新型电感储能脉冲功率源及其驱动S波段锥形MILO的研究

论文摘要

高功率微波的应用对脉冲功率技术和高功率微波源技术提出新的要求是向小型化和长脉冲方向发展。电感储能脉冲功率源和磁绝缘线振荡器(Magnetically insulated transmission line oscillator,简称MILO)作为各自领域内向该方向发展的重要候选者之一得到了广泛关注。本文在对新型电感储能脉冲功率源电路进行理论分析和数值计算研究的基础之上,研制了一台基于新方案的脉冲功率源,同时还研制了一个和该脉冲功率源相匹配的S波段15Ω锥形MILO负载,并进行了联调实验。本文的主要研究内容有以下几个方面:1)在研究传统电感储能脉冲功率源工作原理基础之上,开展了新型电感储能脉冲功率源工作原理的理论分析与数值计算研究。新方案的核心思想是利用传输线的延时隔离作用,将两个电感的放电时刻在时间上进行错开,从而起到改善输出波形质量的作用。采用等效电路的方法推导出了储能电感放电计算公式,表明新方案是将传统电感指数衰减放电波形转换成指数衰减放电波形和正弦阻尼振荡放电波形的叠加,从而达到改善波形质量的作用。同时,新方案还具有降低阻抗以及提高能量转换效率等优点。此外,还得到了当储能电感L2和传输线电容C2以及负载电阻RL所组成串联回路品质因数满足Q≈1时可获得最大能量转换效率的结论。PSpice电路仿真实验验证了理论分析结果。2)在理论分析和数值计算研究的基础之上,开展的原理性实验初步验证了理论设计的正确性。在此基础之上,再通过对关键部件的调研、选取、结构设计以及静电场分析等,研制了一台基于新方案的脉冲功率源。开展了该脉冲功率源电路参数测试工作并驱动水电阻假负载进行了实验研究,实验结果验证了电路仿真计算结果。3)在调研、比较和理论分析的基础之上,设计了S波段15Ω锥形MILO负载并开展了实验研究。从MILO的色散关系出发,设计了器件结构尺寸,并进行了模拟优化和实验研究。该器件在电压500kV,电流35kA的条件下获得了效率11%、功率2GW、频率2.65GHz的高功率微波输出。MILO在长脉冲情况下运行的研究结果表明,脉冲功率源输出电压波形质量差是造成微波波形质量较差的关键因素。对不同负载结构对微波输出性能影响的研究表明,采用石墨负载收集极是一个良好的选择。4)开展了新型电感储能脉冲功率源驱动二极管的实验研究。通过对所研制的脉冲功率源驱动虚阴极振荡器(Virtual cathode oscillator,简称VCO)、15ΩMILO、20ΩMILO等作为二极管负载的实验研究,明确了脉冲功率源的工作特性。对二极管电流和电爆炸丝根数与充电电压比值(n/Uc)的关系研究表明,存在最优的n/Uc,可使脉冲功率源获得最大的电流输出。调整陡化开关气压的研究表明,合理的开关气压是获得良好脉冲波形质量的保证。改变储能电感L2的研究表明,通过调整电感大小容易改变输出波形。对实验中出现的脉冲缩短问题进行了深入研究,明确了二极管击穿和电爆炸丝开关沿面爬电是发生脉冲缩短问题的主要原因。开展了驱动S波段15Ω锥形MILO的初步实验研究,在二极管电压300kV、电流22kA、脉冲宽度214ns的条件下,获得了功率200MW、脉冲宽度66ns的高功率微波输出。5)在理论分析和实验研究的基础之上,提出了紧凑化的设计思想,开展了紧凑化结构设计。详细介绍了紧凑化设计思路,对各关键部件进行了结构设计和静电场分析,得到了长不超过1m,直径不超过0.65m,技术指标为电压500kV、电流34kA、脉冲宽度160ns的紧凑化结构模型。另外还提出了全固态化设想并进行了电路仿真验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据及意义
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 电感储能脉冲功率源研究现状
• 1.2.2 MILO 研究现状
• 1.3 课题研究方法及主要工作
• 1.3.1 课题研究方法
• 1.3.2 课题主要工作
• 第二章 新型电感储能脉冲功率源理论分析
• 2.1 电感储能脉冲功率源工作原理
• 2.1.1 电容储能和电感储能的比较
• 2.1.2 电感储能脉冲源工作原理
• 2.1.3 电感储能充电过程分析
• 2.1.4 电感储能放电过程分析
• 2.1.5 电感储能放电能量传输效率分析
• 2.1.6 电感储能放电波形特性
• 2.2 新型电感储能脉冲功率源工作原理
• 2.2.1 基本工作原理
• 2.2.2 充电过程分析
• 2.2.3 放电过程分析
• 2.2.4 能量转换效率和能量传输效率分析
• 2.3 新型电感储能脉冲功率源电路仿真研究
• 2.3.1 PSpice 软件
• 2.3.2 新型电感储能脉冲功率源电路仿真研究
• 2.3.3 电路参数的确定
• 2.4 原理性实验
• 2.4.1 平面二极管实验
• 2.4.2 网状平面二极管实验
• 2.5 小结
• 第三章 新型电感储能脉冲功率源的研制和初步实验
• 3.1 新型电感储能脉冲功率源主要部件设计
• 3.1.1 电感线圈的设计和制作
• 3.1.2 同轴传输线的选择
• 3.1.3 断路开关的选取和制作
• 3.1.4 陡化开关的选择和设计
• 3.1.5 二极管的选取
• 3.1.6 水电阻假负载的制作
• 3.2 测量系统
• 3.2.1 电阻分压器
• 3.2.2 罗可夫斯基线圈（Rogowski）
• 3.3 其它附属系统
• 3.4 电感储能脉冲功率源初步实验
• 3.4.1 系统参数测量
• 3.4.2 水电阻假负载实验
• 3.5 小结
• 第四章 锥形MILO
• 4.1 锥形MILO 简介
• 4.1.1 MILO 工作原理
• 4.1.2 锥形MILO 简介
• 4.2 MILO 的色散曲线
• 4.3 器件结构设计和优化
• 4.3.1 器件结构的确立和粒子模拟优化
• 4.3.2 模式转换器设计
• 4.3.3 器件的冷腔分析
• 4.3.4 器件的品质因数
• 4.4 实验研究
• 4.4.1 测量方法简介
• 4.4.2 实验研究
• 4.5 器件的改进设计
• 4.5.1 改进后器件的品质因数
• 4.5.2 改进后的粒子模拟结果
• 4.5.3 谐振点扫描情况
• 4.5.4 实验情况
• 4.6 长脉冲实验
• 4.6.1 Spark04 长脉冲平台实验和分析
• 4.6.2 重频长脉冲平台实验和分析
• 4.7 小结
• 第五章 新型电感储能脉冲功率源驱动微波源的实验研究
• 5.1 VCO 负载实验研究
• 5.1.1 阻抗30ΩVCO 负载
• 5.1.2 阻抗18ΩVCO 负载
• 5.2 MILO 负载实验研究
• 5.2.1 长度35cm 传输线
• 5.2.2 长度90cm 传输线
• 5.3 小结
• 第六章 新型电感储能脉冲功率源的紧凑化设计
• 6.1 电路参数的选取
• 6.2 紧凑化设计思想
• 6.2.1 紧凑化设计总体思路
• 6.2.2 电爆炸筒结构设计
• 6.2.3 二极管结构设计
• 6.2.4 陡化开关结构设计
• 6.2.5 其它
• 6.3 全固态设想
• 6.4 小结
• 第七章 总结
• 7.1 主要工作与结果
• 7.1.1 新型电感储能脉冲功率技术
• 7.1.2 S 波段锥形MILO
• 7.1.3 新型电感储能脉冲功率源驱动微波源的实验研究
• 7.1.4 新型电感储能脉冲功率源的紧凑化设计
• 7.2 主要创新点
• 7.3 存在的主要问题及工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附录 B 攻读博士学位期间所取得的科研成果