高功率脈衝技術領域的變阻抗傳輸線研究

《高功率脈衝技術領域的變阻抗傳輸線研究》是依託清華大學，由王新新擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高功率脈衝技術領域的變阻抗傳輸線研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：王新新
• 項目類別：面上項目

項目摘要

隨著脈衝功率系統功率的不斷增大，人們通常採用徑向變阻抗傳輸線將多台脈衝加速器的功率匯聚到負載上，並達到阻抗變換的目的。以往對變阻抗傳輸線的研究主要集中在微波通訊領域，其研究結果幾乎都是在連續正弦波的基礎上分析得到的，尚不清楚這些結果能否適用於脈衝功率系統中的變阻抗傳輸線。針對這個問題，本項目擬對單脈衝波形驅動下的變阻抗傳輸線進行理論分析、電路模擬、電磁場模擬和縮比實驗，著重關注徑向變阻抗傳輸線的功率傳遞效率及最佳化方法，研究影響功率傳遞效率的主要因素，比較不同線型的變阻抗傳輸線的傳輸特性並分析其差異的原因。這些研究工作將有助於了解單脈衝波形條件下變阻抗傳輸線的功率傳輸特性，有助於將現有的變阻抗傳輸線理論拓展到脈衝功率技術領域，促進脈衝功率技術的發展。

結題摘要

提出了一種變阻抗傳輸線電路模擬的分段方法–等阻抗分段法。相對於通常使用的等長度分段法，等阻抗分段法所需的分段數減少並且收斂速度加快。通過電路模擬，發現指數線的功率傳遞效率高於高斯線，並基於傅立葉頻譜分析和變阻抗傳輸線的高通特性，對此結果進行了解釋。基於多段級聯變阻抗線電路模型，推導了適用於任意線型變阻抗線輸出電壓的解析解，其結果和Pspice電路模擬的結果完全一致。對該解析解進行數學推導，從數學上證實了變阻抗線的首達波特性、脈衝壓縮特性和高通特性。對指數型、高斯型、線性線和雙曲線等變阻抗整體徑向傳輸線(monolithoic radial transmission line: MRTL)進行了三維電磁場數值模擬，結果表明指數線的功率傳輸效率是最高的。但是，不論何種線型，電磁場模擬得到的功率傳輸效率比電路模擬得到的至少低15%，這說明電路模擬的基礎假設（電磁波以準TEM模傳播）是不正確的。另外，研究了驅動源數目、首末端阻抗、變阻抗線型、開孔等對MRTL功率傳輸效率的影響。若綜合考慮功率傳輸效率和實際加工安裝，雙曲線型MRTL是最佳選擇。設計和研製了MRTL的縮比實驗模型。利用脈衝形成線技術和匹配電阻網路分路器，產生20路方波脈衝（30V、10ns），同時從外圓周驅動雙曲線型的MRTL，從MRTL圓心處向匹配負載輸出脈衝電壓。基於上述MRTL的縮比實驗模型，進行了MRTL縮比實驗。實驗得到的輸出電壓波形和三維電磁場數值模擬得到的電壓波形完全重合，說明三維電磁場數值模擬結果是正確的。當輸入電壓為方波時，輸出電壓明顯畸變，基於變阻抗線的高通特性對此畸變進行了解釋。實驗研究了多路輸入故障模式（某些路短路或開路、各路注入時間分散性）對輸出電壓的影響。