《基于铁氧体传输线的脉冲陡化技术研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于铁氧体传输线的脉冲陡化技术研究（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、西安电子科技大学 硕士学位论文 基于铁氧体传输线的脉冲陡化技术研究 姓名：俞建国 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：谢拥军 20100101 摘要 铁氧体传输线在核电磁脉冲模拟、高功率微波、超宽带雷达、激光波克尔斯 盒驱动等领域有着巨大的应用前景。铁氧体传输线可以将脉冲从几十纳秒陡化到 数纳秒，或者是从数纳秒陡化到数百皮秒。铁氧体传输线结构简单，具有高可靠 性以及高重频运行能力，最高重频可达几十千赫兹。 本文结合微观磁学以及磁性存储材料的研究结果，阐述了铁氧体传输线的工 作原理；结合传输线方程和朗道里弗席茨方程，建立了计算模型，并利用了传输 线矩阵方法对铁氧体传输线进行了模
2、拟，给出了部分的铁氧体传输线的特性。在 实验中，对比了镍锌铁氧体和微波铁氧体材料，分析了铁氧体传输线对不同电压 的变化规律以及励磁的影响等。 最后，在脉冲功率源上，将3 n s 的脉冲前沿压缩到3 5 0 p s ，实现了l O k H z 的 高重频运行，输出脉冲稳定。 关键字：铁氧体传输线，脉冲陡化，朗道一里弗席茨方程 A b s t r a c t T h ef e r r i t el i n ei so n eo ft h en o n l i n e a rt r a n s m i s s i o nl i n e I t sa p p l i c a t i o n si n
3、c l u d e H P Me b e a md r i v e r ，P o c k e l s C e l ld r i v e r ，a n du l t r a w i d e b a n dr a d a ra n dS Oo n I t sw o r k v o l t a g ei Sa l w a y sb e t w e e nlO k Va n ds e v e r a lh u n d r e d sv o l t s T h ew o r kr e p u t i t i o no ff e r - r i t el i n ei su pt o6 0 k H za
4、tb u r s tm o d e I nt h i sp a p e r ，d e e p e rr e s e a r c hi se n v o l v e di nm a g n e t i cs t o r a g es t u d y At h o r o u g hi n v e s t i g a t i o no ff e r r i t el i n ei sc a r d e do u t A c o m p u t e rm o d e li sb u i l tu pw h i c hc o m b i n e st r a n s m i s s i o nl i
5、n ee q u a t i o na n dL a n d a u 1 i f s h i ze q u a t i o nt os t u d yt h ef e r r i t el i n e T L Mm e t h o di Sa p p l i e dt os o l v et h em o d e l a n ds o m ec h a r a c t e r so ff e r r i t el i n ea r eg i v e no u t T h ep u l s es h a r p i n ge f f e c tv a r i e sw i t I lf e r
6、r i t em a t e r i a l s I th e l p st h ef i n a ls e l e c t i o no ft h em o s te f f i c i e n tf e r r i t em a t e r i a l m i c r o w a v ef e r r i t e T e s t so nc a p a c i t o r f a s t d i s c h a r g i n gc i r c u i tm a k ec l e a rt h a tt h ep u l s e s h a r p e n i n ge f f e c t
7、v a r i e sw i t ht h ea m p l i t u eo fi n p u tv o l t a g e T e s t so nS M 一7 Ni n d i c a t et h e a x i a lb i a si sv e r yi m p o a a n tf o rt h ep u l s es h a r p i n g T h e r ei sab e s tv a l u eo ft h ea x i a lb i a s f o r t h ef a s t e s tf r o n to fp u l s e O nt h eS M 7 N af
8、e r r i t el i n ei Sa p p l i e da n dt h e nt h ep u l s ef r o n ti Ss h a r p e nf r o m 3 a st oN 3 5 0 p sa tt h er a t eo f1O k H z T h eo u t p u to ft h ef e r r i t el i n eh a sag r e a ts t a b i l i z a t i o n K e yW o r d s ：F e r f i t eL i n e P u l s eS h a r p e n i n gL a n d a u
9、 - l i f s h i zE q u a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：葫虐因 日期逊：墨：之y 西安电子科技大
10、学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期垒应：i ：兰! 荤 象坐 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 本课题的研究目的 高功率微波、脉冲雷达
11、、E M P 模拟、激光、波克尔盒驱动等领域都需要高重 频、快前沿的高压脉冲信号，高压气体开关和火花间隙开关都可以产生前沿小于 2 0 0 p s 的快脉冲，但是其重频受限于l k H z 左右【l 】，因电极烧蚀开关寿命受到限制。 非线性传输线在高电压的环境中使用方便，具有良好的重频特性和寿命。非线性 传输线包括变化的电阻、电容或电感。其中加载了非线性磁性材料铁氧体的传输 线受到了极大的关注。 铁氧体传输线的作用是将初始脉冲前沿陡化，实验研究表明，铁氧体传输线 可以将几十纳秒的前沿压缩到几纳秒，将几纳秒的前沿压缩到百皮秒，应用的电 压幅值从几千伏到几百千伏。目前利用铁氧体传输线已获得几十皮秒
12、量级的快脉 冲前沿。不同于磁开关，铁氧体传输线是一种整形器，其物理机制和磁开关也不 同。铁氧体传输线具有高可靠性，结构相当简单，而且成本低廉，可以大量获取， 可重频工作在3 0 k H z 以上，并且具有良好的稳定性。本课题主要研究铁氧体传输 线的特性，建立设计方法，获得前沿几百皮秒电压几十千伏的快脉冲。 1 2 国内外铁氧体传输线的研究现状 早在1 9 2 3 年，就有人发现了加载了非线性铁磁元件的电报电缆上的脉冲形变 和陡化【2 1 。受限于半导体闸流管在脉冲发生器的应用，1 9 5 0 年人们对利用根据幅 度变化的非线性电路参数( 电容或者电感) 来改变波的传播速度以陡化脉冲前沿的 方法
13、产生了兴趣，1 9 5 3 年基于非均匀介质的平面波传播首次被考虑。接着计算机 和通信存储设备的发展过程中也发现了这种铁氧体传输线的陡化现象 3 1 。接着出现 了包括铁氧体、铁电体、非线性电容以及反向偏压的P n 结二极管的非线性传输线 1 6 - 9 1 。其中铁氧体传输线受到了极大的关注。 1 9 5 8 年卡塔耶夫利用包含铁氧体磁芯的非线性传输线陡化了脉冲前沿H ，首 先提出了电磁冲击波的解释，并给出了完整的数学描述【5 】。铁氧体传输线一般由内 外导体以及磁介质构成，内导体之外是环形铁氧体，包裹着热缩管以固定铁氧体， 然后是绝缘层，有油绝缘或者固体绝缘。 现将一些铁氧体传输线的研究结
14、果介绍如下。 1 9 7 9 年，在卡塔耶夫的理论基础上，M a u r i c eW e i n e r 提出了一种简单的有损耗 的线性传输线模型【lo 】，他认为，当脉冲输入铁氧体传输线，由于阻抗不匹配，大 部分波被反射，但是没有被反射的那部分励磁了磁芯，使得磁芯快速饱和，传输 2基于铁氧体传输线的脉冲陡化技术研究 线的阻抗下降，于是，饱和波前沿着传输线继续传播，而且，饱和波前的速度随 着电压幅度的增大而增大，于是脉冲前沿陡化。模型计算的结果当铁氧体传输线 长为1 0 1 c m 入射脉冲前沿为1 5 n s 时，可获得2 n s 脉冲前沿，实验结果为1 3 0 c m 时 脉冲前沿6 n
15、 s ，压缩了1 2 多。铁氧体磁芯饱和磁感应强度为3 0 0 0 G u a s s ，剩磁 2 0 0 0 G u a s s ，矫顽力0 8 5 0 e 。 1 9 8 1 年，M a u r i c eW e i n e r 重新进行了实验【l l 】，将3 0 n s 的脉冲前沿压缩为2 n s ， 并且理论计算和实验结果相吻合，由此得出了脉冲前沿与电压、传输线长度、励 磁等一些铁氧体传输线的相关的规律。实验的铁氧体传输线长1 2 0 c m ，单个磁芯 1 2 5 c m 长，外径0 5 c m 内径0 2 5 c m ，同轴线外径为0 2 4 c m ，内径为0 6 4 c m
16、。磁芯 ( 牌号为T T l 3 0 0 0 ) 参数同上。文中有一个很重要的结论：让人惊讶的是，即使励 磁电流为O 时，脉冲陡化现象还是存在的，于是M a u r i c eW e i n e r 认为在高功率快脉 冲前提下，脉冲陡化过程并不是沿着磁滞回线，而是由G i l b e r t 提出来的包括了耗 散项的磁化运动方程决定的。文中就励磁电流大小，脉冲幅度大小对脉冲陡化的 影响进行了讨论，认为不同励磁的情况下，转换系数& 也是不同的。作者还讨论 了励磁大小的问题，陡化最佳时励磁场大小为0 4 2 0 e 时，B 约18 0 0 G u a s s ，并 没有用到饱和。 1 9 8 2 年，俄罗斯人利用铁氧体传输线在电压2 5 0 k V 时将前沿陡化到了 5 0 0 p s t l 2 1 。 在1 9 8 5 年D M P a r k e s 偶然发现使用了条形磁体对磁芯沿传输线轴向励磁， 使得脉冲前沿在1 0 k V 左右从l n s 减小到低于3
