CN110287568A - 一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络及设计方法。网络电路结构包括一整形电感和不多于3条LC串联支路，各条LC串联支路并联后，串联到整形电感。电容选用脉冲薄膜电感器；通过预定方法确定电容、电感取值。设计方法包括：搭建网络电路结构和确定元器件初始值的步骤、对电路进行仿真的步骤和根据电路输出波形对元器件参数进行调整的步骤。本发明的网络结构简单，网络级数低，输出波形质量好，有利于高功率微波技术的研究。设计步骤可操作性强，适用面广。能实现脉冲装置的小型化，并大幅延长网络的使用寿命。

Description

一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络及设计方法

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，尤其是一种脉宽在百纳秒级的梯形脉冲形成网络及设计方法。

背景技术

脉冲功率技术，是一种预先将电能存储，在短时间内向负载快速释放的技术，它是高功率微波技术的基础，有着重要的军民两用价值。无疑，为了发挥实用价值，必须实现脉冲功率装置的小型化。

在高功率微波的应用中，通常要求脉冲功率装置产生百纳秒量级的脉冲宽度，快上升沿，宽平顶，也就是理想状态下的方波。但完全的方波很难实现，可以接受一定程度的梯形波。传统的脉冲功率装置利用体积庞大的同轴型脉冲形成线产生方波，难以做到小型化。采用Marx发生器技术路线，使用人工线网络作为Marx发生器的储能部件，是脉冲功率装置小型化的重要技术路线。

方波的基本网络构型，主要包括吉列曼网络A型-F型，此外还包括利于工程实践的等电容、等电感网络；这些网络构型，一般是基于尽可能多的网络级数来推导，实践中无论采用哪种网络基本构型，都需要5级以上，而且多采用陶瓷电容器。例如《脉冲形成网络的设计与实验研究·王庆峰·2009》，《基于Blumlein脉冲形成网络的直线变压器驱动源设计·李名加·2011》，《光导开关级联Blumlein型脉冲网络设计·马勋·2013》，《固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器·李志强·2014》，但是陶瓷电容器发热量大，脉冲高压下重复频率工作时寿命相对不高，损坏率大。

经上述分析可以得知，基于经典理论，用人工线网络拟合类方波脉冲，网络级数不会太低，而电容器数量一旦多，从体积上考虑就只能采用陶瓷电容器，这种网络设计难度低，但高压重频长时间工作时寿命低。从小型化的角度，应使用尽量少的电容来拟合类方波。因此，设计能拟合高质量类方波的低级数脉冲形成网络有着重要的价值。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种脉冲形成网络及设计方法，以利用较低的级数来拟合百纳秒量级的梯形脉冲。

本发明采用的技术方案如下：

一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络，其包括一整形电感和k条LC串联支路，k取值不超过3，k条LC串联支路并联后，串联到整形电感，各电容、电感满足以下关系：

其中，Ln、Cn分别表示各条LC串联支路的电感、电容，n＝1、2…k，a为初始化参数，其取值范围在0.01-0.3之间，ρ为电路匹配阻抗设计值，τ为输出波形底宽的设计值，tr为梯形波的估算上升沿时间。

采用上述方案，可以计算出多组LC串联支路的取值进行输出比较，进而选取出较优组合。此外，本发明网络的等效电路级数不超过3级即可输出百纳秒级脉冲宽度、块上升沿、宽平顶的梯形脉冲，可以满足高功率微波应用的需求，实现脉冲功率装置的小型化。

进一步的，上述初始化参数a的取值与LC串联支路数量k的取值成反相关。

进一步的，所述ρ＜5Ω，τ＜200ns。

进一步的，至少一条上述LC串联支路中的电容为脉冲薄膜电容器。

该设计是基于本发明的低网络级数才可选用的，可以大幅延长网络的使用寿命。

本发明还提供了一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络的设计方法，其包括以下步骤：

A.搭建电路并确定电路中各电感、电容的初始值：

电路包括一整形电感和k条LC串联支路，k取值不超过3，电路搭建为：k条所述LC串联支路并联后，串联到所述整形电感；

电路中各电感和电容的初始值计算方法为：

其中，Ln、Cn分别表示各条LC串联支路的电感、电容，n＝1、2…k，a为初始化参数，其取值范围在0.01-0.3之间，ρ为电路匹配阻抗设计值，τ为输出波形底宽的设计值，tr为梯形波的估算上升沿时间；

B.对所搭建的电路的输出波形进行仿真，若仿真结果与预设条件不一致，则执行后续步骤；

C.根据电路中元器件取值与电路输出脉冲波间的关系，调整电路中全部或部分元器件的值，直至仿真结果与预设条件相匹配时，对应的各元器件的取值作为电路中各元器件的最终取值。

先搭建出一套初始网络，在初始网络满足需求时，不再进行修改，若不满足需求，则对元器件参数进行调整，观察对应的输出波形，将波形调整到满足需求时所对应的参数即为最终确定的元器件参数。这样，就可确定出网络的结构和元器件的取值。

进一步的，上述初始化参数a的取值与LC串联支路的数量k成反相关。

进一步的，上述调整电路中全部或部分元器件的值中，至少包括对所述整流电感的值的调整。

整流电感的调整可调节前沿和过冲，进而使得输出波形满足高功率微波技术的要求。

进一步的，上述调整电路中全部或部分元器件的值具体为：调整整流电感的值，以及调整LC串联支路中全部或部分电感、电容的值。即调整整流电感的值，以及LC串联支路中全部或部分元器件的值。

LC串联支路参数的调整可以进一步弥补平顶震荡的缺陷。

进一步的，所述ρ＜5Ω，τ＜200ns。

一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络，其由上述的脉冲形成网络的设计方法设计得出。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的脉冲形成网络的结构极其简单，网络级数低，电容数量少，应用到高功率脉冲驱动源上可实现装置的小型化，有利于高功率微波技术的研究。

2、本发明适合选用脉冲薄膜电容器，可大幅延长脉冲形成网络的工作寿命。

3、本发明设计方法步骤简单、清晰，可操作性强，适用范围广，使得设计结果与实际需求匹配度更高。

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是本发明的百纳秒级梯形波脉冲形成网络等效电路图。

图2是直接设计初始网络的一个实施例的仿真结果。

图3是对图2对应实施例中L4进行微调后的仿真结果。

图4是直接设计初始网络的另一个实施例的仿真结果。

图5为选用选器件搭建百纳秒级梯形波脉冲形成网络的输出脉冲波形。

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。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

本实施例公开了一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络，其包括不多于三条LC串联支路，其中各条LC串联支路的电感、电容分别表示为Ln、Cn，该不多于三条LC串联支路并联后，再串联到一整形电感L4。Ln、Cn、L4的初始值满足以下关系：

n＝1、2…，其上限值为LC串联支路的数量，a为初始化参数，其取值范围在0.01-0.3之间，根据不同应用场景的需求进行设置，ρ为电路匹配阻抗设计值，τ为输出波形底宽的设计值。一般地，ρ＜5Ω，τ＜200ns。a的取值与网络级数(即电路中LC串联支路的数量)成反相关，对于三级网络，a的取值偏低一些，如果设计两级网络，a的取值偏大一些。在电路设计时，可取多个a值计算出多组支路电容、电感的值进行对比试验，根据工程实际折优选取。

tr为梯形波的估算上升沿时间。根据网络特性，在设计时一般取tr≈30ns。

在一个实施例中，若网络结果为三级网络(即LC串联支路为3条)，则a取0.1。

优选的，网络电路中的电容选用脉冲薄膜电容器。

实施例二

本实施例公开了一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络的设计方法，其包括以下步骤：

A.搭建仿真电路并配置各电感、电容的初始值。即将不多于3条的LC串联支路进行并联后，与整形电感L4串联，完成仿真电路的搭建。将基于式(1)-(3)分别计算出Ln、Cn和L4的初始值配置到对应的器件。在分别计算各电容、电感的初始值时，还对结算结果进行位保留处理，即对计算结果保留到个位、十分位、百分位……。例如在分别计算各电感的初始值时，对计算出的各值进行取整。一般采用四舍五入的方式进行取整。对于具体的位保留处理规则，可根据对应元器件获取的难易程度进行设定。

B.进行波形仿真，在仿真过程中分别执行C和D。

C.根据波形仿真结果调节整形电感L4的值，直至波形仿真结果满足第一需求。这一步的目的是调节前沿和过冲。一般而言，调整后的波形将满足高功率微波技术的需要。

D.根据波形仿真结果对各LC串联支路中的电感和电容中的全部或部分器件的值进行调整，直至波形仿真结果满足第二需求。这一步的目的是弥补一部分平顶震荡的缺陷。

上述步骤C、D在调整元器件参数过程中，波形仿真结果会同步发生规律性变化，因此，可以在调节过程中确定合适的取值。

根据最终调节后各元器件的取值，选取对应的元器件搭建出电路即得到百纳秒级梯形波脉冲形成网络。

实施例三

本实施例公开了另一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络的设计方法，其包括以下步骤：

A.根据式(1)-(3)分别计算出Ln、Cn、L4的初始值，选取对应的电容和电感搭建初始电路。即基于式(1)-(3)分别计算出Ln、Cn、L4的初始值，选取对应值的电容和电感，将Ln和Cn串联后形成LC串联支路，再将各串联支路并联后，与L4串联。在分别计算各电容、电感的初始值时，还对结算结果进行位保留处理，即对计算结果保留到个位、十分位、百分位……。例如在分别计算各电感的初始值时，对计算出的各值进行取整。一般采用四舍五入的方式进行取整。对于具体的位保留处理规则，可根据对应元器件获取的难易程度进行设定。

B.对初始电路的输出波形进行仿真，在仿真过程中分别执行C和D。

C.根据波形仿真结果调节整形电感L4的值，直至波形仿真结果与第一预定结果相匹配。这一步的目的是调节前沿和过冲。一般而言，调整后的波形将满足高功率微波技术的需要。

D.根据波形仿真结果对各LC串联支路中的电感和电容中的全部或部分器件的值进行调整，直至波形仿真结果与第二预定结果相匹配。这一步的目的是弥补一部分平顶震荡的缺陷。

上述的波形仿真，为借助示波器等可视化工具，对初始电路的输出波形进行显示。上述C和D中，对于元器件值的调节，可通过替换元器件的方式，或者对于搭建初始电路时，元器件为可调元器件的电路，可在波形仿真过程中直接进行调节。对应于每一次调节过程，波形仿真结果都会同步发生变化。在调节过程中，接口确定出合适的取值。根据最终调节后各元器件的取值，选取对应的元器件搭建出电路即得到百纳秒级梯形波脉冲形成网络。

实施例四

本实施例公开了一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络，其根据上述实施例的设计方法所设计出的网络搭建而成。即电路结构与设计的网络结构一致，电路中各元器件(电容、电感)的取值为最终取值。在一个实施例中，网络电路中的电容选用脉冲薄膜电容器，以充分延长网络的工作寿命。在另一个实施例中，网络电路中的电容选用陶瓷电容器。当然，在不脱离本发明理念的情况下，选用其他类型的电容器也可生成可用脉冲波，本发明网络中的电容并不限于前述类型的电容器。

实施例五

本实施例采用实施例二或实施例三的方式，设计阻抗ρ＝2.5Ω，脉宽τ＝120ns，上升沿tr＝30ns的脉冲网络。

如图1所示，本实施例中，网络设计为三级，即网络含三条LC串联支路。

根据公式(1)-(3)计算出L1-L3、C1-C3以及L4的值，其中，a取0.1，计算结果如下：

其中，“选取值”即为对“计算值”进行位保留处理后的结果，使得满足工程实际。

将该组数值代入仿真软件进行波形仿真，其波形仿真结果如图2所示。可见，不经任何调整，图2的波形质量已经很高，实际前沿约20ns。若要求梯形脉冲波的平顶表现更好，则将L4调整为30nH，其波形仿真结果如图3所示，可见，上升沿略微变快，平顶表现更好。

实施例六

本实施例采用实施例二或实施例三的方式，设计阻抗ρ＝3.0Ω，脉宽τ＝160ns，上升沿tr＝30ns的脉冲网络。

如图1所示，本实施例中，网络设计为三级，即网络含三条LC串联支路。

根据公式(1)-(3)计算出L1-L3、C1-C3以及L4的值，其中，a取0.1，计算结果如下：

将该组数值代入仿真软件进行波形仿真，其波形仿真结果如图4所示。可以看出，波形质量很好，即便是整形电感L4也不需要调整，实际前沿约20ns。

实施例七

基于实施例六，本实施例公开了实施例四所构建出的百纳秒级梯形波脉冲形成网络。其输出的脉冲波形图如图5所示。根据图5可知，其完全可以满足高功率微波的应用。

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 (10)

1.一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络，其特征在于，其包括一整形电感和k条LC串联支路，k取值不超过3，k条所述LC串联支路并联后，串联到所述整形电感，各电容、电感满足以下关系：

其中，Ln、Cn分别表示各条LC串联支路的电感、电容，n＝1、2…k，a为初始化参数，其取值范围在0.01-0.3之间，ρ为电路匹配阻抗设计值，τ为输出波形底宽的设计值，tr为梯形波的估算上升沿时间。

2.如权利要求1所述的百纳秒级梯形波脉冲形成网络，其特征在于，所述初始化参数a的取值与LC串联支路数量k的取值成反相关。

3.如权利要求1所述的百纳秒级梯形波脉冲形成网络，其特征在于，所述ρ＜5Ω，τ＜200ns。

4.如权利要求1-3之一所述的百纳秒级梯形波脉冲形成网络，其特征在于，至少一条所述LC串联支路中的电容为脉冲薄膜电容器。

5.一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.搭建电路并确定电路中各电感、电容的初始值：

电路包括一整形电感和k条LC串联支路，k取值不超过3，电路搭建为：k条所述LC串联支路并联后，串联到所述整形电感；

电路中各电感和电容的初始值计算方法为：

其中，Ln、Cn分别表示各条LC串联支路的电感、电容，n＝1、2…k，a为初始化参数，其取值范围在0.01-0.3之间，ρ为电路匹配阻抗设计值，τ为输出波形底宽的设计值，tr为梯形波的估算上升沿时间；

B.对所搭建的电路的输出波形进行仿真，若仿真结果与预设条件不一致，则执行后续步骤；

C.根据电路中元器件取值与电路输出脉冲波间的关系，调整电路中全部或部分元器件的值，直至仿真结果与预设条件相匹配时，对应的各元器件的取值作为电路中各元器件的最终取值。

6.如权利要求5所述的百纳秒级梯形波脉冲形成网络的设计方法，其特征在于，所述初始化参数a的取值与LC串联支路的数量k成反相关。

7.如权利要求5所述的百纳秒级梯形波脉冲形成网络的设计方法，其特征在于，所述调整电路中全部或部分元器件的值中，至少包括对所述整流电感的值的调整。

8.如权利要求7所述的百纳秒级梯形波脉冲形成网络的设计方法，其特征在于，所述调整电路中全部或部分元器件的值具体为：调整整流电感的值，以及调整LC串联支路中全部或部分电感和电容的值。

9.如权利要求5-8之一所述的百纳秒级梯形波脉冲形成网络的设计方法，其特征在于，所述ρ＜5Ω，τ＜200ns。

10.一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络，其特征在于，其由如权利要求5-9之一所述的脉冲形成网络的设计方法设计得出。