CN104639148A - 一种跨接脉冲高电压的同轴传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跨接脉冲高电压的同轴传输装置，其技术方案是包括外导体筒、内导体筒、馈电接口、输出接口、电感基板和同轴电缆；外导体筒上设有馈电接口，内导体筒上设有输出接口；电感基板套在内导体筒上；同轴电缆绕电感线圈于电感基板上，同轴电缆的一端与馈电接口连接，另一端与输出接口连接；同轴电缆两端的外屏蔽层分别与外导体筒和内导体筒接触；所述外导体筒的外壁上设有馈电电路，传输电路为绕在电感基板上的同轴电缆，内导体筒的内壁上设有输出电路。本发明在单一线路上实现高电压直流与低电压脉冲控制信号的馈入，传输与输出的问题，使跨接脉冲功率装置同轴结构内外导体之间的脉冲高电压区域不发生故障。

Description

一种跨接脉冲高电压的同轴传输装置

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种同轴传输装置，能够跨接于脉冲高电压之间，在单一线路上实现高电压直流与低电压脉冲信号的馈入、传输与输出。

背景技术

脉冲功率技术是一门研究在相对较长时间里储存能量，然后经过快速压缩、转换，最后释放给负载的新兴科学技术，研究的对象是：电压一般在10⁴～10⁷V，电流10³～10⁷安培，脉宽10^-5～10^-10秒，脉冲功率大于10⁶W的高功率脉冲的产生与应用。

在脉冲功率装置中，同轴型脉冲功率装置占绝大部分，高电压脉冲需要在同轴结构内外导体筒间传输，出于研究与应用需要，有时需要将一些高电压设备置于脉冲功率装置内导体筒内部，比如气体火花开关的触发器、激光器、吹气风扇等等，这些设备的供电及控制线路需要从脉冲功率装置外部穿越内外导体筒之间的高电压区域，进入脉冲功率装置内导体筒内部，这些线路的存在给高电压绝缘带来严重的安全隐患，造成脉冲功率装置与内置设备均不能正常工作，甚至发生损坏。需要设计一种能够跨接脉冲高电压的供电及控制信号传输装置。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：设计一种跨接脉冲高电压的同轴传输装置，解决信号传输线路安全穿越脉冲高电压区域的技术难题，同时能够在单一线路上实现高电压直流与低电压脉冲控制信号的传输，使得跨接在脉冲高电压区域的传输线路更为简单，绝缘可靠性更高。

本发明的技术方案是：设计一种跨接脉冲高电压的同轴传输装置，包括外导体筒4、内导体筒5、馈电接口6、输出接口7、电感基板8和同轴电缆9；外导体筒4上设有馈电接口6，内导体筒5上设有输出接口7；电感基板8为圆台状的空腔体，套在内导体筒5上，其上底面外径大于等于内导体筒5的外径，下底面小于等于外导体筒4内径；同轴电缆9绕电感线圈于电感基板8上，同轴电缆9的一端与馈电接口6连接，另一端与输出接口7连接；同轴电缆9两端的外屏蔽层分别与外导体筒4和内导体筒5接触；所述外导体筒4的外壁上设有馈电电路1，传输电路2为绕在电感基板8上的同轴电缆9，内导体筒5的内壁上设有输出电路3，且馈电电路1和输出电路3均由电阻R和电容C组成；所述外导体筒4的外壁上设有馈电电路1，传输电路2为绕在电感基板8上的同轴电缆9，内导体筒5的内壁上设有输出电路3，且馈电电路1和输出电路3均有电阻R和耦合电容C组成，传输电路2的两端分别为输入端和输出端，输入端即馈电接口6，输出端即输出接口7；高压直流电源串联一个电阻R后接入传输电路2的输入端；低压脉冲信号源串联一个电容C后接入传输电路2的输入端；传输电路2的输出端串联一个电阻R后接入外部用电设备电源端，传输电路2的输出端串联一个耦合电容C后接入外部用电设备的控制端；其中电容C的容量满足且耐电压值大于传入馈电电路1的直流电压值；电阻R的阻值满足且耐电压值应大于传入馈电电路1的直流电压值,ω为脉冲信号角频率。

本发明的工作原理为：设计一种跨接脉冲高电压的同轴传输装置，包括馈电电路、传输电路和输出电路。馈电电路位于脉冲功率装置同轴结构外导体筒外部，低压脉冲信号通过电容C进入传输线路，并且因电阻R的高阻作用无法进入高压直流电源，高压直流电通过电阻R引入传输线路，并且因电容C的隔直作用无法进入低压脉冲信号源，馈电电路的设计使得高压直流和低压脉冲两种信号进入同一线路传输；传输电路位于脉冲功率装置同轴结构内外导体筒之间的脉冲高电压区域，使用同轴电缆绕制成锥形螺线管形式，同轴电缆外屏蔽层构成电感线圈，两端与内外导体筒接触，实现内外导体筒之间脉冲高电压的隔离，同轴电缆完成传输高压直流电与低压脉冲控制信号的作用，使得同轴传输装置与脉冲功率装置高电压脉冲输出互相不影响。输出电路位于脉冲功率装置同轴结构内导体筒内侧，低压脉冲控制信号因电阻R的高阻作用无法进入用电设备电源端，仅经电容C从传输线路引出进入用电设备控制端，高压直流电因电容C的隔直作用无法进入用电设备控制端，仅经电阻R从传输线路引出进入用电设备电源端，其中电容C与电阻R的选取方法与馈电电路相同。输出电路的设计使得高压直流和低压脉冲两种信号分别从同一线路引出进入不同设备。

发明效果

本发明的技术效果在于：

(1)解决了信号传输装置穿越脉冲高电压区域的技术问题，使得同轴传输装置与脉冲功率装置高电压脉冲传输互相不影响。

(2)能够在单一线路上实现高电压直流与低电压脉冲控制信号的馈入、传输与输出，使得跨接在脉冲高电压区域的传输线路结构更简单，绝缘可靠性更高。

附图说明

图1为本发明的电路结构图

图2为本发明中传输电路的剖面视图

附图标记说明：1-馈电电路；2-传输电路；3-输出电路；4-外导体筒；5-内导体筒；6-馈电接口；7-输出接口；8-电感基板，9-同轴电缆。

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本发明技术方案进一步说明。

1.参见图1—图2，本发明的跨接脉冲高电压的同轴传输装置电路结构，包括馈电电路1、传输电路2和输出电路3。馈电电路1位于同轴型脉冲功率装置外导体筒外部，低压脉冲信号通过电容C进入传输线路2，并且因电阻R的高阻作用无法进入高压直流电源，高压直流电通过电阻R引入传输线路，并且因电容C的隔直作用无法进入低压脉冲信号源；电容C的容值满足且耐电压值大于传入馈电电路的直流电压；电阻R的阻值满足且耐电压值应大于传入馈电电路1的直流电压,ω为脉冲信号角频率。本实施例中，低压脉冲信号角频率为10MHz，则电容C应大于0.1μF，选择电容C为0.2μF，电阻R应大于100Ω，选择为200Ω。

本实施例中，内外导体筒采用金属材料制成，传输电路2位于脉冲功率装置同轴结构内外导体筒之间的脉冲高电压区域，使用同轴电缆9绕制成锥形螺线管电感线圈形式，在满足传输信号的同时实现内外导体筒之间脉冲高电压的隔离，同轴电缆耐高电压值大于需传输直流电压。

传输电路2的具体实施步骤为：外导体筒4上设有同轴型馈电接口6，内导体筒5上设有同轴型输出接口7；电感基板8为绝缘材料制作的圆台状的薄壳体，套在内导体筒5上，其中一端面的内径等于内导体筒5的外径，另一端面的外径等于外导体筒4内径；使用同轴电缆9绕制电感线圈于电感基板8上并逐匝固定，同轴电缆9一端的接口与同轴型馈电接口5连接，另一端的接口与同轴型输出接口7连接，同轴电缆9两端的外屏蔽层分别与外导体筒4和内导体筒5良好接触；所述外导体筒4外侧设有馈电电路1，所述内导体筒5内侧设有输出电路3。

根据脉冲功率装置同轴结构的特征阻抗Z和所传输高电压脉冲的脉冲宽度T，确定由同轴电缆绕制的电感线圈电感值L：

$L=\frac{100Z\×T}{\mathrm{\π}}$

在本实施例中，高电压脉冲的宽度T＝25ns，同轴结构特征阻抗Z＝40Ω(外导体筒内径600毫米，内导体筒外径200毫米)，按照因电感线圈引入而带来的能量损耗为总传输能量的1％设计，设计电感值约为32μH。

根据电感值L计算电感线圈的匝数：

$n\≈\frac{5}{a+b}\sqrt{\frac{\mathrm{Ld}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0}}$

其中μ₀为真空磁导率，π是圆周率，b是电感线圈最大端直径，与外导体筒的内径相等；a是电感线圈最小端直径，与内导体筒的外径相等；d是电感线圈轴向长度；

在本实施例中，设计电感线圈电感值L为32μH，外导体筒内径a为600毫米，内导体筒外径b为200毫米，电感线圈轴向长度d为300mm，计算得到电感线圈匝数n为10匝。

输出电路3位于脉冲功率装置同轴结构内导体筒5内侧，低压脉冲控制信号因电阻R的高阻作用仅经电容C从传输电路2的输出接口7引出进入用电设备控制端，高压直流因电容C的隔直作用仅经电阻R从传输电路2的输出接口7引出进入用电设备电源端，其中电容C与电阻R的选取方法与馈电电路1相同。

Claims (1)

1.一种跨接脉冲高电压的同轴传输装置，其特征在于，包括外导体筒(4)、内导体筒(5)、馈电接口(6)、输出接口(7)、电感基板(8)和同轴电缆(9)；外导体筒(4)上设有馈电接口(6)，内导体筒(5)上设有输出接口(7)；电感基板(8)为圆台状的空腔体，套在内导体筒(5)上，其上底面外径大于内导体筒(5)的外径，下底面小于等于外导体筒(4)内径；同轴电缆(9)绕电感线圈于电感基板(8)上，同轴电缆(9)的一端与馈电接口(6)连接，另一端与输出接口(7)连接；同轴电缆(9)两端的外屏蔽层分别与外导体筒(4)和内导体筒(5)接触；所述外导体筒(4)的外壁上设有馈电电路(1)，传输电路(2)为绕在电感基板(8)上的同轴电缆(9)，内导体筒(5)的内壁上设有输出电路(3)，且馈电电路(1)和输出电路(3)均由电阻R和电容C组成；所述外导体筒(4)的外壁上设有馈电电路(1)，传输电路(2)为绕在电感基板(8)上的同轴电缆(9)，内导体筒(5)的内壁上设有输出电路(3)，且馈电电路(1)和输出电路(3)均有电阻R和耦合电容C组成，传输电路(2)的两端分别为输入端和输出端，输入端即馈电接口(6)，输出端即输出接口(7)；高压直流电源串联一个电阻R后接入传输电路(2)的输入端；低压脉冲信号源串联一个电容C后接入传输电路(2)的输入端；传输电路(2)的输出端串联一个电阻R后接入外部用电设备电源端，传输电路(2)的输出端串联一个耦合电容C后接入外部用电设备的控制端；其中电容C满足且耐电压值大于传入馈电电路的直流电压；电阻R的阻值满足且耐电压值应大于传入馈电电路(1)的直流电压值,ω为脉冲信号角频率。