L-C单元组合式去耦脉冲形成网络
2007-04-02 10:41:57
来源：《国际电子变压器》2007年3月刊
1 引言
为满足大功率远程警戒引导雷达脉冲编码和脉冲压缩技术及2×20路组合调制器小体积的需要，除要求脉冲形成网络（PFN）所形成的脉冲波形具有低的顶部波动（δ≤0.3%；20路PFN合成的波形δ≤0.1%）外，同时还要求PFN的体积控制在210mm×200mm×500mm之内。
常规上，高压大功率的PFN大都采用所谓Г型互感式网络（Guillemin网络）。PFN的理论数值计算分析表明，Г型互感式网络，为获得好的脉冲波形，网络各节电感之间的耦合，尤其是相邻电感之间的耦合有严格的要求。其耦合系数K≤0.3%左右。众所周知，为此就必然要牺牲PEN的体积。方案论证说明，对于本文介绍的脉冲宽度40μs，阻抗50Ω的PFN，若采用Г型互感式网络，是不可能满足高质量的脉冲波形和结构小型化的要求。
2 L-C单元组合
把一段真实传输线分成几个依法连接、长度相等的小部分。而把每一部分的总的分布电感和分布电容，分别用集中参数的电感L和集中参数的电容C代表就获得理论上所谓的简易等效网络。依据传输线放电形成脉冲波形的理论，在脉冲宽度τ和波阻抗ρ一定的条件下当网络节数无限增加时，该网络就等效一分布参数的均匀传输线。
工程设计上，用矩形电感线圈，并将网络相邻的电感按图1所示的方法排列。计算表明电感线圈的间距D=20mm，其耦合系数K=0.3%左右，满足了相邻电感之间弱耦合的要求（K=0是不可能的）。
同时将相邻的电感线圈采用反向绕制，借此达到消除（削弱）相邻电感之间漏磁场的存在，使网络的各电感相互“独立”，达到近似去耦的作用。直观而言，工程设计上就实现了用多节集中参数的所谓去耦网络去逼近真实传输线的一段，以获得好的脉冲波形。必须指出，上述讨论时忽略了网络中间隔相邻电感间耦合作用的影响。
常规PFN网络结构是电感组件、电容组件分立组装。为达到这种网络结构的小型化，就需采用高比能的电容器，从而导致PFN制造技术难度加大且造价昂贵。独特设计的L-C单元组合式网络结构（图2）是网络结构小型化的优化设计。但必须解决电容器置于电感线圈磁场中的电绝缘、涡流发热效应及电容器极板的“短路环”效应等关键技术。
网络的电容器采用矩形绝缘外壳作电感线圈的骨架。电容器介质采用性能优良的云母纸浸渍新研制的乙烯基硅油体系的GVI-101浸渍剂不仅具有耐高温（180℃）、耐电晕、介质损耗角正切值小等优良性能，而且在常温下具有低粘度、高温下（100℃以上）能固化的特性，且固化机理是化学反应又不释放气体。从而实现了PFN高温电容器具有优良的耐电晕性能的固化体（干式）结构。
3 研制的PFN
制作的脉冲形成网络如图3所示。其主要技术条件是：
充电电压：8.5kV
脉冲宽度：40μs
前 沿：≤5μs
后 沿: ≤9μs
顶部波动：δ≤0.3%
顶部降落：λ＜0.1%
阻 抗：50Ω
重复频率：290Hz
网络为L-C单元组合式去耦网络，由15个L-C单元组合（图2）和一个附加电感L0组成。体积为2108mm×187mm×492mm，重量为30kg。
L-C单元组合式去耦网络无法采用改变电感的间距、调整电感线圈的圈数、在电感线圈上采用短路夹及在电感线圈中采用短路环等调试手段，我们采用电感线圈灵敏短路点调试法。实践证明是一种最为简便的方法。短路点位置、数量能满意地达到调试所需的电感量的变化。图4示出PFN在额定工作状态下的波形图。波形的顶部波动δ经切割放大后测量达δ=0.18%。
制作的脉冲形成网络经整机鉴定、检测及例试均已满足技术条件的要求，长期运行性能稳定可靠。总失效率达Σλ=8.88×10-6，MTBF=1.1×105，实现了在较小网络节数下，获得好的脉冲波形特性和网络结构的小型化。
为满足大功率远程警戒引导雷达脉冲编码和脉冲压缩技术及2×20路组合调制器小体积的需要，除要求脉冲形成网络（PFN）所形成的脉冲波形具有低的顶部波动（δ≤0.3%；20路PFN合成的波形δ≤0.1%）外，同时还要求PFN的体积控制在210mm×200mm×500mm之内。
常规上，高压大功率的PFN大都采用所谓Г型互感式网络（Guillemin网络）。PFN的理论数值计算分析表明，Г型互感式网络，为获得好的脉冲波形，网络各节电感之间的耦合，尤其是相邻电感之间的耦合有严格的要求。其耦合系数K≤0.3%左右。众所周知，为此就必然要牺牲PEN的体积。方案论证说明，对于本文介绍的脉冲宽度40μs，阻抗50Ω的PFN，若采用Г型互感式网络，是不可能满足高质量的脉冲波形和结构小型化的要求。
2 L-C单元组合
把一段真实传输线分成几个依法连接、长度相等的小部分。而把每一部分的总的分布电感和分布电容，分别用集中参数的电感L和集中参数的电容C代表就获得理论上所谓的简易等效网络。依据传输线放电形成脉冲波形的理论，在脉冲宽度τ和波阻抗ρ一定的条件下当网络节数无限增加时，该网络就等效一分布参数的均匀传输线。
工程设计上，用矩形电感线圈，并将网络相邻的电感按图1所示的方法排列。计算表明电感线圈的间距D=20mm，其耦合系数K=0.3%左右，满足了相邻电感之间弱耦合的要求（K=0是不可能的）。
同时将相邻的电感线圈采用反向绕制，借此达到消除（削弱）相邻电感之间漏磁场的存在，使网络的各电感相互“独立”，达到近似去耦的作用。直观而言，工程设计上就实现了用多节集中参数的所谓去耦网络去逼近真实传输线的一段，以获得好的脉冲波形。必须指出，上述讨论时忽略了网络中间隔相邻电感间耦合作用的影响。
常规PFN网络结构是电感组件、电容组件分立组装。为达到这种网络结构的小型化，就需采用高比能的电容器，从而导致PFN制造技术难度加大且造价昂贵。独特设计的L-C单元组合式网络结构（图2）是网络结构小型化的优化设计。但必须解决电容器置于电感线圈磁场中的电绝缘、涡流发热效应及电容器极板的“短路环”效应等关键技术。
网络的电容器采用矩形绝缘外壳作电感线圈的骨架。电容器介质采用性能优良的云母纸浸渍新研制的乙烯基硅油体系的GVI-101浸渍剂不仅具有耐高温（180℃）、耐电晕、介质损耗角正切值小等优良性能，而且在常温下具有低粘度、高温下（100℃以上）能固化的特性，且固化机理是化学反应又不释放气体。从而实现了PFN高温电容器具有优良的耐电晕性能的固化体（干式）结构。
3 研制的PFN
制作的脉冲形成网络如图3所示。其主要技术条件是：
充电电压：8.5kV
脉冲宽度：40μs
前 沿：≤5μs
后 沿: ≤9μs
顶部波动：δ≤0.3%
顶部降落：λ＜0.1%
阻 抗：50Ω
重复频率：290Hz
网络为L-C单元组合式去耦网络，由15个L-C单元组合（图2）和一个附加电感L0组成。体积为2108mm×187mm×492mm，重量为30kg。
L-C单元组合式去耦网络无法采用改变电感的间距、调整电感线圈的圈数、在电感线圈上采用短路夹及在电感线圈中采用短路环等调试手段，我们采用电感线圈灵敏短路点调试法。实践证明是一种最为简便的方法。短路点位置、数量能满意地达到调试所需的电感量的变化。图4示出PFN在额定工作状态下的波形图。波形的顶部波动δ经切割放大后测量达δ=0.18%。
制作的脉冲形成网络经整机鉴定、检测及例试均已满足技术条件的要求，长期运行性能稳定可靠。总失效率达Σλ=8.88×10-6，MTBF=1.1×105，实现了在较小网络节数下，获得好的脉冲波形特性和网络结构的小型化。
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