[發明專利]一種傳輸線變壓器電壓增益系統

在審

• 申請號: 201410494376.2
• 申請日: 2014-09-25
• 公開（公告）號: CN105513776A
• 公開（公告）日: 2016-04-20
• 發明（設計）人: 李曉春
• 申請（專利權）人: 常熟凱璽電子電氣有限公司
• 主分類號: H01F38/00
• 分類號: H01F38/00;H01F27/28
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 滕詣迪

技術領域

本發明屬于微波、脈沖功率技術領域，更具體地涉及一種傳輸線變壓器電壓增益系統。

背景技術

傳輸線變壓器（TLT）主要用于實現微波電路的阻抗匹配和脈沖升壓。相對于傳統變壓器，由于受漏感、雜散電容等因素影響小，具有良好的寬頻響應特性，可保持脈沖波形，其構造也符合脈沖功率全固態、緊湊化的發展方向，因此在脈沖功率研究領域受到越來越多的重視。近年來國內外涌現出一批基于TLT的脈沖功率技術成功實現方案，但始終存在次級線阻抗偏小而導致變壓器電壓增益難以達到理論值的問題，在脈沖寬度為亞微秒以及更窄情況下問題尤為突出。

傳輸線變壓器的基本工作機理：圖1給出的是二級TLT的結構示意圖，其中兩傳輸線linel和line2在輸入端并聯，在輸出端串聯，為脈沖源的內阻，匹配情況下，，負載為，輸入為的脈沖時，經過一個傳輸線的電長度后，在負載上得到一個幅值為的電壓脈沖。二級TLT的輸入端阻抗為，輸出端阻抗為，故輸出端與輸入端之間的阻抗變比為4，脈沖電壓幅值變比為2。

進一步分析圖1，可知電路結構內部存在一些短路路徑，見圖1中虛線所標識出的兩條路徑。當電壓波經過一個傳輸線電長度后，到達傳輸線的輸出端，沿著短路路徑有一個反射波沿虛線箭頭方向傳輸，最終疊加至輸出脈沖，引起脈沖平頂下降。這些短路路徑構成了影響脈沖傳輸的次級傳輸線。顯然，次級線是在傳輸線導體與地之間形成的。一般地，只需要考慮第一條次級線對結果的影響，第二條次級線上的波的傳輸可以由第一條次級線與兩條主傳輸線的線性疊加表示出來。下面將對第一條次級線(以下不區分第一、第二，所提及次級線均指第一條次級線)影響輸出結果的過程進行分析。

若變壓器工作于空氣中，通常主傳輸線內介質的相對介電常數大于1，故次級線阻抗一般比主傳輸線阻抗大，次級線的電長度一般小于主傳輸線電長度。當輸入至變壓器的脈沖首次到達輸出端時，一個幅值接近于V的脈沖會沿著次級線向輸入端傳輸。次級線在輸入端處短路，電壓的反射系數為-1，脈沖被反轉并再次向輸出端傳輸。當它到達輸出端時，會使線2外導體與線l內導體的電勢下降，下降的幅度由負載阻抗、主傳輸線阻抗和次級線阻抗大小共同決定。由于通常負載阻抗比次級線阻抗小，導致輸出端反射系數為負值，結果使得一個幅值小于V的正脈沖再次沿次級線向TLT輸入端傳輸。這樣的過程循環往復，并且線1內導體的電勢值呈階梯狀逐步下降，最終在負載上得到一個階梯狀脈沖，每個階梯的時間寬度為次級線電長度的兩倍。若次級線往返一次的傳輸時間(電長度的兩倍)比輸入脈寬長，即，則次級線的存在對負載上形成的主脈沖平頂是沒有影響的；或者將次級線的阻抗做到遠遠大于主傳輸線阻抗，即，則入射至次級線的脈沖幅值可以忽略。

為了提高TLT的變比，需要增加TLT的級數。由于次級線的存在，將導致增益(變比)的損失、能量傳輸效率的下降，且這種損失與下降是隨級數增加而加劇的，這主要是因為隨著TLT級數的增大，變壓器輸出端阻抗也以的速度增長，且即使相對較小的值也會使很快達到一個很大的值，甚至于超過次級線阻抗值。當輸出阻抗接近與次級線阻抗時，輸出端處的反射系數將變得很大，這將導致電壓增益的快速下降。

由上面的分析可知，次級線的存在，對TLT的變壓性能是有嚴重影響的。歸納起來，這種影響主要表現在兩個方面：一是次級線的存在會降低輸出脈沖的幅值，造成脈沖幅值的損耗；二是次級線的存在會限制脈沖的平頂寬度，造成脈沖階梯狀平頂。

牛津大學Paul.W.Smith在近20年里研制了多臺傳輸線變壓器，其性能在高頻脈沖領域屬領先地位，廣受關注的有下面兩臺：一臺是1996年報道的十級同軸傳輸線TLT(GraneanP.N.,RossiJ.O.,BrownP.,andSmithP,W.,Ahighvoltagetransmissionlinetransformerwithverylowdroop,Rev.Sci.Instrum.,1996,67(7):2630-2635)；另一臺是2006年報道的十級雙線TLT(JainK.K.andSmithP.W.,Fast-RiseTimepulsetransformersbuiltfromrotatedstacked1:1transformers,IEEETransactionsonPlasmaScience,2006,34(5):1853-1857)。