射,此时可用滤波器理论分析其传播特性。

　　PFN输出脉冲前沿的陡峭程度与其作为低通滤波器时的通带上限截止频率紧密联系,根据滤波器理论[7],图1所示电路结构的第一个通带上限截止频率,也是对实际脉冲有意义的上限截止频率,近似为

式中:vp和Zc分别是无加载时,波沿平板线传播的相速度和波阻抗;d是加载周期;C和L分别是每周期加载电容量和电容引线电感。式(1)与其取近似的条件fc vp/2d是自洽的。式(1)表明,C和L越大,fc越小,适当减小d有利于提高fc,极端情况d=0时,fc=1/[2π(LC)1/2],fc仅由C和L决定。滤波器理论给出的加载线阻抗

式中:k=ω/vp,ω是入射正弦波角频率;y0=ωCZc/(1-ω2LC)为归一化导纳。式(2)表明通带内ZB随ω的升高单调降低,低频时ZB-ω曲线较高频时平坦,因此在设计加载线型PFN时应尽量提高fc,使脉冲频谱的中心频率靠近通带低频端,减小波形畸变。

　　2　串联PFN的输入阻抗

　　单级PFN串联可提高输出电压,但由此引入的分布参数使系统(包括PFN、传输线和负载等)处于阻抗失配状态。如果电压波从垂直串联PFN方向入射,且各级PFN的入射电压波相位差相等,则在脉冲入射的短暂(与脉冲宽度相比)时间里,不必考虑电压波在PFN另一端的反射,单级PFN阻抗为纯阻性,此时串联PFN的输入阻抗与可用损耗线阻抗近似,如图2所示,其中L0,C0和R0分别是单位长度分布电感、分布电容和分布电阻。

　　电压波从阻抗为Z0的均匀传输线进入阻抗为Zc损耗线,在损耗线两端多次反射,当衰减严重时,从均匀传输线向损耗线看过去的总反射系数Γs可用首次反射系数近似,Γs的模式中:tanθ是Zc的辐角正切;xc是Z0与Zc实部的比值。