CN105577151B - 一种矩形脉冲发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矩形脉冲发生器，包括：矩形脉冲形成线T1、脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3，所述矩形脉冲形成线T1的外皮上一端连接到脉冲功率合成传输线T2的内芯，另一端连接到脉冲功率合成传输线T3的内芯，所述脉冲功率合成传输线T2另一端的内芯连接到所述脉冲功率合成传输线T3另一端的外皮，所述脉冲功率合成传输线T3与脉冲功率合成传输线T2连接一端的内芯连接输出负载；本发明提升了现有窄脉宽矩形脉冲发生器的性能，简单的线路结构提高了发生器的可靠性。可广泛应用于微细电化学加工、电火花加工等精细化加工、超辐射及激光器驱动系统等领域要求。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲产生技术领域，尤其是涉及一种矩形脉冲发生器。
背景技术
矩形纳秒脉冲是指输出波形持续时间为纳秒且具有平顶的电磁信号。矩形纳秒脉冲的特性由脉冲前后沿时间、脉冲半高宽、矩形度、脉冲重复频率等参数表征。随着微细电化学加工、电火花加工等精细化加工、超辐射及激光器的发展，脉冲矩形纳秒脉冲涌现出大量的应用需求，且朝着高重频、窄脉宽方向发展。矩形脉冲可以通过脉冲形成网络（PFN）或者传输线产生矩形脉冲，但是要产生几十纳秒宽带以下的矩形脉冲，FPN难于胜任。因此，国内外大多采用传输线来产生纳秒级的矩形脉冲。经过多年发展，国内外传输线产生纳秒矩形脉冲发展为两类，一类为传输线类，根据传输线末端连接方式，主要分为2种方式。一为传输线末端自行断开，如单线的一端断路结构，双线的blumlein线的一根线末端短路或者断路结构；二为传输线末端用电路断开，以解决末端自行断开时的波形后沿拖尾问题。这两种方式产生的矩形波形在效率、分布参数控制及结构上三者很难达到一个较好值。对于单线来说，在同样供电下，输出电压功率低于双线；而双线则因结构方式使得分布参数控制较难，脉冲越窄波形特性越差；对电路断开来说，因为要增加一组开关，同时需要复杂的匹配线路，因此系统结构复杂。为此，为了提高脉冲的输出质量及可靠性，各国都在极力研发新型的脉冲发生线路。在矩形纳秒脉冲的线路及开关研究方面，美国、俄罗斯、日本及欧洲国家做得较为深入。
发明内容
本发明的目的是提供一种几十纳秒宽带以下矩形纳秒脉冲发生器，提升现有窄脉宽矩形脉冲发生器的性能，提高了发生器的可靠性。可广泛应用于微细电化学加工、电火花加工等精细化加工、超辐射及激光器驱动系统等领域要求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种矩形脉冲发生器，包括：矩形脉冲形成线T1、脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3，所述矩形脉冲形成线T1、脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3均包括内芯和缠绕在内芯表面的外皮；
所述矩形脉冲形成线T1内芯两端连接到开关K的同一端，开关K的另一端连接到地电位，矩形脉冲形成线T1一端的内芯连接到充电电源，
所述矩形脉冲形成线T1的外皮上一端连接到脉冲功率合成传输线T2的内芯，另一端连接到脉冲功率合成传输线T3的内芯，
所述脉冲功率合成传输线T2另一端的内芯连接到所述脉冲功率合成传输线T3另一端的外皮，
所述脉冲功率合成传输线T3与脉冲功率合成传输线T2连接一端的内芯连接输出负载，
所述一脉冲功率合成传输线、脉冲功率合成传输线的外皮均连接到地电位。
在上述技术方案中，所述脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3的长度、阻抗相等。
在上述技术方案中，所述脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3的长度大于矩形脉冲形成线T1的长度。
在上述技术方案中，所述脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3外皮上的地电位与开关K的地电位为等电位点焊接于同一点。
在上述技术方案中，所述矩形脉冲形成线T1与充电电源之间连接有限流隔离电阻。
一种矩形脉冲发生器产生脉冲的方法，
通过充电电源给矩形脉冲形成线T1进行充电，然后断开开关K，
在矩形脉冲形成线T1的两端的外皮上产生两个相同的矩形纳秒脉冲，
两个脉冲同时馈入到脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3的内芯，通过在脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3上的传输，在脉冲功率合成传输线（T3）的另一端内芯上实现脉冲功率的合成并输出。
在上述技术方案中，所述矩形纳秒脉冲的宽度由矩形脉冲形成线T1的长度决定。
在上述技术方案中，所述矩形纳秒脉冲的宽度的宽度值为矩形脉冲形成线T1的延迟时间。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：提供几十纳秒宽带以下矩形纳秒脉冲的实现方式，提升了现有窄脉宽矩形脉冲发生器的性能，简单的线路结构提高了发生器的可靠性。可广泛应用于微细电化学加工、电火花加工等精细化加工、超辐射及激光器驱动系统等领域要求。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
如图1 所示，本发明的矩形脉冲发生器，主要由两部分组成，一是矩形脉冲形成线T1，脉冲形成线T1由内芯和缠绕在内芯上的外皮组成，内芯为充电正极，内芯的两端共同连接到开关K的一端，开关K的另一端连接到地电位。矩形脉冲形成线T1内芯其中一端连接充电电源，矩形脉冲形成线T1与充电电源之间连接一个限流及隔离电阻Rc，电阻Rc为矩形脉冲形成线T1的充电限流电阻，通过它可以限定最大充电电流；同时当开关K断开时，可以隔离矩形脉冲形成线T1两端产生的脉冲对电源的冲击。
本发明的另一部分是功率合成部分，该部分包括两根传输线脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3，两根传输线的结构与矩形脉冲形成线相同；矩形脉冲形成线T1一端的外皮连接脉冲功率合成传输线T2的内芯，矩形脉冲形成线T1另一端的外皮连接脉冲功率合成传输线T3的内芯，脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3的另一端通过导线连接在一起。导线一端连接到脉冲功率合成传输线T2的内芯，另一端连接到脉冲功率合成传输线T3的外皮。在脉冲功率合成传输线T3连接导线一端的内芯上连接输出负载。
本发明中，脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3的外皮上分别连接到地电位，这个地电位与开关K连接的地电位为相同电位，采用单点焊接，将T2、T3和开关的地电位焊接为一点。本发明中所有传输线的内芯相对于外皮为充电极，外皮为放电极。
本发明中，脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3的输入端采用对称结构设置，脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3的长度和阻抗相同，当时长度大于或等于矩形脉冲形成线T1的长度。
结合图1描述其工作原理：开关K导通前，电源V通过电阻Rc对矩形脉冲形成线T1充电，充电完毕，矩形脉冲形成线T1上电压为V0。开关K闭合，自开关处瞬态产生两个波形在矩形脉冲形成线T1中以相反方向朝另一端传播，波传输到另一端时，因脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3与矩形脉冲形成线T1阻抗相同，因此负载为匹配负载，波在传输的末端不会产生反射，波在此终止，于是分别在矩形脉冲形成线T1两端产生一个矩形波，因线路对称，故此两个矩形波完全相同，矩形波幅值为V0/2，脉冲宽度为波在传输线中的时延时间。在矩形脉冲形成线T1两端产生两个完全相同的矩形纳秒脉冲分别输入脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3，脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3对两个脉冲进行功率叠加合成一个2倍功率的脉冲，然后输出到负载RL，此时负载RL上可得到一个幅值为V，宽度与输入脉冲相同的矩形脉冲。
根据上述的发明方案设计了一个脉冲幅度约690V，脉冲宽度约20ns的脉冲源，电源V（350Vdc）通过Rc为传输线T1充电，T1、T2、T3特征阻抗为50欧，长度为3.81m（传播时长为19.53ns），充电完毕，开关K1导通，在T1两端产生两个脉冲，经测试其幅度约350V，宽度约20.6ns。两个脉冲分别输入T2、T3传输线，在负载RL上获得了幅度约691V，宽度约19.64ns的矩形脉冲。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.一种矩形脉冲发生器，其特征在于包括：矩形脉冲形成线T1、脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3，所述矩形脉冲形成线T1、脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3均包括内芯和缠绕在内芯表面的外皮；
所述矩形脉冲形成线T1内芯两端连接到开关K的同一端，开关K的另一端连接到地电位，矩形脉冲形成线T1一端的内芯连接到充电电源，
所述矩形脉冲形成线T1的外皮上一端连接到脉冲功率合成传输线T2的内芯，另一端连接到脉冲功率合成传输线T3的内芯，
所述脉冲功率合成传输线T2另一端的内芯连接到所述脉冲功率合成传输线T3另一端的外皮，
所述脉冲功率合成传输线T3与脉冲功率合成传输线T2连接一端的内芯连接输出负载，
所述脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3的外皮均连接到地电位。
2.根据权利要求1所述的一种矩形脉冲发生器，其特征在于所述脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3的长度、阻抗相等。
3.根据权利要求2所述的一种矩形脉冲发生器，其特征在于所述脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3的长度大于矩形脉冲形成线T1的长度。
4.根据权利要求1所述的一种矩形脉冲发生器，其特征在于所述脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3外皮上的地电位与开关K的地电位为等电位点焊接于同一点。
5.根据权利要求1～4任一所述的一种矩形脉冲发生器，其特征在于所述矩形脉冲形成线T1与充电电源之间连接有限流隔离电阻。
6.根据权利要求5所述的一种矩形脉冲发生器产生脉冲的方法，其特征在于：
通过充电电源给矩形脉冲形成线T1进行充电，然后断开开关K，
在矩形脉冲形成线T1的两端的外皮上产生两个相同的矩形纳秒脉冲，
两个脉冲同时馈入到脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3的内芯，通过在脉冲功率合成传输线T2、脉冲功率合成传输线T3上的传输，在脉冲功率合成传输线T3的另一端内芯上实现脉冲功率的合成并输出。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述矩形纳秒脉冲的宽度由矩形脉冲形成线T1的长度决定。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述矩形纳秒脉冲的宽度的宽度值为矩形脉冲形成线T1的延迟时间。
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