高温超导无损脉冲功率延迟网络研究

摘要

自从上世纪60年代马丁研究小组的开创性工作以来，脉冲功率科学与技术一直受到各国国防部门的高度重视，近年来高功率脉冲技术在民用方面也开始崭露头角。在高功率脉冲应用领域中，负载所需功率往往大于电源的供应能力，为了产生负载所需的高功率，常常将电源提供的脉冲延迟一定时间。在长延迟时间应用中，常导延迟线因衰减大、前沿差、功耗高以及占地广而难以满足要求，而超导体的零电阻与高载流特性潜在地具有解决衰减、畸变以及占地等问题。使用高温超导材料来制作大功率延迟线以及延迟网络的相关研究尚未见报道，本文对高温超导无损延迟网络进行了初步的试验研究以及工程应用探讨。
　　 本文首先从传输线理论出发简要讨论了延迟网络的基本特性，提出了一种求解延迟网络及类似的一阶线性常微分微分方程组的快速方法，得到了相似于一阶电路的简洁公式，并据此编写M程序进行了仿真研究。
　　 本文设计了一个小型高温超导延迟网络的试验系统，进行了电压脉冲试验、电流脉冲试验、改变脉宽试验以及负载匹配试验等，得到了如下结论：在匹配电阻性负载情况下，相比于常导有损延迟网络，超导无损延迟网络能显著减小电压脉冲的幅值衰减和电流脉冲的前沿畸变，并能显著提高功率的传送效率；为减小信号的失真，应使信号的主要频率分量尽可能地小于截止频率，并使延迟网络与负载相匹配。
　　 最后，本文研究了高温超导无损延迟网络工程应用相关的一些问题，给出了延迟网络的参数估算公式以及仿真算例，讨论了高温超导电感的实现问题，包括μH级小电感的制作方案和第二代高温超导带材性能的试验研究。重点研究了电感的布局问题，编写了绘制两平行电感耦合系数的空间分布与等值线的计算程序，并通过试验验证了数值计算的正确性，这对电感的低耦合布局具有很好的指导意义。