CN108494281B - 一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，属于高功率脉冲调制器技术领域，包括外部容器、脉冲形成线外筒Ⅰ、脉冲形成线外筒Ⅱ、脉冲形成线内筒Ⅰ、脉冲形成线内筒Ⅱ、形成线挡板、内筒连接过渡段、内筒连接部件、外筒连接部件和气体开关。本发明采用的双脉冲同步输出设计，在负载匹配情况下，每个负载获得的功率与调制器输出功率一致；利用单开关型脉冲调制器实现了双脉冲输出，不需要考虑开关的同步，大大降低了双开关双脉冲输出调制器对两个开关同步触发系统的要求或可直接去除不必要的触发系统，装置结构紧凑；负载上获得的双脉冲输出波形同步性、一致性较好，输出的双脉冲之间无延时。
Description
技术领域
本发明涉及高功率脉冲调制器技术领域，特别地，涉及一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器。
背景技术
脉冲功率调制器在工业和国防领域有着重要的应用价值，它是进行环保、食品处理、高功率微波等方面研究的重要平台。目前脉冲功率调制器除向高功率、重复频率运行方向发展外，利用单台调制器实现双脉冲或多个脉冲同步输出同样引起广泛关注。
采用两个或多个负载并联后连接到脉冲调制器的输出端，可在每个负载上得到同步输出的脉冲。国防科技大学的任合明等人将三个阴极二极管并联后作为调制器负载，在调制器输出功率50GW的条件下，每个负载的功率约10GW，实现了三个脉冲的输出。该种方式下调制器输出的功率分配到多个不同负载上，因此每个负载上功率仅为调制器输出功率的一部分，负载上功率相对于调制器输出功率较低【任合明，杨建华，张建德，等,三阴极强流加速器研制，强激光与粒子束，2011,23(3),836-840.】；采用两台脉冲功率装置同步运行，同样可在两个负载上得到同步输出的脉冲。俄罗斯的Rostov等人将两台RADAN脉冲调制器用于驱动两个Ka波段BWO类型微波源，实现了同步输出两个功率100MW、脉宽2ns、频率37GHz的高功率微波，并开展了功率合成研究，该种情况下对每台调制器的运行稳定性、工作一致性、同步性等方面提出了更高要求【ROSTOV,V.V.,EL'CHANINOV,A.A.,KLIMOV,A.I.,etal.Phase Control in Parallel Channels of Shock-Excited Microwave NanosecondOscillators,IEEE Transactions on Plasma Science,2013，41(10),2735-2741.】。申请者曾提出过一种双开关型双脉冲输出的脉冲调制器。该调制器将两个脉冲形成线一端通过一个过渡段相连接，在每个形成线的另一端依次连接一个气体开关和负载，通过对两个开关同步触发，调制器对两个负载同步放电，实现双脉冲输出。该种情况下，对两个气体开关同步性要求较高，需要采用精确的触发，如激光触发或快脉冲高压触发，因此增加了系统的复杂性，降低了工作可靠性【殷毅，张晓萍，李志强，闵亚飞，一种高功率双脉冲脉冲调制器，第十一届全国高功率微波学术研讨会，云南昆明，2017,10，292-297】。
基于上述分析，需要研制工作可靠性高、结构简单、开关同步性要求低或是无开关同步性要求的双脉冲输出高功率脉冲调制器，促进双脉冲输出高功率脉冲调制器在工业和国防领域的进一步应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，以解决现有双脉冲输出装置开关同步性要求高、工作可靠性低、开关需同步触发的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，包括外部容器、脉冲形成线外筒Ⅰ、脉冲形成线外筒Ⅱ、脉冲形成线内筒Ⅰ、脉冲形成线内筒Ⅱ、形成线挡板、内筒连接过渡段、内筒连接部件、外筒连接部件和气体开关；所述脉冲形成线外筒Ⅰ与脉冲形成线内筒Ⅰ连接并形成脉冲形成线机构Ⅰ，所述脉冲形成线外筒Ⅱ与脉冲形成线内筒Ⅱ连接并形成脉冲形成线结构Ⅱ，所述脉冲形成线机构Ⅰ与脉冲形成线结构Ⅱ平行相对设置在外部容器内，且与外部容器不接触设置；所述形成线挡板分别设置在脉冲形成线内筒Ⅰ和脉冲形成线内筒Ⅱ的末端；所述脉冲形成线内筒Ⅰ与脉冲形成线内筒Ⅱ通过内筒连接过渡段连接；所述内筒连接部件设置在脉冲形成线内筒Ⅰ和脉冲形成线内筒Ⅱ的末端，所述外筒连接部件设置在脉冲形成线外筒Ⅰ和脉冲形成线外筒Ⅱ的末端；所述脉冲形成线外筒Ⅰ和脉冲形成线外筒Ⅱ通过气体开关与外部容器的上盖板连接。
本发明进一步包括接地电感，所述接地电感设置在内筒连接过渡段与外部容器的上盖板之间，接地电感一端与内筒连接过渡段连接，另一端与外部容器的上盖板连接。
上述方案中，优选的是外部容器设置为方形结构，外部容器的上盖板为金属盖板，该金属盖板为地电位，外部容器的下、左、右、前和后面板均是使用绝缘材料制成。
上述方案中，优选的是外部容器内注入变压器油或者电容器油的绝缘介质。
上述方案中，优选的是外部容器内设置有形成线外筒支撑板Ⅰ和形成线外筒支撑板II，形成线外筒支撑板Ⅰ和形成线外筒支撑板II平行相对设置在外部容器内，形成线外筒支撑板Ⅰ和形成线外筒支撑板上II均设置有一个圆孔，脉冲形成线机构Ⅰ和脉冲形成线结构Ⅱ固定设置在形成线外筒支撑板Ⅰ和形成线外筒支撑板的II两个圆孔上。
上述方案中，优选的是脉冲形成线机构Ⅰ和脉冲形成线结构Ⅱ具有相同的特征阻抗及传输特征时间，且并联设置。
本发明还进一步包括负载Ⅰ和负载Ⅱ，所述负载I与脉冲形成线机构Ⅰ连接，所述负载II与脉冲形成线机构Ⅱ连接，脉冲形成线外筒Ⅰ和脉冲形成线外筒Ⅱ通过气体开关对具有地电位的外部容器的上盖板放电，在脉冲形成线内筒Ⅰ和脉冲形成线内筒Ⅱ上实现电压反转，对负载Ⅰ和负载Ⅱ放电。
上述方案中，优选的是接地电感的值为20μH-80μH。
本发明还包括脉冲充电电路，所述脉冲充电电路分别与脉冲形成线机构Ⅰ和脉冲形成线结构Ⅱ充电，脉冲充电电路包括等效回路电阻Rp、等效回路电感Lp、初级回路开关Sp、初级电容Cp和变压器Transformer，初级电容Cp充电后，初级回路开关Sp打开，初级电容Cp通过变压器Transformer的原边回路放电，在变压器Transformer的副边回路产生高电压输出，供脉冲形成线机构Ⅰ和脉冲形成线结构Ⅱ充电。
本发明具有以下有益效果：
本发明所采用的双脉冲同步输出设计，在负载匹配情况下，每个负载获得的功率与调制器输出功率一致；利用单开关型脉冲调制器实现了双脉冲输出，不需要考虑开关的同步，大大降低了对两个开关同步触发系统的要求或可直接去除不必要的触发系统，装置结构紧凑；负载上获得的双脉冲输出波形同步性、一致性较好，输出的双脉冲之间无延时的优点，为该类型调制器今后在多装置同步触发、高功率微波合成等方面研究应用奠定了基础。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的单开关型双脉冲输出调制器结构示意图；
图2为本发明的单开关型双脉冲输出调制器等效电路图；
图3为本发明的简化后波过程分析示意图；
图4为实施例的形成线外筒充电电压波形图；
图5为实施例的两个负载上电压波形图。
图中标号：1-1脉冲形成线外筒Ⅰ、1-2脉冲形成线外筒Ⅱ、2-1脉冲形成线内筒Ⅰ、2-2脉冲形成线内筒Ⅱ、3外部容器、4形成线挡板、5内筒连接过渡段、6接地电感、7-1外筒连接部件I、7-2外筒连接部件II、8-1形成线外筒支撑板Ⅰ、8-2形成线内筒支撑板II、9气体开关、10-1负载Ⅰ、10-2负载Ⅱ。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，如图1所示，包括外部容器3、脉冲形成线外筒Ⅰ1-1、脉冲形成线外筒Ⅱ1-2、脉冲形成线内筒Ⅰ2-1、脉冲形成线内筒Ⅱ2-2、形成线挡板4、内筒连接过渡段5、接地电感6、外筒连接部件7-1、外筒连接部件7-2和气体开关9。本发明针对现有双脉冲输出装置开关同步性要求高、工作可靠性低、开关需同步触发及波形一致性存在差异等方面问题，研制一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，该调制器仅用一个开关实现在两个负载上双脉冲的同步输出，负载上波形一致性好，为高功率调制器今后在多装置同步触发、高功率微波合成等工业和军事领域的应用奠定了基础。
脉冲形成线外筒Ⅰ1-1与脉冲形成线内筒Ⅰ2-1连接并形成脉冲形成线机构Ⅰ。脉冲形成线外筒Ⅱ1-2与脉冲形成线内筒Ⅱ2-2连接并形成脉冲形成线结构Ⅱ。脉冲形成线机构Ⅰ与脉冲形成线结构Ⅱ平行相对设置在外部容器3内，且与外部容器3不接触设置。形成线挡板4分别设置在脉冲形成线内筒Ⅰ2-1和脉冲形成线内筒Ⅱ2-2的末端；所述脉冲形成线内筒Ⅰ2-1与脉冲形成线内筒Ⅱ2-2通过内筒连接过渡段5连接。内筒连接部件7-1设置在脉冲形成线内筒Ⅰ2-1和脉冲形成线内筒Ⅱ2-2的末端。外筒连接部件7-2设置在脉冲形成线外筒Ⅰ1-1和脉冲形成线外筒Ⅱ1-2的末端。脉冲形成线外筒Ⅰ1-1和脉冲形成线外筒Ⅱ1-2通过气体开关9与外部容器3的上盖板连接。脉冲形成线机构Ⅰ和脉冲形成线结构Ⅱ具有相同的特征阻抗及传输特征时间，且并联设置。还包括负载Ⅰ10-1和负载Ⅱ10-2，负载10-1与脉冲形成线机构Ⅰ连接。负载10-2与脉冲形成线机构II连接，脉冲形成线外筒Ⅰ1-1和脉冲形成线外筒Ⅱ1-2通过气体开关9对具有地电位的外部容器3的上盖板放电，在脉冲形成线内筒Ⅰ2-1和脉冲形成线内筒Ⅱ2-2上实现电压反转，对负载Ⅰ10-1和负载Ⅱ10-2放电。本发明还包括接地电感6，所述接地电感6设置在内筒连接过渡段5与外部容器3的上盖板之间。接地电感6一端与内筒连接过渡段5连接，另一端与外部容器3的上盖板连接。接地电感6放置于内筒的过渡连接段与外部容器的上盖板之间，当脉冲调制器的负载为电阻性负载时，可去除该接地电感6。当负载为真空二极管或是其它经开关等隔离后的负载时，需要连接接地电感6，以保证在调制器在脉冲形成线外筒相对较慢的充电过程中，形成线内筒为地电位，使得形成线能够正常充电。该电感数值不能太小，一般在50μH，确保在形成线放电快过程中，其等效阻抗较大，起断路作用，不影响高功率负载上脉冲方波的形成。
外部容器3设置为方形结构，外部容器3的上盖板为金属盖板，该金属盖板为地电位，外部容器3的下、左、右、前和后面板均是使用绝缘材料制成。外部容器3内注入变压器油或者电容器油的绝缘介质。外部容器3内设置有形成线外筒支撑板Ⅰ8-1和形成线外筒支撑板8-2，形成线外筒支撑板Ⅰ8-1和形成线外筒支撑板8-2平行相对设置在外部容器3内，形成线外筒支撑板Ⅰ8-1和形成线外筒支撑板8-2上均设置有两个圆孔。脉冲形成线机构Ⅰ和脉冲形成线机构Ⅱ固定设置在形成线外筒支撑板Ⅰ8-1和形成线外筒支撑板8-2的两个圆孔上。
本发明还包括脉冲充电电路，所述脉冲充电电路分别与脉冲形成线机构Ⅰ和脉冲形成线结构Ⅱ充电，脉冲充电电路包括等效回路电阻Rp、等效回路电感Lp、初级回路开关Sp、初级电容Cp和变压器Transformer。初级电容Cp充电后，初级回路开关Sp打开，初级电容Cp通过变压器Transformer的原边回路放电，在变压器Transformer的副边回路产生高电压输出，供脉冲形成线机构Ⅰ和脉冲形成线结构Ⅱ充电。
该双脉冲脉冲调制器主要由两个同轴结构脉冲形成线、形成线过渡连接段、高功率气体开关、接地电感、绝缘支撑板、两个高功率负载、调制器整体的外部容器及用于绝缘的变压器油等组成。
所述的脉冲形成线共有两个，两个脉冲形成线结构尺寸一致，具有相同的特征阻抗及传输特征时间，并联放置于调制器的外部容器中。脉冲形成线的两个外筒通过金属件连接并固定相对位置，以保持外筒电压一致。在脉冲形成线外筒与外部容器的上盖板之间通过高电压气体开关相连接，该类型调制器形成线外筒与充电电源连，并充高电压；形成线外筒通过气体开关对具有地电位的外部容器上盖板放电，在脉冲形成线内筒上实现电压反转，进而对负载放电。脉冲形成线的内筒一端通过一个U型过渡段连接起来，另一端分别与一个负载相连。
本发明的工作过程如下：首先由高功率充电电源为脉冲调制器充电，选用的高功率充电电源为变压器型脉冲充电回路，其中Rp和Lp分别为初级回路的等效电阻和电感，Sp为初级回路开关，初级电容Cp充到一定电压时，Sp开关导通，高压电容Cp通过变压器Transformer的原边回路放电，在变压器副边回路产生高电压输出，并对脉冲调制器形成线PFL1和PFL2的外筒进行充电。脉冲形成线内筒通过接地电感Lg后与地相连，当形成线外筒充电电压达到设定的电压值时，开关Switch导通，根据波过程理论，在两个负载Load1和Load2上，可同时产生一个高电压脉冲，进而实现单开关型脉冲调制器在两个负载上的双高功率脉冲输出。
单开关型双脉冲输出回路的波过程分析如下：由于开关放置在形成线外筒和地之间，而两个负载一端与形成线内筒相连，另一端接地，忽略等效电路图中杂散参数影响，脉冲调制器放电过程中其波过程分析的示意图如图3所示。其中Z1、Z2为脉冲形成线PFL1和PFL2的特征阻抗，对应的特征时间分别为τ1、τ2，负载阻抗为R1和R2。
由于只有一个开关，所以开关导通时，图中所示的两处Switch为同时导通。用T表示透射系数，R表示反射系数。则左行波在A点透射、反射系数定义为其余各点反射、透射系数可类似定义，由于设计中两个脉冲形成线的阻抗和特征时间相同，因此在B点，透射系数为1，反射系数为0。
假设传输线充电至电压V0，取开关闭合时刻为时间零时刻，当开关闭合时，由于形成线内没有净电流，所以传输线内静止的电压波均可分解为和的叠加：
当0<t≤τ1时，向PFL2右端运动，向PFL2左端运动,它们分别在PFL2的右端和左端处发生反射与透射，依照此分析方法可知负载Load2上电压随时间变化的幅值可以表示如式(2)所示，对于Load1上电压采用同样的方法可以获得。
气体开关置于形成线外筒与地之间，整个调制器外部容器中注入变压器油进行绝缘。所设计的脉冲形成线等效阻抗为15Ω、特征时间为50ns；选取初级充电电容16μF，初始充电电压45kV；变压器初次级电感分别为5.5μH和2050μH、耦合系数0.85；接地电感为40μH；两个负载阻抗均为15Ω，根据图2本发明的等效电路图，可计算得到负载上电压幅值及波形如图4所示，图4为形成线外筒的充电电压波形，充电时间6.5μs时，气体开关导通，此时形成线外筒充电最高电压约为1035kV；图5为两个负载上的电压波形，电压幅值为-520kV，脉冲宽度约100ns，两个负载上电压波形完全重合，一致性好。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，其特征在于，包括外部容器(3)、脉冲形成线外筒Ⅰ(1-1)、脉冲形成线外筒Ⅱ(1-2)、脉冲形成线内筒Ⅰ(2-1)、脉冲形成线内筒Ⅱ(2-2)、形成线挡板(4)、内筒连接过渡段(5)、外筒连接部件I(7-1)、外筒连接部件II(7-2)、接地电感(6)、形成线外筒支撑板Ⅰ(8-1)、形成线内筒支撑板II(8-2)和气体开关(9)；所述脉冲形成线外筒Ⅰ(1-1)与脉冲形成线内筒Ⅰ(2-1)组成脉冲形成线机构Ⅰ，所述脉冲形成线外筒Ⅱ(1-2)与脉冲形成线内筒Ⅱ(2-2)组成脉冲形成线结构Ⅱ，所述脉冲形成线机构Ⅰ与脉冲形成线结构Ⅱ平行相对设置在外部容器(3)内，且与外部容器(3)不接触设置；所述形成线挡板(4)分别设置在脉冲形成线内筒Ⅰ(2-1)的末端和脉冲形成线内筒Ⅱ(2-2)的末端；所述脉冲形成线内筒Ⅰ(2-1)与脉冲形成线内筒Ⅱ(2-2)通过内筒连接过渡段(5)连接；所述外筒连接部件Ⅰ(7-1)和外筒连接部件II(7-2)设置在脉冲形成线外筒Ⅰ(1-1)和脉冲形成线外筒Ⅱ(1-2)的两端；所述脉冲形成线外筒Ⅰ(1-1)和脉冲形成线外筒Ⅱ(1-2)通过气体开关(9)与外部容器(3)的上盖板连接。
2.根据权利要求1所述的一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，其特征在于，还包括接地电感(6)，所述接地电感(6)设置在内筒连接过渡段(5)与外部容器(3)的上盖板之间，接地电感(6)一端与内筒连接过渡段(5)连接，另一端与外部容器(3)的上盖板连接。
3.根据权利要求1所述的一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，其特征在于，所述外部容器(3)设置为方形结构，外部容器(3)的上盖板为金属盖板，该金属盖板为地电位，外部容器(3)的下、左、右、前和后面板均是使用绝缘材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，其特征在于，所述外部容器(3)内设置有形成线外筒支撑板Ⅰ(8-1)和形成线外筒支撑板II(8-2)，形成线外筒支撑板Ⅰ(8-1)和形成线外筒支撑板II(8-2)平行相对设置在外部容器(3)内，形成线外筒支撑板Ⅰ(8-1)和形成线外筒支撑板II(8-2)上均设置有两个圆孔，脉冲形成线机构Ⅰ和脉冲形成线结构Ⅱ固定设置在形成线外筒支撑板Ⅰ(8-1)和形成线外筒支撑板II(8-2)的两个圆孔上。
5.根据权利要求1所述的一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，其特征在于，所述脉冲形成线机构Ⅰ和脉冲形成线结构Ⅱ具有相同的特征阻抗及传输特征时间，且并联设置。
6.根据权利要求5所述的一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，其特征在于，还包括负载Ⅰ(10-1)和负载Ⅱ(10-2)，所述负载Ⅰ(10-1)与脉冲形成线机构Ⅰ(1-1)连接，所述负载Ⅱ(10-1)与脉冲形成线机构Ⅱ(1-2)连接，脉冲形成线外筒Ⅰ(1-1)和脉冲形成线外筒Ⅱ(1-2)通过气体开关(9)对具有地电位的外部容器(3)的上盖板放电，在脉冲形成线内筒Ⅰ(2-1)和脉冲形成线内筒Ⅱ(2-2)上实现电压反转，对负载Ⅰ(10-1)和负载Ⅱ(10-2)放电。
7.根据权利要求2所述的一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，其特征在于，所述接地电感(6)的值为20μH-80μH。
8.根据权利要求1所述的一种单开关型双脉冲输出高功率脉冲调制器，其特征在于，还包括脉冲充电电路，所述脉冲充电电路分别为脉冲形成线机构Ⅰ和脉冲形成线结构Ⅱ充电，脉冲充电电路包括等效回路电阻Rp、等效回路电感Lp、初级回路开关Sp、初级电容Cp和变压器Transformer，初级电容Cp充电后，初级回路开关Sp打开，初级电容Cp通过变压器Transformer的原边回路放电，在变压器Transformer的副边回路产生高电压输出，供脉冲形成线机构Ⅰ和脉冲形成线结构Ⅱ充电。
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Granted publication date: 20191105 Termination date: 20200330 |
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