50Ω輸出的四形成線納秒級高壓方波發生器設計

張 琦 石立華 邵志學

（解放軍理工大學工程兵工程學院，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驗裝置。由于方波信號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的寬頻率響應。例如，利用方波這一特性，可以實現脈沖電流探頭、電阻分壓器、脈沖場探頭的時域校準［1－2］。另外，人們也利用方波開展器件的電磁脈沖注入響應實驗和設備系統的電磁脈沖抗擾度試驗［3］。方波無論是應用于測量還是應用于校準，都要求方波具有高電壓和較陡的前后沿。按照電壓等級分類，方波脈沖源可分為高壓發生器（≥10kV）和低壓發生器（≤10kV）。美國軍用標準 MILSTD－461E中定義了用于抗擾度測量的方波波形標準。該標準在“CS115”（電纜注入脈沖激勵傳導敏感度）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.低電壓等級的方波發生器，可采用單形成線的實現方案［4－5］，其特點是結構簡單、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］，在高電壓等級脈沖源中得到了廣泛應用。美國Sandia國家實驗室和New Mexico大學設計制作的高壓裝置輸出電壓達600kV，負載阻抗為5Ω［8］；國防科技大學制作的兩套高壓裝置輸出電壓分別為400kV和600kV，負載阻抗分別為5Ω和15Ω［9－10］。這些裝置達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，在常見的50Ω測量系統中使用均不方便。

以Blumlein線理論為基礎，在不降低電壓輸出效率的前提下，解決了與50Ω端口的阻抗匹配問題，并進一步研究了影響電壓輸出的主要因素，提出了具體改進措施。

2.四形成線方波成形電路設計、分析、實驗及應用

2.1 四形成線方波成形電路設計

對比單形成線電路和雙形成線電路，它們都有其優缺點。如何把二者的優點結合，既在50Ω端口上輸出，又保持電壓輸出效率不降低，這一問題值得深入研究。以特征阻抗50Ω的同軸電纜為例，既然要求輸出負載阻抗為50Ω，而同軸電纜構造的雙形成線電路要求的匹配負載阻抗為100Ω，只需要特征阻抗為25Ω的同軸電纜就可以構造輸出阻抗為50Ω的雙形成線電路。然而，這樣的思路不易實現，因為特征阻抗為25Ω的同軸電纜在市場上是不多見的。考慮并聯兩根特征阻抗為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端口輸出的優點，又有雙形成線電路電壓輸出效率較高的優點。根據這一思路，設計了四形成線方波成形電路，應用Ansoft工程電磁場有限元分析軟件 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理，進行的2kV低壓實驗驗證該方法是可行的，電路設計如圖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四個端口，如圖1所示。各個端口的芯線與芯線、屏蔽層與屏蔽層分別對應并聯。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.負載阻抗RL為50 Ω.同軸電纜長度L＝10m，電磁波在同軸電纜內的傳播速度為v.

當t≤0時，兩組雙同軸電纜上均充滿－UB電壓，線上電流為零。在t＝0時刻，合上開關K，同軸電纜開始對負載放電。

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，同時也產生入射波電流ii＝ui／Z1.此時，負載上尚不出現電壓。在t＝L／v時刻，入射波到達B端口負載RL.這時，負載RL和雙同軸電纜2的特性阻抗串聯起來，構成終端負載，由于Z1≠RL＋Z2，產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，另一部分進入右邊雙同軸電纜2成為入射波.因此，負載RL和雙同軸電纜2特征阻抗Z2的分壓為

開關閉合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時間里，兩者的電位差即為負載的輸出電位。圖3也顯示出在50ns時刻，電壓變化的幅度即為透射波電壓幅值3kV.

2）在50ns時刻，產生的反射波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。兩個波向左傳播的過程中，在負載上產生的壓降為＝ui＝UB.

3）當100ns時，u反到達雙同軸電纜1的A端口，因為開關短路，反射系數為－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，雙同軸電纜2中u′i到達開路終端（D端口），反射系數為1，極性不變，發生全反射，負載RL繼續保持電壓UB.

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

圖4 四形成線50Ω負載輸出波形

2.3 四形成線方波成形電路實驗

按圖1建立的實際電路采用的主放電開關為真空開關，如圖5所示。真空開關有三個電極，其工作介質是真空，管內通常維持在1×10－4Pa以上的真空度，真空開關的觸發脈沖在3～4kV之間。實際電路中，以電容放電電路觸發真空開關。

圖6為50Ω負載上獲得的輸出波形圖。高壓直流源輸出設定為2kV，四形成線電路輸出方波幅值約1.8kV.輸出方波脈寬約100ns，上升沿時間為12.591ns.為了比較四形成線電路與雙形成線電路對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生裝置，圖7為雙形成線電路100Ω負載上獲得的方波波形，幅值約1.93kV，上升沿時間7.764ns.

由此可見，四形成線電路雖然在50Ω負載上實現了輸出，但由于其電路結構復雜，電路雜散參數影響大，在脈沖前沿、電壓輸出效率等方面稍微劣于雙形成線電路。但通過改進電路搭接工藝等措施是可以優化的。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，總計需要40m的同軸電纜。但并聯同軸電纜引起的裝置總體積增加并不是很大，對于低壓脈沖裝置是可以接受的。

2.4 浪涌抑制器方波響應特性實例

為了驗證實驗裝置的實用性，延長方波形成線的長度，使其產生了約1μs的脈寬，對某型浪涌抑制器進行方波注入試驗，當注入方波電壓為620V時，器件在260V電壓時開始響應，圖8給出了響應電壓與電流波形。

圖8 某型浪涌抑制器方波注入響應波形

3.開關參數對輸出電壓的影響

由以上分析可知，四形成線電路方波成形機理的本質是在輸出負載兩端波的往返傳播過程中產生了均勻的電位差。所以，該方法對電路根本的要求是保證輸出負載兩端的電路平衡。電路中任何不平衡的微小差異都會造成方波成形的劣化。這種電路可以通過優選同軸電纜、精確匹配（包括輸出阻抗的匹配和同軸電纜之間的匹配），以及優化電路結構、改進電路搭接工藝，來達到電路平衡的目的，從而使得方波波形符合標準要求。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，由于高壓放電開關的接入，使其具有不可避免的不平衡性。所以，放電開關對四形成線電路輸出的方波具有決定性影響，開關的性能參數是決定方波指標的主要因素。為此，采用Maxwell 2D／3D軟件，進一步分析了開關內阻和電感對輸出波形的影響。

3.1 開關內阻對輸出波形的影響

方波電壓輸出回路的等效電路如圖9所示。方波幅值和開關內阻成近似線性關系，即

開關內阻越大，輸出電壓損失越嚴重。開關內阻和輸出電壓的關系曲線如圖10所示。尤其是四形成線電路，與雙形成線電路比較，由于輸出負載變小，開關內阻對方波輸出影響變大，如圖10所示。對于10kV低壓裝置，這類電壓輸出損失是相當可觀的。因此，要盡量減小開關內阻，才能提高電壓輸出效率。對于四形成線電路，如果不考慮上升沿對開關內阻的要求，按照輸出效率95%計算，宜選取導通內阻小于1.3Ω的開關。

3.2 開關電感對輸出電壓的影響

一般來說，如果不考慮輸出回路雜散參數對方波上升沿的影響，方波上升沿時間主要由放電回路開關的雜散參數決定，其中開關電感是主要因素［13］。開關雜散電感包括開關結構電感及開關與同軸電纜連接的結構電感。開關放電回路等效電路如圖11所示。

圖12是開關電感L分別為2nH、20nH以及40nH時的輸出波形圖。隨著開關電感增大，上升沿時間緩慢延長，20nH時上升沿達到5ns。可見，方波上升沿時間主要取決于開關電感。如果要獲得較快的上升時間，必須使得開關電感盡可能減小。按照設計指標上升沿為2ns計算，開關電感最大不能超過10nH.

4.結 論

方波輸出電壓幅值和其上升沿一樣，都是倍受關注的問題。人們在提高脈沖前沿的同時，也越來越期望提高電壓輸出效率。本文基于Blumlein線方波成形機理，提出同軸電纜并聯方法，實驗驗證該方法是可行的，在輸出阻抗50Ω的端口上測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主要參數，提出了具體的改進措施，對于高壓開關定型選取及波形優化具有應用價值。

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