50Ω输出的四形成线纳秒级高压方波发生器设计

张 琦 石立华 邵志学

（解放军理工大学工程兵工程学院，江苏 南京 210007）

1.引 言

方波脉冲源是一种常用的电磁脉冲模拟实验装置。由于方波信号既具有丰富的高频成份，又含有直流等低频成份，把方波作为注入源能够获得系统的宽频率响应。例如，利用方波这一特性，可以实现脉冲电流探头、电阻分压器、脉冲场探头的时域校准［1－2］。另外，人们也利用方波开展器件的电磁脉冲注入响应实验和设备系统的电磁脉冲抗扰度试验［3］。方波无论是应用于测量还是应用于校准，都要求方波具有高电压和较陡的前后沿。按照电压等级分类，方波脉冲源可分为高压发生器（≥10kV）和低压发生器（≤10kV）。美国军用标准 MILSTD－461E中定义了用于抗扰度测量的方波波形标准。该标准在“CS115”（电缆注入脉冲激励传导敏感度）部分中提出了方波的前沿和后沿均要求小于2ns，脉宽不小于30ns.低电压等级的方波发生器，可采用单形成线的实现方案［4－5］，其特点是结构简单、体积小、输出阻抗易与50Ω匹配；但电压输出效率低，仅为充电电压的一半。

Blumlein线（双形成线）方波成形机理由于比单成形线具有较高的输出电压［6－7］，在高电压等级脉冲源中得到了广泛应用。美国Sandia国家实验室和New Mexico大学设计制作的高压装置输出电压达600kV，负载阻抗为5Ω［8］；国防科技大学制作的两套高压装置输出电压分别为400kV和600kV，负载阻抗分别为5Ω和15Ω［9－10］。这些装置达到了高电压输出的要求，但其输出阻抗特殊。例如，以特征阻抗为50Ω的同轴电缆作为脉冲形成线，输出阻抗为100Ω，在常见的50Ω测量系统中使用均不方便。

以Blumlein线理论为基础，在不降低电压输出效率的前提下，解决了与50Ω端口的阻抗匹配问题，并进一步研究了影响电压输出的主要因素，提出了具体改进措施。

2.四形成线方波成形电路设计、分析、实验及应用

2.1 四形成线方波成形电路设计

对比单形成线电路和双形成线电路，它们都有其优缺点。如何把二者的优点结合，既在50Ω端口上输出，又保持电压输出效率不降低，这一问题值得深入研究。以特征阻抗50Ω的同轴电缆为例，既然要求输出负载阻抗为50Ω，而同轴电缆构造的双形成线电路要求的匹配负载阻抗为100Ω，只需要特征阻抗为25Ω的同轴电缆就可以构造输出阻抗为50Ω的双形成线电路。然而，这样的思路不易实现，因为特征阻抗为25Ω的同轴电缆在市场上是不多见的。考虑并联两根特征阻抗为50Ω的同轴电缆，得到特征阻抗为25Ω的双同轴电缆，从而既具有单形成线电路50Ω端口输出的优点，又有双形成线电路电压输出效率较高的优点。根据这一思路，设计了四形成线方波成形电路，应用Ansoft工程电磁场有限元分析软件 Maxwell 2D／3D［11］的电路仿真模块Schematic Capture，分析了四形成线方波成形机理，进行的2kV低压实验验证该方法是可行的，电路设计如图1所示。

图1 四形成线方波成形电路

2.2 四形成线方波成形电路机理分析

指定双同轴电缆1和双同轴电缆2的两端分别为A、B、C、D四个端口，如图1所示。各个端口的芯线与芯线、屏蔽层与屏蔽层分别对应并联。每根同轴电缆的特征阻抗为50Ω.则双同轴电缆1和2的特征阻抗Z1和Z2均为25Ω.负载阻抗RL为50 Ω.同轴电缆长度L＝10m，电磁波在同轴电缆内的传播速度为v.

当t≤0时，两组双同轴电缆上均充满－UB电压，线上电流为零。在t＝0时刻，合上开关K，同轴电缆开始对负载放电。

1）双同轴电缆1始端短接以后，由于边界条件改变，所产生的入射波电压ui必为UB，以保证始端电压为零，由A端向右（B端口方向）传播，同时也产生入射波电流ii＝ui／Z1.此时，负载上尚不出现电压。在t＝L／v时刻，入射波到达B端口负载RL.这时，负载RL和双同轴电缆2的特性阻抗串联起来，构成终端负载，由于Z1≠RL＋Z2，产生一部分反射波和一部分透射波［12］，且有

此透射波的一部分在RL上形成电压降，另一部分进入右边双同轴电缆2成为入射波.因此，负载RL和双同轴电缆2特征阻抗Z2的分压为

开关闭合50ns后，B端口电压波形和C端口的电压波形如图2、图3所示。

端口电压指双同轴电缆屏蔽层和芯线之间的电压。在50～100ns时间里，两者的电位差即为负载的输出电位。图3也显示出在50ns时刻，电压变化的幅度即为透射波电压幅值3kV.

2）在50ns时刻，产生的反射波u反在双同轴电缆1中由B端口向左（A端口方向）传播，而产生的透射波的一部分u′i成为双同轴电缆2的入射波，

在双同轴电缆2中由C端口向左（D端口方向）传播。两个波向左传播的过程中，在负载上产生的压降为＝ui＝UB.

3）当100ns时，u反到达双同轴电缆1的A端口，因为开关短路，反射系数为－1，u反反极性后，向右（B端口）传播，成为第二次入射波（也是第二次反射波）。同时，双同轴电缆2中u′i到达开路终端（D端口），反射系数为1，极性不变，发生全反射，负载RL继续保持电压UB.

4）当150ns时，双同轴电缆1中的二次入射波到达B端口负载RL，此时双同轴电缆2中的反射波也到达C端口负载，这两个波大小相等，极性相反，由于Z1＝Z2，且均为25Ω，而RL＝Z1＋Z2，是混合匹配条件，在此时互相抵消，负载电压电流均为零，波的传递过程结束。50Ω负载输出的仿真波形如图4所示。

图4 四形成线50Ω负载输出波形

2.3 四形成线方波成形电路实验

按图1建立的实际电路采用的主放电开关为真空开关，如图5所示。真空开关有三个电极，其工作介质是真空，管内通常维持在1×10－4Pa以上的真空度，真空开关的触发脉冲在3～4kV之间。实际电路中，以电容放电电路触发真空开关。

图6为50Ω负载上获得的输出波形图。高压直流源输出设定为2kV，四形成线电路输出方波幅值约1.8kV.输出方波脉宽约100ns，上升沿时间为12.591ns.为了比较四形成线电路与双形成线电路对输出方波波形的影响，也采用了类似方案制作了双形成线方波发生装置，图7为双形成线电路100Ω负载上获得的方波波形，幅值约1.93kV，上升沿时间7.764ns.

由此可见，四形成线电路虽然在50Ω负载上实现了输出，但由于其电路结构复杂，电路杂散参数影响大，在脉冲前沿、电压输出效率等方面稍微劣于双形成线电路。但通过改进电路搭接工艺等措施是可以优化的。另外，四形成线电路也增加了脉冲装置的体积。脉宽100ns约需要脉冲形成线10m，总计需要40m的同轴电缆。但并联同轴电缆引起的装置总体积增加并不是很大，对于低压脉冲装置是可以接受的。

2.4 浪涌抑制器方波响应特性实例

为了验证实验装置的实用性，延长方波形成线的长度，使其产生了约1μs的脉宽，对某型浪涌抑制器进行方波注入试验，当注入方波电压为620V时，器件在260V电压时开始响应，图8给出了响应电压与电流波形。

图8 某型浪涌抑制器方波注入响应波形

3.开关参数对输出电压的影响

由以上分析可知，四形成线电路方波成形机理的本质是在输出负载两端波的往返传播过程中产生了均匀的电位差。所以，该方法对电路根本的要求是保证输出负载两端的电路平衡。电路中任何不平衡的微小差异都会造成方波成形的劣化。这种电路可以通过优选同轴电缆、精确匹配（包括输出阻抗的匹配和同轴电缆之间的匹配），以及优化电路结构、改进电路搭接工艺，来达到电路平衡的目的，从而使得方波波形符合标准要求。与单形成线电路比较，单形成线电路的放电回路即为输出回路，不存在电路平衡问题；而四形成线电路的放电回路与输出回路分属于不同的电路，由于高压放电开关的接入，使其具有不可避免的不平衡性。所以，放电开关对四形成线电路输出的方波具有决定性影响，开关的性能参数是决定方波指标的主要因素。为此，采用Maxwell 2D／3D软件，进一步分析了开关内阻和电感对输出波形的影响。

3.1 开关内阻对输出波形的影响

方波电压输出回路的等效电路如图9所示。方波幅值和开关内阻成近似线性关系，即

开关内阻越大，输出电压损失越严重。开关内阻和输出电压的关系曲线如图10所示。尤其是四形成线电路，与双形成线电路比较，由于输出负载变小，开关内阻对方波输出影响变大，如图10所示。对于10kV低压装置，这类电压输出损失是相当可观的。因此，要尽量减小开关内阻，才能提高电压输出效率。对于四形成线电路，如果不考虑上升沿对开关内阻的要求，按照输出效率95%计算，宜选取导通内阻小于1.3Ω的开关。

3.2 开关电感对输出电压的影响

一般来说，如果不考虑输出回路杂散参数对方波上升沿的影响，方波上升沿时间主要由放电回路开关的杂散参数决定，其中开关电感是主要因素［13］。开关杂散电感包括开关结构电感及开关与同轴电缆连接的结构电感。开关放电回路等效电路如图11所示。

图12是开关电感L分别为2nH、20nH以及40nH时的输出波形图。随着开关电感增大，上升沿时间缓慢延长，20nH时上升沿达到5ns。可见，方波上升沿时间主要取决于开关电感。如果要获得较快的上升时间，必须使得开关电感尽可能减小。按照设计指标上升沿为2ns计算，开关电感最大不能超过10nH.

4.结 论

方波输出电压幅值和其上升沿一样，都是倍受关注的问题。人们在提高脉冲前沿的同时，也越来越期望提高电压输出效率。本文基于Blumlein线方波成形机理，提出同轴电缆并联方法，实验验证该方法是可行的，在输出阻抗50Ω的端口上测得了同充电电压幅值相近的方波，并分析了影响方波输出的两个主要参数，提出了具体的改进措施，对于高压开关定型选取及波形优化具有应用价值。

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