一种脉冲压缩装置的制作方法

本发明涉及一种脉冲功率装置，具体涉及一种脉冲压缩装置。

背景技术：

1、脉冲功率技术在粒子加速器、复杂电磁环境模拟、等离子体产生、废水废气处理等领域都有广泛的应用。高功率高效率是脉冲功率技术发展的永恒追求。在脉冲功率系统中，除了高功率脉冲源（如基于单筒脉冲形成线的高功率脉冲源、基于blumlein形成线的高功率脉冲源）外，通常还包括脉冲压缩装置。脉冲压缩装置的作用是：对高功率脉冲源产生的输出脉冲进行压缩整形，以进一步缩短脉宽、提高功率。在脉冲压缩过程中，如何在提高功率的同时保持高能量效率成为主要技术难题。

2、现有一种基于纳秒传输线充电技术的脉冲压缩装置如图1所示，由美国学者jamesp. o'loughlin于1995年提出（james p. o'loughlin. nanosecond transmission linecharging apparatus: united states, 5444308[p]. 1995-08-22）。该脉冲压缩装置由高阻传输线t1、低阻形成线t0、开关s、负载rl等组成，其中：t1为输入传输线；t0是一段短线，电磁波在其中的传播时间远小于待压缩的输入脉冲的脉冲宽度；开关s的初始状态为断开状态；负载rl与t0的阻抗相同。该脉冲压缩装置的原理是：输入脉冲入射进高阻传输线t1，并通过t1透射进低阻形成线t0；在t0内，透射进来的电压波被开关s和t1多次来回反射，各级反射电压波叠加形成一个台阶式上升的高电压；当开关s导通后，t0向负载rl放电，产生脉宽比输入脉冲短、功率比输入脉冲高的输出脉冲。

3、在上述脉冲压缩过程中，为了实现电压波在t0内部来回反射叠加的目的，必须要求t1的阻抗高于t0阻抗（通常情况下，t1的阻抗需要远高于t0阻抗），以使t1对t0内的电压波产生正反射。也即，t1和t0实际处于阻抗失配状态。因此，输入脉冲在从t1注入t0的过程中将不可避免地发生反射，反射电压波经过t1返回了前级高压脉冲源，透射电压波则进入了t0。透射进入t0的这部分电压波，在t0内部来回反射叠加过程中，每被t1反射一次就会损失一部分能量。也就是说，即使是透射进入t1的这部分能量，也没有得到完全利用。基于以上原因，现有脉冲压缩装置的理论能量效率最高不超过80%。

4、由于t0内部电压波每被t1反射一次就会损失一部分能量，产生了另一个不利因素：随着反射叠加过程的进行，反射电压波幅值逐级降低，导致t0内部电压幅值每台阶增长量越来越小。宏观上看，低阻形成线t0内部的电压幅值增长呈现饱和趋势。这种饱和趋势对开关s的导通特性是不利的，因为这意味着开关s导通前两端承受的电压上升率较低。无论是气体开关还是固态半导体开关，较低的电压上升率都会带来开关抖动增大、工作稳定性变差的问题。

5、在实际工程应用中，为了尽量降低开关抖动，开关s的工作点往往需要大幅提前，以尽量在t0内还处于高电压上升率状态时闭合导通，但是这样又必然会导致输入脉冲的脉冲宽度有一部分没有得到利用。通常情况下，为了实现足够低的开关抖动，输入脉冲宽度的利用效率不超过2/3。由于该原因，现有脉冲压缩装置的能量效率的实验测试值通常不超过50%，大幅低于约80%的最高理论值。

6、综上，现有脉冲压缩装置存在的问题主要有：一、由于内在阻抗不匹配因素，脉冲压缩的能量效率较低；二、低阻形成线t0内部的电压幅值增长呈现饱和趋势，使得开关抖动较大，工作稳定性差；三、如果试图通过开关工作点大幅提前的方法降低抖动，又会导致脉冲压缩的能量效率进一步降低。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有脉冲压缩装置存在脉冲压缩能量效率较低，开关抖动较大造成工作稳定性差，以及采用通过开关工作点大幅提前的方法降低抖动会导致脉冲压缩能量效率进一步降低的技术问题，而提供一种脉冲压缩装置。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案为：

3、一种脉冲压缩装置，其特殊之处在于：

4、包括输入传输线、阶梯传输线、低阻形成线、开关s以及负载rl；n为阶数，n≥2；

5、所述阶梯传输线包括n-1段电气长度相同且依次连接的传输线、传输线、…、传输线和传输线；所述传输线的输出端口短接；

6、所述低阻形成线的电气长度与阶梯传输线中单段传输线的电气长度相同；

7、所述输入传输线的输入端口用于连接外部的高功率脉冲源；

8、所述传输线的输入端口与低阻形成线的输入端口串联后，连接输入传输线的输出端口；

9、所述开关s与负载rl的一端串联，另一端分别连接低阻形成线的输出端口；

10、所述传输线的输出端口短接；

11、所述输入传输线与低阻形成线的阻抗之比为n，传输线、传输线、…、传输线和传输线与低阻形成线的阻抗之比依次为n(n-1)/n、(n-1)(n-2)/n、……、3·2/n、2·1/n。

12、进一步地，所述低阻形成线的电气长度按照如下方法确定：

13、脉冲波在低阻形成线中的传播时间τ为脉冲波宽度的1/2n。

14、进一步地，所述开关s的闭合时间按照如下方法确定：

15、定义脉冲波的波前传播到输入传输线、传输线和传输线交界面处的时刻为t=0时刻，则开关s的闭合时间为t=(2n-1)τ时刻。

16、进一步地，所述输入传输线、阶梯传输线和低阻形成线为同轴线、微带线或平行平板线。

17、进一步地，所述开关s为气体开关、固体开关或液体开关。

18、与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

19、1、本发明的脉冲压缩装置利用阶梯传输线内多级反射电压波，实现了对低阻形成线的多次注入，同时实现了输入匹配（即输入脉冲波在输入传输线、传输线、低阻形成线交界面无反射），因而在理论上实现了无损脉冲压缩，可将输入脉冲波的功率提升n倍，脉宽缩短到1/n，能量效率100%。

20、2、本发明的脉冲压缩装置工作过程中，低阻形成线内电压幅值呈现等幅台阶式增长，使得开关s在导通前始终保持高电压上升率，有利于降低开关抖动，提高开关工作稳定性。

21、3、本发明的脉冲压缩装置在实际工程应用中，由于开关s抖动小，不需要将开关工作点大幅提前，因此输入脉冲宽度利用效率高。

1.一种脉冲压缩装置，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种脉冲压缩装置，其特征在于，所述低阻形成线的电气长度按照如下方法确定：

3.根据权利要求2所述的一种脉冲压缩装置，其特征在于，所述开关s的闭合时间按照如下方法确定：

4.根据权利要求3所述的一种脉冲压缩装置，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的一种脉冲压缩装置，其特征在于：