[发明专利]一种百纳秒级梯形波脉冲形成网络及设计方法

说明书

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。

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。