高压快脉冲的产生、测量系统及应用

摘要

高压快脉冲具有幅值高、前沿陡的特点,覆盖了较宽的频带。其脉冲电压峰值达30kV以上；脉冲波形的上升沿为纳秒量级,有时低达亚纳秒量级；脉冲的响应带宽可达1GHz。论文以高压快脉冲为研究对象,在高压快脉冲的产生、测量系统的搭建、测量系统的关键部件--分压器的设计及高压快脉冲测量等方面展开了较深入的研究与探讨。
　　 实验室得到的高压快脉冲是通过快脉冲发生器产生的。本文首先综述了高压快脉冲产生原理方面的基本理论及影响脉冲波形的主要因素,并提出了高压快脉冲模拟器的组成结构。
　　 高压快脉冲的测量是本文的主要工作。本文采用指数型衰减分压器与宽带示波器搭建了高压快脉冲测量系统,分析了高压快脉冲测量系统阻抗不匹配对测量结果的影响。
　　 分压器性能的好坏是决定整个测量系统性能的关键。基于传输线原理设计了一种新型实用的电解液电阻分压器,分析了改善电阻分压器性能的方法与途径,并对其进行了理论分析与仿真,该分压器仿真的阶跃响应性能得到了实测结果的验证。
　　 在理论分析的基础上,作者进一步对分压器的补偿方法进行了分析。通过软件仿真,采用了电感补偿、供给式套筒补偿、收集式套筒补偿等措施,并通过实际测量验证了补偿效果。实验证明这几种补偿方法简单可行。
　　 在高压快脉冲测量系统中,最主要的误差来自于分压器。在实际测量中应该尽量避免脉冲分压器杂散参数的影响。作者首先通过HFSS软件对电解液电阻分压器的传输性能进行了仿真分析,然后应用非线性规划的复合形法对电解液电阻分压器的结构参数进行了优化设计。经仿真分析与实验验证,优化后的分压器性能得到了显著改善。
　　 由双指数脉冲发生器与GTEM小室构建的脉冲场强发生装置,使用本课题完成的分压器测量直流高压源输出为20kV时的快脉冲波形前沿上升时间为5.06ns,在GTEM小室输入段可满足50kV/m的试验场强要求。
　　 采用电感补偿时,同时在两级分压器的低压臂进行补偿的效果最好。此时Agilent54833A白带的方波脉冲与该方波经过分压器后的波形进行比较,Agilent54833A自带的方波脉冲的上升时间为1.586ns,经在两级低压臂进行补偿的分压器后实测的波形的上升时间为1.799ns。由分压器引入的测量延时误差为13.43％。
　　 文中理论分析、仿真计算结果与实验结果基本吻合。本论文的研究工作对高压快脉冲的产生、测量技术、危害及预防(如雷击及核电磁脉冲防护)等工作有一定的借鉴意义。

目录

文摘

英文文摘

符号、变量、缩略词等本论文专用术语的注释表

符号、变量列表

缩略词列表

第一章 绪论

1.1 电磁兼容技术

1.2 电磁脉冲

1.2.1 电磁脉冲概述

1.2.2 电磁脉冲的分类

1.2.3 电磁脉冲相关技术

1.3 高压快脉冲

1.3.1高压快脉冲的典型波形

1.3.2 高压快脉冲的产生

1.4 高压快脉冲测景技术

1.4.1 高压快脉冲测量的特点

1.4.2 高压快脉冲测量

1.5 本论文的主要研究内容

1.5.1 本论文的研究目的

1.5.2 本论文的研究内容

1.5.3 本论文的研究意义

第二章 高压快脉冲的产生原理

2.1 高压快脉冲形成基本原理

2.1.1 电容放电式脉冲源脉冲形成基本原理

2.1.2 脉冲发生器输出波形陡化技术

2.2 影响脉冲波形的主要因素

2.2.1 气体火花间隙开关的电阻、电容及电感对波形的影响

2.2.2 线路分布参数对脉冲波形的影响

2.3 高压快脉冲模拟器的结构

2.3.1 直流高压源

2.3.2 气体火花开关

2.3.3 吉赫横电磁波室(GTEM cell)脉冲场强发生器

本章小结

第三章 脉冲测量技术基础

3.1 脉冲测量技术概述

3.2 脉冲的定义及参数

3.2.1 脉冲的定义

3.2.2 脉冲波形实例

3.2.3 脉冲参数

3.3 脉冲测量方法的分类

3.4 快脉冲的示波测量技术

3.4.1 示波器的选取

3.4.2 上升时间的测试

3.4.3 脉冲幅度的测量

3.5 时域反射测量技术

3.6 测量中需注意的问题

本章小结

第四章 高压快脉冲测量系统

4.1 几种高压快脉冲的测量方法

4.1.1 球间隙法

4.1.2 峰值电压表法

4.1.3 光也法

4.1.4 分压器加示波器法

4.2 电解液电阻分压器高压快脉冲测量系统

4.2.1 电解液电阻分压器测量原理

4.2.2 测量系统的组成

本章小结

第五章 电解液电阻分压器的设计

5.1 电阻分压器设计理论

5.1.1 电阻分压器的原理

5.1.2 电阻分压器的设计原则

5.1.3 电阻分压器的误差分析

5.2 电阻分压器测量回路的阻抗匹配问题

5.2.1 阻抗匹配原理与分析

5.2.2 电阻分压器测量系统的几种匹配接法

5.3 电解液电阻分压器的结构确定

5.3.1 特性阻抗的计算

5.3.2 指数型分压器本体的阻抗匹配

5.4 理论分析

5.4.1 同轴电缆的阻抗匹配

5.4.2 硫酸铜溶液高频电阻的集肤效应

5.4.3 硫酸铜溶液高频电阻自感的计算

5.4.4 硫酸铜溶液高频电阻极间电容的计算

5.4.5 对地杂散电容的计算

5.4.6 金属膜无感电阻的杂散电感

5.5 电阻分压器的阶跃响应

5.6 分压器的校准与测量结果

5.6.1 分压器的阻抗特性

5.6.2 分压器的校准

5.6.3 测量结果

5.7 电阻分压器的误差补偿

5.7.1 电感补偿

5.7.2 供给式补偿

5.7.3 收集式补偿

本章小结

第六章 电解液电阻分压器的性能优化

6.1 电解液电阻分压器的结构特点

6.2 电解液电阻分压器的仿真分析

6.2.1 HFSS软件介绍

6.2.2 电解液电阻分压器的HFSS仿真

6.3 电解液电阻分压器的优化设计

6.3.1 优化设计简介

6.3.2 优化问题的数学描述

6.3.3 数学模型的建立

6.3.4 优化方法的选择

6.3.5 分压器优化结果

6.4 结语与讨论

本章小结

第七章 工作总结与研究展望

7.1 工作总结

7.2 主要创新点

7.3 研究展望

致谢

参考文献

博士期间发表的学术论文