高压脉冲传输线（共7篇）
高压脉冲传输线 篇1
0 引言
高压脉冲电场(Pulse Electric Fields,PEF)是一种非热灭菌技术,具有灭菌时间短、温升小、能耗低和灭菌效果显著等优点,成为近年来国内外的研究热点[1]。高压脉冲电场灭菌技术主要由高压脉冲电源和灭菌室构成,其中,高压脉冲电源是系统的核心部分。但目前的高压脉冲电源技术大多停留在实验室水平上,或采用俄亥俄州立大学食品系(简称OSU)的高压脉冲电场调制器系统。为了使该技术能够进一步走向产业化,本文提出新的基于波传输网络原理的高压脉冲电源,能够实现输出高压脉冲的电压、脉宽、频率和脉冲数等参数的精确控制,输出电压50-100kV可调,脉冲宽度1us-10us可调,频率1-100Hz可调,输出方波,以适应300x300mm极板的电场,在极板间距在2cm~10cm之间平行可调的情况下实现多种电场强度满足灭菌试验的各种要求。
1 脉冲产生电路设计
系统利用波传输过程原理,设计脉冲形成网络来产生高压脉冲,再通过脉冲变压器升压使输出电压值达到要求,所设计的电路如图1所示。工作过程如下:由直流高压电源给电容器C1~C34充电至设定值,再控制开关SW1和SW2在不同时刻导通,在脉冲变压器T1的初级产生一个方波脉冲,通过脉冲变压器升压后,在负载C35上产生一个高压方波脉冲。调节电容器C1~C34上的初始电压值,可以改变负载上的脉冲电压值。改变开关SW1和SW2的导通时刻,可以改变负载上的脉冲宽度。
在设计中,电容器C1~C34充电电压值为5 k V~1 0 k V,对应负载上脉冲输出电压值为50kV~100kV。改变开关SW1和SW2的导通时刻,可使加在负载上的脉冲宽度在1μs~10μs之间变化。开关SW1和SW2采用氢闸流管。脉冲变压器T1的变比为1:10。硅堆D1的脉冲电流大于200A,耐压大于30kV。
2 能源系统设计
能源系统用于提供系统的直流高压电源,提供给电容器C1~C34充电,电路原理如图2所示。
缓启动电路:一种采用可控硅调压的方式来实现缓启动;
调压器:采用自耦变压器调压;
高压变压器:输入单相交流220V,输出交流4.5kV;
整流桥:采用单相全波整流,整流用高压硅堆采用耐压15kV,电流2A的高压硅堆;
限流电阻:限流电阻主要起保护作用;
储能电容器:电容值为2μF,电容的工作电压6kV;
直流分压器:直流分压器采用电阻分压原理,用10MΩ电阻和10kΩ电阻串联而成。分压比为1000:1。当系统停止工作时,直流分压器还充当储能电容器上能量泄放电阻的作用(时间常数为20s)。
3 控制及显示电路
能源系统中的控制及显示电路如图3所示。在本系统中控制器采用工控机,通过模拟量和数字量的输入输出板卡来实现信号的输入输出。
其中,模拟量输入是指直流高压信号;键盘设置主要设置输出脉冲的宽度、频率、输出脉冲数和工作时间等参数;显示电路主要显示直流高压、输出脉冲的宽度、频率、输出脉冲数和工作时间等;开关量输入只是作为面板开关之间互锁用;开关量输出用于系统的起停、部分弱电电路的供电和一些保护开关的控制;氢闸流管1触发信号和氢闸流管2触发信号都是脉冲信号,这两个脉冲信号频率、脉冲数和两个脉冲信号之间的延时可以通过控制器进行设置。
本系统需要测量的信号主要有直流高压信号和高压脉冲信号。直流高压信号通过电阻分压器后,进行信号隔离转化,输入控制器,进行显示。高压脉冲信号通过脉冲分压器后,输入给示波器,进行观测。脉冲分压器可采用电阻分压器或阻容分压器。
4 脉冲形成网络电容充电电路设计
脉冲形成网络电容充电电路原理如图4所示,充电方式采用L-C谐振充电。图中C36为能库电容,C36由能源系统充电。D2为高压硅堆。L37为谐振电感。L38、L39和SW3表示磁开关。
工作过程如下:能库电容C36通过高压硅堆D2、谐振电感L37和磁开关给脉冲形成网络电容C1~C34充电。C1~C34的电压值达到约1.8倍能库电容C36电压值时,充电结束,经过一定时间,磁开关反向饱和,此时开关SW1和SW2分别导通,在负载上产生所需的高压脉冲,单次高压脉冲产生完成,重复频率工作时就不停的重复上述过程。
5 仿真实验结果
设计高压脉冲电场为一平行极板300x300mm,极板间距在2cm~10cm之间,上下平行可调。
图5为输出电压100KV、输出脉宽10μs的输出波形电压和脉宽的模拟输出波形,从该结果可以看出,系统可有效地满足高压脉冲电源的输出要求。
6 结束语
本文提出了一种新的基于波传输网络的高压脉冲电源,脉冲形成网络产生高压脉冲,由工控机作为系统控制器,可精确控制输出脉冲的电压、输出脉冲的宽度、频率和输出脉冲数等,工作电压可达100kV,可以满足高压脉冲电场灭菌系统的需要。
摘要：高压脉冲电场灭菌技术是近年来发展起来的极有潜力的非热灭菌技术,其中高压脉冲电源是系统的核心组成部分。本文提出了一种基于波传输网络原理的高压脉冲电源,其设计输出电压可达100kV,系统由脉冲形成网络产生高压脉冲,由工控机来作为系统的控制器。所开发的高压脉冲电源可满足食品高压脉冲电场非热力灭菌的需要。
关键词：高压脉冲电源,波过程网络,非热力灭菌
参考文献
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高压脉冲传输线 篇2
脉冲功率技术的发展促进了高功率微波领域的技术进步,对传输线的要求也越来越高。当传输具有一定重复频率的高压纳秒脉冲信号时,施加在传输线上的峰值功率可能会达到吉瓦量级,峰值电压达到兆伏量级。为了方便使用,此类传输线还要求具有较好的柔软性。根据工程实际需要,我们设计了半柔软型SF6压缩气体绝缘高压纳秒脉冲传输线,代替了传统的硬金属管传输线,大大提高了系统使用的便利性[1,2]。
1 传输线的结构设计
作为高功率脉冲电源与负载之间的连接馈线,系统对传输线的主要要求是:外径不大于230mm,特性阻抗为50Ω,600MHz频率下的衰减系数小于0.05dB/m,能传输脉冲宽度为3ns、峰值功率为50GW的单次脉冲。根据整机系统要求,该传输线整体结构为三同轴结构,包括内导体、外导体和抗拉元件。我们在设计该半柔软型SF6压缩气体绝缘高压纳秒脉冲传输线时,采用铜管内导体以减少传输损耗,采用不锈钢管外导体以提高传输线的整体机械强度,传输线内外导体采用轧纹结构形式以增加内外导体的柔软性[3],采用不锈钢丝编织结构作为抗拉元件以防止传输线在高气压下产生较大范围的纵向拉伸变形以及缓解横向膨胀。传输线整体外形结构剖面如图1所示。
1.1 内外导体的结构参数
首先我们根据特性阻抗ZC和与结构尺寸相关的截止频率f1的计算公式,初步确定该传输线的外导体的等效内径De,内导体的等效外径de,传输线的等效介电常数εe。ZC和f1的计算公式为:
式中c为光速,c=3×108 m/s。该传输线用于传输高功率高压信号,要其横向结构尺寸较大;而纳秒脉冲信号中有较多的高频分量,为保证传输线在高压纳秒脉冲信号下正常的传输性能,传输线必须在600MHz时可以正常传输高压脉冲信号,才能满足工程实际使用要求。为此确定该传输线的截止频率为625MHz,由式(2)可知,较高的截止频率限制了电缆的横向结构尺寸。因此在结构尺寸设计时要兼顾耐压等级和纳秒脉冲信号的正常传输。De/de为2.1～3.0时传输线内导体表面场强较低(De/de=2.71时最低),综合考虑了系统对特性阻抗、截止频率要求后,我们取De/de=2.375。根据对该传输线外径的限制,及外导体采用轧纹结构,确定De=209mm,从而可得de=88mm。由式(1)可计算出εe≈1.08时传输线的特性阻抗才能满足系统的要求。
整机系统要求传输线能够正常传输50GW的脉冲峰值功率,即脉冲峰值电压约为1 580kV,为了可靠起见,考虑了1.58左右的安全系数,要求传输线能够耐脉冲峰值电压Vp=1 580×1.58≈2 500kV。峰值电压与绝缘介电强度E的关系为:
式中D为外导体的内径,d为内导体的外径。根据系统对该传输线的柔软性要求,我们确定内导体的轧纹深度为16 mm,外导体的轧纹深度为25.5mm,D=196mm,d=96mm。由式(3)可以计算传输线绝缘部分至少应满足E=660kV/mm的介电强度。
该传输线的主要结构尺寸及选材如表1所示。
注:1)表中给出的结构尺寸均为标称值。
1.2 绝缘的结构参数
在该传输线的设计中,绝缘结构参数的设计最为重要。常规的高压或高功率传输线绝缘大多采用固体实心材料,通常由交联聚乙烯(介电强度为35kV/mm)和均化电场、提高耐电强度的内外半导体材料组成,但这种绝缘结构因固体绝缘自身介电常数大、传输损耗较高不适宜传输高压纳秒脉冲信号。针对高压纳秒脉冲信号传输线传输的峰值功率为吉瓦量级,峰值电压为兆伏量级,我们采用压缩SF6气体(主绝缘)和聚苯醚(PPO)的组合绝缘结构,利用压缩SF6气体在较高气体压力下既具有优异的介电强度,又具有较低的介电常数和传输损耗,一方面保证传输线能够承受较高的电压等级,另一方面确保系统对传输线传输损耗的要求[4]。
衰减系数α的计算公式为:
式中f=600 MHz,k1a=k3a=3,k1c=3.17,k3c=6.9;tgδe为介质损耗角正切,tgδe=0.000 03;De=209mm,de=88 mm。由式(4)可计算出,当εe≈1.08时传输线的衰减系数为0.04dB/m,满足系统的要求。
表2为直流运行条件下不同气压时SF6气体的介电强度。可见,在直流运行条件下SF6气体的介电强度随着气压的升高而增强,即高气压下SF6气体的电气绝缘性能较佳。根据电磁场模拟结果,为满足660kV/cm的介电强度,即SF6气体的压力应介于1～2MPa。根据相关工程经验,综合考虑传输线性能要求和运行维护成本,最终确定该传输线中采用1.7MPa(17个大气压)SF6气体绝缘。
PPO绝缘子作为内外导体之间的支撑结构件,可提供足够的机械稳定性和一定的电气性能。为了了解PPO材料在不同运行条件下的介电性能,我们分别在直流、单个脉冲和重复频率脉冲条件下对PPO的介电强度进行了测试,测试结果如表3所示。从表中数据可知,在脉冲运行条件下PPO的介电强度约为直流运行条件下的10倍。为了提高PPO绝缘子的表面电阻,减小表面爬电对击穿电压的影响,我们对PPO绝缘子表面进行了适当的处理,提高了表面径向爬电的距离,进而提高了PPO绝缘子表面电阻和击穿电压。
与绝缘支撑结构件间距相关的截止频率f2的计算公式为:
式中L为相邻绝缘子之间间距。由式(5)可知,当传输信号的半波长与绝缘支撑结构件间距相等时该频率被截止。图2示出了传输线不同位置的PPO绝缘子以及绝缘子与内导体的装配图。根据PPO材料的耐电强度、传输线截止频率、衰减系数,我们将该传输线中绝缘子的厚度设计为18mm,相邻绝缘子之间间距L=210mm,由此可以计算出绝缘支撑结构的等效介电常数ε0=1.74,而SF6气体绝缘部分的介电常数为1.0,最终计算出该传输线的等效介电常数εe=1.08,这既满足了系统对该传输线耐电压的要求,又满足了系统对该传输线的特性阻抗和衰减系数的要求。
2 传输线的性能测试
2.1 传输线高压脉冲试验
为考核传输线在脉冲功率试验条件下的耐压能力,我们搭建了传输线高压脉冲试验装置,如图3所示。经多次2 250kV,3ns高压脉冲试验,该传输线未被击穿。
2.2 传输线衰减性能测试
我们对所设计的半柔软型SF6压缩气体绝缘高压纳秒脉冲传输线的衰减性能进行了测试。为了方便传输线与测试装置的匹配,我们在测试中使用了转接器,测试系统如图4所示。
衰减系数测试结果如图5所示。图5a)为在测试频率600MHz时系统中仅接入转接器而未接入传输线时的输出信号,图5b)为同时接入转接器和传输线时的输出信号。由于测试中所采用的传输线长度为7.4m,所以该传输线衰减系数为(16.67-16.79)/7.4≈-0.016dB/m,满足系统对传输线衰减系数的要求。这主要是由于传输线自身结构尺寸均匀性较好,同时PPO绝缘支撑结构节距的合理性布局避免了反射损耗。
试验结果证明,我们设计的半柔软型压缩SF6气体绝缘高压纳秒脉冲传输线可承受的脉冲峰值电压高达2 250kV,实际衰减系数仅为0.016dB/m,传输线的截止频率可以达到625 MHz,使其可以用于传输高压纳秒脉冲信号,完全满足相关指标要求。今后我们还将进一步以此传输线为试验载体,在脉冲功率条件下测试不同压力下SF6气体绝缘介电强度,进而与交、直流条件下的试验结果进行对比,最终补充完善高气压SF6在脉冲功率条件下的击穿理论。
参考文献
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高压脉冲传输线 篇3
近年来,基于传输线变压器(TLT)的脉冲功率技术研究在国内外取得了长足的进步。TLT相对传统的脉冲变压器,由于受漏感、杂散电容等因素影响较小,具有良好的宽频响应特性,在保持脉冲波形上有一定优势,其构造也符合脉冲功率全固态、紧凑化的发展方向[1],因此在脉冲功率研究领域受到越来越多的重视。
在国内外的研究中,牛津大学的Paul W.Smith等人在2006年研制出一台10阶TLT,将470V、1μs的单脉冲升压到4.4kV,升压比达到9.4[2,3];国内的水平相对落后,复旦大学的邱剑等人在2007年研制的10阶TLT,升压比为6.7[4];国防科技大学的王松松等人在2010年研制的4阶TLT,升压比接近4[5]。
本文的研究着眼于高重频窄脉冲技术,脉冲重复频率达到400kHz、脉宽200ns。这对经过TLT后脉冲的上升/回落时间都提出了更高的要求。
1 TLT原理及电路模型
对于升压TLT,其基本实现方式较为简单,可归结为各阶输入端并联、输出端串联,N阶TLT理想升压比为N,但由于次级线回路[1]的存在,其详细工作机理又是复杂的。成功实现10阶TLT的Paul W.Smith等人在其1999的论文[2]中提出了一种TLT的电路模型,根据该电路模型可简化TLT研究及设计,因而被广泛应用[3,5,6]。该模型对于4阶TLT如图1所示,若采用传输线绕磁芯方案实现TLT,则图中L对应单根线电感,C对应单根线的匝间杂散电容。
根据本研究组对TLT物理结构、电路模型的研究和总结,TLT的升压本质可理解为单个源对各阶传输线两线(或内外导体等)间的电容并联充电、输出端电容串联以实现升压,而次级线回路则为电容的短路放电回路,因此对充电过程产生重要影响,从而影响最终的升压比。除此之外,若此电容因脉冲过短而导致充电不充分,无论次级线回路遏制得有多好,同样会影响输出电压。由此可见传输线两线间分布电容对TLT升压性能的重要影响。基于以上认识,结合传输线的等效电路,给出TLT改进电路模型如图2所示(对应4阶TLT)。
图2 4阶TLT改进电路模型(参见下页)
在该模型中,原模型的L、C用Z'替代,Zs为输出线分布电感,Zp为传输线两线间分布电容,Z0为电源内阻。
2 六级TLT设计与实现
根据上述电路模型,推算6阶TLT的升压比公式。设脉冲源电压为U0,第n阶高电位为Un,由基本电路定律可得:
解以上6式可得升压比为
采用双导线绕磁芯方案制作TLT,每阶只绕单个磁芯,通过控制匝间距离降低匝间杂散电容。另根据实验经验,传输线分布电感和电源内阻都较小,最终确定TLT的两个关键参数:绕磁芯后单线电感L和两线间电容C。计算上可作如下近似处理:(m为某常量),此时可验证当L趋于无穷时,升压比为6。但实际电路的分布电感等参数不会严格为0,电容充电需要一定时间,因此对于宽脉冲(充电时间足够长)分布电容大小对升压比的影响较小,而对于窄脉冲而言电容大小必须考虑进设计中。
实际制作重点在于在尽量小的传输线分布电容下绕出尽可能大的电感。经过对线材和磁芯的优化设计,最终采用铁氟龙高压线(导体1mm2,外径4mm)作为双导线,线长1.6m;东磁集团DN160L镍锌铁氧体环形磁芯,磁芯尺寸H63mm×38mm×25mm P。制作完成各阶参数如下表,测试频率1MHz:
3 实验及结果分析
实验电路如图3所示,通过300V直流源和MOSFET产生300V、400kHz、脉宽200ns的脉冲,经过6阶TLT升压加在9kΩ负载电阻上,2个高压探头分别测TLT输入和输出端的电压波形。图4为实验中TLT部分实物。
经试验测得TLT两端电压波形:
图6 400kHz连续脉冲波形图
从图5、6可看出,输入端脉冲峰值约为300V,输出端脉冲峰值约为1800V,升压比接近6倍,波形上无明显畸变。此结果说明,本6阶TLT对于300V、400kHz、200ns的脉冲具有接近理想的升压性能,也证实了其具有良好的频响特性。
之后的工作主要集中在两方面:1)完善理论模型与计算,推导电路模型时域响应中升压性能同脉冲长度、传输线电容之间的关系表达,并在此基础上加以实验证明;2)在已有理论下,尝试更高阶的TLT设计与实现。
4 结论
本文通过对TLT升压机理的研究,结合现有模型和传输线等效电路给出了一种适用于高重频窄脉冲的电路模型,并据此推导出6阶TLT的增益表达式。在此基础上,设计并实现了一款6阶TLT,在300V、400k Hz、200ns的脉冲输入下得到了较为理想的升压输出。
摘要：文章针对传统传输线变压器(Transmission Line Transformer,TLT)电路模型,结合传输线等效电路,给出了一种用于高重频窄脉冲的TLT改进电路模型,根据该模型推导出6级TLT的升压公式,设计并使用高压双导线和NiZn铁氧体制作出一款6级TLT。将一300V 200ns、400kHz的脉冲作为TLT输入,得到1800V的脉冲输出,升压比达到理想的6,波形基本无畸变。
关键词：传输线变压器,电路模型,高重频脉冲
参考文献
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设施农业高压脉冲地下杀虫技术 篇4
国际上已经研究和发展了一些物理防治方法, 但效果不是很显著。本次研究主要针对设施农业地下害虫而言, 摒弃传统模式, 采用高压脉冲地下杀虫技术, 采用网状布线的方式, 实验比较测试出设施农业中利用高压脉冲地下杀虫的效率高, 还是采用传统的农药杀虫的效率高, 得出相关参数与结论。高压脉冲的产生电路中产生方波, 方波可在整个脉宽的时间内以最大电压持续作用地下害虫, 致死效果更强。
1 土壤导电特性研究
季节不同, 土壤的含水量和温度也就不同, 影响土壤电阻率最明显的因素就是降雨和冰冻。在雨季, 由于雨水的渗入, 地表层土壤的ρ降低, 低于深层土壤;在冬季, 由于土壤的冰冻作用, 地表层土壤的ρ升高, 高于深层土壤。这样, 使土壤由原来的均匀结构变成了分层的不均匀结构, 引起ρ的变化。多年冻土的ρ极高, 可达到没有冻土时的几十倍。
2 单元方案设计
3 高压脉冲发生模块
3.1 利用特定高频高压变压器产生持续的高压脉冲电场
变压器的原理是基于2个电路之间的磁性耦合, 这个过程中输入功率总大于输出功率, 能够在不产生能量损失的条件下进行功率变换的变压器称为理想变压器f551。理想变压器没有能量损失, 不产生涡流和磁滞现象, 没有漏磁场, 即通过初级线圈的磁通完全通过次级线圈。但是理想变压器在实际中是不存在的, 高频高压变压器是阻碍高压电源发展的主要因素, 其主要问题体现在2个方面:高频变压器体积小但存在突出的绝缘问题和高压变压器变比较高, 而大变比导致严重的非线性问题, 大为增加了变压器的漏感和分布电容。
3.2 可编程脉冲串生成电路
在可编程脉冲串生成电路中, 使用了3个微型按键, 输入到单片机AT89S51的P1.0-P1.2端口, 对低频脉冲的频率与脉冲宽度进行编辑;用两位LED数码, 使用P2口进行数据传输, 使用P3.0和P3.1进行位选, 显示脉冲频率或占空比, 在运行程序中重复按动K1键可交替现实脉冲频率或占空比;利用与非逻辑门 (OC输出) 将从P1.4口输出的高频脉冲与从P1.5口输出的低频脉冲逻辑相与后形成调制脉冲, 即高频脉冲串输出。如果将与非门的输入端2脚用跳线开关钳制为高电平时, 则由其连续输出高频脉冲, 经高压输出单元的RC滤波后, 可输出直高压。
3.3 高压脉冲电场总体原理
软件设计中系统以频率f=1HZ, 脉宽为80ms作为脉冲的默认参数缺省值, 并利用单片机内的2组定时器通过定时器中断服务程序实现高频脉冲从P1.4端口和P1.5端口输出。在程序运行期间可随时调用脉冲参数缓冲区的数值发生变化时, 中断服务程序将变更定时标准产生新的脉冲输出。脉冲参数编辑流程如图3所示。
4 地下布线模块
根据设施农业生产特点, 采用网状布线方法, 地下铁网布线的方法, 可将铁网埋于地下分成3层, 中间层接正极, 上下两层接地, 当给铁网通电时将高压电网布置在地下, 利用害虫从地下钻出地面时接触电网, 放出高压脉冲来电击杀虫, 在2000V左右的高压下将害虫杀死。虽然采用材料多, 但实施起来比较简单, 可循环利用, 杀虫面广彻底, 便于农业生产, 所以采用网状布线的方法。
5 设施农业高压脉冲地下杀虫技术效果及结论分析
5.1 效果分析
针对设施农业中农作物种植情况不同, 特别针对黄瓜, 西红柿, 白菜3种作物展开研究, 对高压脉冲杀虫率和农药作用杀虫率进行比较, 数据记录 (见表1) :
根据比较可以观测出, 高压脉冲地下杀虫的杀虫效果比农药杀虫稍差, 但不会影响农作物的正常生产。
研究表明:地下害虫的致死率还随电场强度、脉宽、脉冲个数的增加而增大, 同一灭虫条件, 蛴螬>地老虎>蝼蛄>金针虫。电场作用后死亡害虫细胞表面出现凹陷, 局部有孔洞产生, 从而使害虫致死。高压脉冲的产生电路中产生方波, 方波可在整个脉宽的时间内以最大电压持续作用地下害虫, 致死效果更强。
5.2 实实验验结结论论
高压脉冲杀虫技术能源主要太阳能提供, 大大减少了农药的使用, 减少了传统农业产生的水土污染, 为绿色农业, 生态农业发展提供了一个宝贵的方向。
高压脉冲可应用于防治地下害虫, 且在1500V—2000V范围内, 不仅对种子的萌发和农作物的生长不产生影响, 反而具有促进作用, 可放心使用于农业生产;
地下布线采用网状布线的方法, 具有比针状布线更大的有点, 利于实现, 适合大棚以及更大的农业生产, 是一种可循环的生产模式。
参考文献
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脉冲信号的数字化低抖动传输方法 篇5
脉冲信号的低抖动传输对于雷达等系统的同步具有重要意义。文献[1]中利用模拟调制解调的方式,实现了脉冲信号的低抖动传输,具体实现方法为发端CPFSK调制,收端斜率鉴频解调。采用这种方法,脉冲的传输时延较小,前沿传输抖动约为15 ns,接收门限较高。因此,为进一步降低脉冲传输抖动,改善接收门限,有必要研究脉冲信号的数字化低抖动传输方法[2]。
本文首先分析了脉冲信号的数字化传输原理:在发端对脉冲信号的上升沿进行精确采样,传输到收端后低抖动地恢复出上升沿再进行展宽,即可获得低抖动的脉冲信号。对传输抖动的形成原因和优化方法进行了介绍,据此形成了具体的设计方案并对方案进行了测试。测试结果表明,数字化传输方法较之传统的模拟传输方法,传输抖动低,接收门限好,且易于调试生产,具有广阔的应用前景。
1 脉冲数字化传输原理
需要传输的脉冲信号脉宽固定,周期随机变化,但脉冲信号比较稀疏,其占空比最高不超过7. 5% 。要求在接收端恢复输出的脉冲信号上升沿( 前沿)抖动不超过20 ns,而对脉冲宽度的恢复精度要求不高,其误差不大于20% 即可。由此可知,脉冲传输电路要解决的核心问题是脉冲上升沿的低抖动传输问题。只要在接收端能够低抖动地恢复出脉冲信号的上升沿,然后将其展宽,就可以获得符合系统要求的脉冲信号[3]。
根据脉冲信号的特点和传输要求,可以确定脉冲数字化传输的基本原理为[4,5]: 在发端对脉冲信号的上升沿进行精确的数字化采样,将采样后的信息无失真地传输到收端,收端据此恢复出脉冲信号上升沿后再进行展宽,即可获得低抖动的脉冲同步信号。
在发射端,通过一个采样时钟对输入脉冲信号的上升沿进行数字化采样。为提高系统的抗干扰能力,用一个若干位的PN码来标记脉冲信号的上升沿。只要PN码的码长不大于最短脉冲周期,采样就可以覆盖全部脉冲,而不会发生漏采样。在调制器内对采样后的PN码进行数字调制,得到中频调制信号[6],然后在射频单元中完成上变频、滤波和功率放大等,变换为射频信号,最终通过天线辐射至外部空间,完成了脉冲信号的发射过程。
在接收端,天线接收到空间辐射的微弱射频信号后,在射频单元经过低噪声放大、滤波、下变频和AGC放大后,得到幅度比较稳定的中频信号,然后送入解调器,恢复出PN码和采样时钟信号。通过PN码的匹配滤波器,在相应的采样时钟上升沿处匹配出相关峰,然后通过判决整形和脉冲展宽,在接收端就恢复出了脉冲同步信号[7],完成了脉冲的数字化无线传输过程。脉冲信号的数字化传输原理如图1所示。
2 脉冲传输抖动分析与优化
2. 1 传输抖动分析
在脉冲的数字化传输过程中,射频单元对脉冲传输抖动的影响很小,脉冲传输抖动主要来自脉冲的采样和恢复环节。在发射端,由于采样时钟和脉冲的不同步,会引入一个采样量化误差,其最大值为一个采样时钟周期TS。在接收端,匹配滤波器输出的相关峰与解调器恢复出的采样时钟信号的上升沿是一致的,因此接收端引入的脉冲传输抖动等于解调器恢复输出时钟的抖动TC。在忽略射频单元影响时,脉冲信号的数字化传输抖动TJ可表示为:
由此可知,要降低脉冲传输抖动,就要采取措施,使TS和TC尽量小。
2. 2 对 TS的优化
可以在设备硬件允许的条件下尽量提高采样时钟频率,从而降低TS[8]。
事实上,随着数字电路的广泛应用,目前脉冲时统信号基本都是由数字电路产生的,因此必然存在一个与脉冲信号同源的时钟信号,它与脉冲信号的上升沿严格同步。只要在脉冲传输电路的发射端引入这一同步时钟,用它作为参考,通过锁相环路锁定发射端的采样时钟,那么锁定后的采样时钟与脉冲信号的上升沿之间就实现了同步,采样关系也由异步采样变为了同步采样。此时,发射端的采样量化误差为:
由式( 1) 可知,此时整个脉冲传输系统的传输抖动为:
即在引入了同步时钟后,系统的脉冲传输抖动只取决于接收端恢复时钟的抖动,其抖动大大减小。优化后的脉冲采样、调制电路如图2所示。
2. 3 对 TC的优化
数字调制一般为抑制载波调制,在接收端从调制信号包络中恢复出的时钟信号抖动TC较大。信号在时域上的抖动和在频域上的相位噪声是相关的[9,10]。时钟抖动越大,反映到频域上,信号的相位噪声也就越差。反过来,也可以通过改善信号的相位噪声来降低其在时域上的抖动TC。因此,可以在接收端增加一个提纯锁相环,以解调出的时钟信号为参考,通过一个带宽很窄的环路滤波器,对时钟信号进行提纯,以降低其相位噪声和时钟抖动TC。为了使相位噪声指标得到最大的改善,提纯环路选用的振荡器相位噪声应尽量低,一般采用VCXO实现。同时,在保证提纯环路能正常工作的前提下,环路滤波器的带宽应尽量窄,一般在数百Hz量级。经试验,增加了提纯锁相环后,解调恢复出的时钟信号抖动可以降低至原来的1 /5 ~ 1 /10。优化后的脉冲解调、恢复电路如图3所示。
3 设计实现
脉冲数字传输电路的具体实现框图如图4所示。
图4中脉冲调制器的采样、调制电路和脉冲解调器的解调以及脉冲恢复电路均采用FPGA实现,其工作时钟为80 MHz。调制方式为BPSK调制,解调方式为相干解调,符号时钟速率为10 MHz。当存在与脉冲信号同源的外部时钟时,利用同步锁相环对脉冲调制器的参考时钟进行锁相,使其与输入脉冲信号上升沿同步。脉冲调制器的同步环和解调器的提纯环选用的鉴相器均为ADI公司的超低噪声鉴频鉴相器ADF4002。为了得到较好的提纯效果,脉冲解调器提纯环路的振荡器采样超低相噪VCXO实现,环路滤波器的带宽取为500 Hz。
4 测试数据比较与分析
脉冲数字传输系统主要技术指标的测试结果如表1所示,并与模拟调制解调方式下的测试结果进行了对比。
由测试结果可知,在数字传输方式下,脉冲传输系统的门限指标要大大优于模拟传输方式。存在同步时钟时,脉冲的传输抖动比模拟传输方式下改善了一个数量级。并且在数字调制方式下系统的一致性好,调试难度低,适合于批量生产。
在数字传输方式下,脉冲信号的采样、调制、解调和恢复等都是通过FPGA实现的,算法的运行需要一定的处理时间,因此数字传输方式下脉冲的时延比模拟传输方式下要大。不过,在算法固定后,时延值也随之固定,且时延的一致性很好,因此,可以通过外部的补偿来降低其影响。
5 结束语
采用数字调制解调的方法实现了脉冲信号的数字化传输,利用调制端的同步锁相环和解调端的提纯锁相环降低了脉冲的传输抖动。经试验验证,这种方法的传输抖动低、接收门限好,易于调试生产。在多基地雷达等需要传输低抖动同步信号的系统中具有广阔的应用前景。
摘要：针对模拟传输方式脉冲传输抖动较高、接收门限较高的情况,提出了数字化低抖动脉冲传输方法。介绍了脉冲信号的数字化传输原理,对传输过程中的脉冲抖动成因进行了分析与优化。给出了具体的设计方案,对测试数据进行了比较和分析。结果表明,采用数字化传输方法,脉冲传输抖动低,接收门限低。
高压脉冲放电钻进实验平台的研究 篇6
液相介质中发生高压脉冲放电时, 在液体内部放电区域产生极高的压力, 前苏联专家把这种电能转化为机械能的新方法称为“液电效应”[1]。目前国内外对高压脉冲放电技术的应用越来越广泛, 已应用于液电成型、矿藏勘探、建筑、农业、医疗、生物技术、化学、环境保护等领域[2,3,4]。高压脉冲放电钻进实验平台是将高压脉冲放电技术用于地下岩土钻进的实验教学与研究平台。实验平台实物如图1所示, 主要由充电电路、放电电路、接地电路、操纵和信号电路等组成。充电电路包括高压变压器、电容和脉冲电流发生器;放电电路包括电容、间隙开关、导电电缆和负载;接地电路包括外部接地的负荷元件、低势能放电总线端头用接地螺栓接地;操纵和信号电路包括配电柜、操纵面板和远程操纵平台。
1 高压脉冲放电扩孔钻进机理
高压脉冲放电装置工作原理如图2所示。该装置主要由高压变压器、高压硅堆、电容器、保护电阻和间隙开关、电势电极、放电间隙、接地电极组成。从高压变压器输出电压通过高压硅堆整流器获得高压直流电, 流经保护电阻向电容器充电, 此时间隙开关是断开的, 当电容器电压上升到足够大时, 间隙开关会在空气中被击穿, 放电电路迅速被接通, 并将电容器储存的能量在两电极间瞬间释放, 并产生压力高达103MPa的强烈冲击波压力。
这个过程如同气泡脉动。该装置首先将电能转化为热能, 通道液体快速升温, 温度高达 (10~40) ×103K, 使周围液体蒸发变为高温高压的气体, 并迅速膨胀。膨胀的气体使周围液体产生具大的冲击波;由于液流的惯性作用, 气泡膨胀的后期, 气泡内的压力要远小于液相介质的静压力。在此静压作用下气泡周围产生反向的液相介质运动, 结果又使气泡内部压力又大于周围流体压力, 因此再次膨胀, 如此反复膨胀收缩, 造成气泡脉动。每脉动一次, 气泡内部高压向外部辐射一次压力波, 这个压力波以几十个连续的衰减形式脉冲循环。在这种高频的冲击波作用下, 岩石被击碎或被疲劳破坏, 粘土被压缩扩径。
1.高压变压器;2.高压硅堆;3.电容器;4.保护电阻;5.间隙开关;6.电势电极;7.放电间隙 (充满液体) ;8.接地电极
2 实验平台主要部件的功能描述
高压脉冲放电装置主要由充电电路、放电电路、接地电路、操纵和信号电路组成。充电电路包括高压变压器、电容和脉冲电流发生器;放电电路包括电容、间隙开关、导电电缆和放电头;接地电路包括外部接地的负荷元件, 低势能放电总线端头用接地螺栓接地;操纵和信号电路包括配电柜、操纵面板和远程操纵平台。下面介绍主要部件的作用。
1) 充电设备 (图3) :将电网动力交流电压转化为指定大小的直流高压电, 完成脉冲电流发生器内电容器充电。为了保证电须具有一定功率;
2) 脉冲电流发生器 (图4) :脉冲电流发生器是高压脉冲放电装置的重要组成部分, 它的功能是在电压值为9k V时储蓄脉冲能量到50KJ。高压脉冲电流发生器由电容量75µF、额定电压为16kV的电容器组成。发生器由八组电容器并联连接, 且每组电容器由两个电容并联组成, 每组电容器都有高电压保险装置;
3) 间隙开关 (见图5) :采用三电极放电开关, 其主要功用是起动脉冲电流发生器;
4) 接地保护装置 (如图6) :主要功能是在切断电流时保证从脉冲电流发生器的电容中移走剩余电荷, 确保装置断电。这是脉冲放电一个非常重要的一个问题, 处理不当就会导致设备不能正常工作, 甚至导致人身伤亡的发生。接地装置需要满足在有效断开电流或者应急断开电流后迅速将剩余电荷从脉冲电流发生器的电容器中排除, 保证设备和人身安全;
5) 操纵面板:操纵面板为远程操纵装置。在操纵台中布置变压器、整流器、检测-测量仪器, 它是远程调度台;
6) 放电头 (图7) :工作时, 放电头须放在液体中, 可将电能转化为机械能, 产生冲击波压力。它是具有正负电极的放电系统。放电头的两电极之间的间隙长度值非常重要, 它对放电钻进效率具有重要的影响。
3 结论
该实验教学研究平台研制成功后, 进行了岩石层的钻进及粘土层的扩孔钻进, 钻进效果良好。通过该实验平台, 学生可完成如下4个方面的实验教学和科学研究:
1) 不同岩土层中高压脉冲放电钻进碎岩机理的研究;
2) 高压脉冲放电参数对粘土层扩孔钻进效率影响规律的实验与研究;
3) 高压脉冲放电参数对岩石层钻进效率影响规律的实验与研究;
4) 高压脉冲放电钻进技术在锚杆施工中的应用研究。
摘要：本文介绍了一种利用在液相介质中高压脉冲放电产生的冲击波压力来钻进的实验教学与研究平台。该实验平台通过高压脉冲放电装置, 将电能转换成机械能, 产生冲击波压力, 实现岩土层的钻进。实验平台由脉冲电流发生器和放电设备组成。利用该实验装置, 可得到高压脉冲放电在不同脉冲参数、不同土层条件下的钻进效率及扩孔效率。该实验平台的创建既满足了高压脉冲放电钻进技术的实验教学要求, 同时也为高压脉冲放电钻进技术研究提供了实验条件。
关键词：高压脉冲放电,钻进,教学实验平台
参考文献
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基于TLT的高频高压脉冲源研制 篇7
自20世纪60年代初以来,应军事、高科技武器以及国防科研等多方面的需求,脉冲功率技术(Pulse Power Technology,PPT)已逐渐发展成为一门新兴科学技术。目前正朝着高功率、全固态、高重频和紧凑化的方向发展,针对这样的发展需求,具有上升前沿快、方波脉冲平顶下降小和频率响应范围宽等特点的传输线脉冲变压器(Transmission Line Pulse Transformer,TLT)成为了研究热点,在脉冲功率技术中有着重要的应用前景[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。
在这一背景下,本文开展了以TLT为基础的高频高压脉冲源研究。基于TLT基本原理,本文进行了四阶TLT的电压增益公式推导以及输出特性分析,并进行了四级TLT的设计制作加工以及完成了相关实验验证,实现了2400V下400KHz的脉冲输出。
1 TLT基本原理
TLT的基本思想是利用输入与输出端的阻抗变换来实现电路参数的转换。对于升压TLT而言,常采用输入端并联,输出端串联,每一级传输线的输入电压波形与输入端脉冲源的相同,在输出端产生升压效果。
尽管TLT构造较简单,但其详细的工作机理又是相当复杂的,主要是因为在多级TLT中,从第二级开始,每级将会与地之间形成次级回路,简称次级线。次级线的存在会对TLT的输出结果产生影响,会使输出脉冲电压幅值下降以及上升沿畸变。
图1为一个n级TLT的示意图,将TLT各级传输线(除第一级外)都绕于磁环上,每级线上的电感分别为L1,L2,L3,…。这样做能在不影响主传输线的情况下,相当于在各次级线上分别接入了一个电感,提高了次级线阻抗,从而可减小次级线上的电流及损耗,减弱次级线对输出结果的影响。
(a) (b)
图1 (a)典型的n阶TLT (b)等效原理图 (参加右栏)
2 四阶TLT电压增益公式推导与特性分析
本文重点考虑的是四阶TLT的情况,所以在此先对其电压增益与特性进行相关分析研究。由上面理论可知,n阶TLT可等效为如下电路图:
图2 n阶TLT的等效电路图 (参加右栏)
则4阶TLT等效电路为:
由等效电路图,通过基尔霍夫电压定律和电流定律可以推导出电压增益公式,其中令Z'=Z2G,得到:
将式(5)用matlab作出2维平面图,如图4所示:
由图4分析可知,若已知Z'/Z0=jx,则当x取9时,即次级线阻抗为传输线特性阻抗的9倍时,输出增益可达到理想状态下的95%,而不必要继续像传统理论上所说的要将次级线阻抗做得很大去获得理论增益值,因为很大的次级线阻抗在工程上是非常难实现的。
3 四阶TLT的设计与实现
图5为4阶TLT的电路结构示意图:
根据结构示意图我们制作了3组绕有磁环的线(line2,line3,line4)和一组无磁环的线(line1)按图5中方式连接。考虑到我们是在高频高压下工作并期望取得相对好的电压增益,所以先要进行以下相关实验器材的选择与相关实验参数的设计。
3.1 器材选择
(1)高压线的选择。考虑到耐高压要求,我们选用FF46-V 40kV 1mm2的铁氟龙(Teflon)高压线。
(2)高频磁芯的选择。考虑到在400kHz高频下工作,我们选用DMEGC公司生产的型号为H160x113x25P DN85H的镍锌铁氧体磁芯。之所以选择该磁芯是因为镍锌材质的高频特性好,在高重频下工作时损耗较小。
3.2 关键参数设计
(1)Z0的计算。根据平行双导线特性
现按脉冲频率为400kHz,上述Z'所满足的要求来设计电感。则由Z'=2πf L=1.708 kΩ得L=679μH。
下表为利用LCR测试仪测得的各阶传输线在不同f(频率,kHz)下的L(电感,μH)值。
实际L值比理论计算值稍微偏小点,是由于考虑到线太长时,TLT上对地分布电容很大,对电路上的电流及脉冲波形有严重影响,所以我们选择了短线,长度为3.5m的线双绞后再绕成电感。
4 实验结果与分析
图6为我们的脉冲源系统、四阶TLT及负载的实物图。脉冲源系统用于形成脉冲,脉冲形成后输入至TLT,经TLT变压之后得到高压输出脉冲。
图7输入为600V下的脉冲输出(参见下页)
由图7可见,脉冲输出最大值约为1800V,最小值为-600V,很好地达到了理想增益值。尽管电压方面性能很好,但电流还是有些偏大,4阶输入为600V时电流都达到了109mA,则如果按增益比4,要达到输出为8000V(我们的脉冲源要求的指标)则输入需为2000V,那么输入端电流约为363mA,则总功耗将有726W,这是一笔不小的功率。因此目前我们正在研究如何在确保L的情况下尽量减小TLT带来的电容,从而减小漏电流,降低损耗。另外,我们还将对装置整体进行合理布局,尽量缩短连线长度和回路包围的面积,以减小接头电感。并尽量使TLT远离地面及周围的接地体,以减小对地电容,同时采用合理的负载结构,以减小负载接头处可能存在的杂散电容,从而尽量去降低电流,减小损耗。
5 结论
本文通过对TLT机理进行的研究,分析与推导了四阶TLT电压增益公式推导及其特性,然后又根据理论设计实现了四阶TLT实物并进行了实地实验,成功实现了四阶TLT的理想增益以及400kHz下的高压脉冲输出。
参考文献
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