脉冲形成网络的设计与实验研究

　　在窄带高功率微波中要求脉冲功率源输出的脉冲具有一定的脉冲宽度。目前,高功率脉冲的产生主要有两种方法,即分布电参数(分布电感和分布电容)的脉冲形成线(PFL)[1]和集中电参数(集中电感和集中电容)的脉冲形成网络(PFN)[2-3]。一般来说,脉冲形成线主要用来产生100 ns以下的短脉冲,这是因为PFL以变压器油[4]、去离子水[5]等液体材料作为储能介质时,液体材料的介电常数相对较小,因此单位长度形成的脉冲宽度也相对较小,如变压器油为10 ns/m,去离子水为60 ns/m。这样,当要求产生长脉冲时,脉冲形成线的长度将变得较长。另外也有不少学者将脉冲形成线设计成Blumlein型[1-5],通过增加单位长度电感来增加单位长度输出的脉冲宽度,但同时也增加了脉冲形成线的波阻抗。直接采用高储能密度的陶瓷材料作脉冲形成线的储能介质以实现脉冲形成线形成长脉冲,则由于大尺寸陶瓷的烧制还存在着较大的技术障碍,目前难以制成符合要求的高压脉冲形成线[6]。分布参数的脉冲形成线在形成长脉冲方面存在一定的局限性,与此相反,脉冲形成网络在形成较短脉冲时也有一定局限性[7-8],它主要用于产生500 ns以上的脉宽,这是因为在形成短脉冲时,脉冲形成网络的设计会遇到节间电感制作困难以及对薄膜电容器的内部电感要求苛刻等一系列工程技术难题,使得形成的波形质量较差。

　　为此我们提出了利用高介电常数的陶瓷无感电容器代替传统PFN设计中使用的薄膜电容器,使用金属板(或金属条)形成的均匀分布电感代替集中参数电感,以有效地克服脉冲形成线在形成长脉冲时的局限性,以及脉冲形成网络在形成短脉冲时的局限性。基于无感陶瓷电容器的脉冲形成网络,可以很容易地输出Ω量级,甚至是亚Ω量级的百ns的中短脉冲,且输出波形质量好。

　　1　混合型脉冲形成模块理论分析及其电路模拟

　　若把一段均匀传输线分成n个依次连接的长度相等的小部分,而把每段的分布电感的总和用集中参数电感L代替,每部分的分布电容的总和用集中参数电容器C代替,就可以得到等电感等电容脉冲形成网络。表征等电感等电容脉冲形成网络的参量主要有特征阻抗ρ,脉宽τ[9],表示为

式中:L表示节间电感;C表示每节电容的容值;n表示节数。

　　在高功率微秒脉冲设备中普遍采用脉冲形成网络产生高压脉冲,其主要原因是节间电感L较大,因此对电容器内感的要求不高。但对于百ns、低阻抗脉冲,此时脉冲形成网络的节间电感L与常用的薄膜电容器的内感相当,电容器的内感对输出波形的质量有着明显的影响,因此在高功率纳秒脉冲设备中,要利用脉冲形成网络技术输出波形质量好的脉冲,首先要减小电容器的内感。目前,国内生产的工作电压为数十kV的薄膜电容器的内感已经有了明显的改善,但受限于结构以及工艺,一般仍在10 nH以上。