低阻抗Ｂｌｕｍｌｅｉｎ型脉冲形成网络设计与实验 ・７７・ 低阻抗Ｂｌｕｍｌｅｉｎ型脉冲形成网络设计与实验 张 艳 （南京信息职业技术学院，江苏南京２１００４６） 摘要：脉冲形成网络（ＰＦＮ）是产生宽度上百纳秒甚至更长脉冲的主要技术途径之一。设计了一种低阻 抗Ｂｌｕｍｌｅｉｎ型脉冲形成网络，该脉冲形成网络采用陶瓷电容器作为级电容，铜条作为级电感，通过将两 路阻抗为２０ Ｑ的Ｂｌｕｍｌｅｉｎ型脉冲形成网络并联，使一个网络单元模块的输出阻抗为１０ Ｑ。实验结果 表明，设计的Ｂｌｕｌｅｉｎ型脉冲形成网络单元可在ｌ０ ｎ负载上获得半高宽约２００ ｎｓ，前沿约为５０ ＢＳ，平顶 约为１１０ ｎｓ的高压脉冲。 关键词：脉冲形成网络；Ｂｌｕｍｌｅｉｎ型脉冲形成网络；低阻抗；陶瓷电容；铜条 中图分类号：ＴＮ５０１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８８２９（２０１０）０９—００７７—０２ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｏｗ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｂｌｕｍｌｅｉｎ Ｐｕｌｓｅ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＺＨＡＮＧ Ｙａｈ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ａ ｐｒｉｍａｒｙ ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐｕｌｓｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ（ＰＦＮ）ｔｏ ｇｅｔ ｐｕｌｓｅ ｗｉｔｈ ｓｅｖｅｒａｌ ｈｕｎｄｒｅｄｓ ｏｒ ｍｏｒｅ ｎｓ ｗｉｄｔｈ．Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ Ｂｌｕｍｌｅｉｎ ＰＦＮ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅ ｃｅｒａｍｉｃ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ａｓ ｓｅｅ— ｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ Ｈｓｅ ｂｒａｓｓ ｓｔｉｒｐ ａｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ。Ｂｙ ｐａｒａｌｌｅｌｉｎｇ ｔＷＯ Ｂｌｕｍｌｅｉｎ ＰＦＮ ｗｉｔｈ ２０ Ｑ ｉｍｐｅｄ— ａｒｌｃｅ ａ ＰＦＮ ｍｏｄｕｌｅ ｗｉｔｈ １０ Ｑ ｉｓ ｇｏｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｉｓ ａｂｏｕｔ ２００ ｎｓ， ｔｈｅ ｒｉｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｉｓ ａｂｏｕｔ ５０ ｎｓ．ｔｈｅ ｆｉａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｉｓ ａｂｏｕｔ Ｉ １０ ＢＳ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｉｓ １０ Ｑ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｕｌｓｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ；Ｂｌｕｍｌｅｉｎ ＰＦＮ；ｌｏｗ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ；ｃｅｒａｍｉｃ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ；ｂｒａｓｓ ｓｔｒｉｐ 在高电压的脉冲功率范围内获得高峰值功率、快 前沿脉冲方波的普遍方法是采用高压电源对脉冲形成 １ Ｂｌｕｍｌｅｉｎ型脉冲形成网络设计 线或集中参数脉冲形成网络（ＰＦＮ）充电，再利用导通 根据级电感和级电容的分布关系不同，脉冲形成 开关实现形成线对负载快速放电，从而产生数百千伏 网络有多种形式。在工程上，为了制作方便，常用的是 的吉瓦级高功率脉冲电压波 。一般来说，采用同 无损均匀传输线的简易等效网络，也称等电容等电感 轴脉冲形成线（ｃｏａｘｉａｌ—ＰＦＬ）可产生宽度几十纳秒、上 网络。当采用ｎ节均匀网络时每节级电感 、级电容 升时间小于１０ ｎｓ的脉冲电压，但是如果需要得到一 与ＰＦＮ阻抗 、形成脉冲宽度 有下列关系 个上百纳秒甚至更长的脉冲，通常会选择ＰＦＮ、螺旋脉 ｒ 冲线（ｈｅｌｉｃａｌ ｆｏｒｍｉｎｇ ｌｉｎｅ）或是高介电系数的复合固态 瓜，ｚ一 （】） 介质（如介电陶瓷）形成线 。 对于低阻抗的ＰＦＮ，级电感往往只有数十纳亨，而 对于形成百纳秒，低阻抗脉冲的脉冲形成网络，级 电容器内感客观存在且不能忽略，为了减少电容器内 电感及电容器内感对输出脉冲的波形质量有着明显的 感对输出脉冲的影响，本文选用内感相对较低的陶瓷 影响 ，为此，本文采用了陶瓷电容器作为级电容，铜 电容器作为级电容。为了满足耐压的需要，本文采用 条作为级电感，通过两路阻抗为２０ Ｑ的Ｂｌｕｍｌｅｉｎ型脉 ３个２．５ ｎＦ的电容器（单体尺寸：中７４ ｍｍ ｘ４０ ｍｍ）串 冲形成网络并联运行达到输出阻抗１０ Ｑ的百纳秒中 联作为脉冲形成网络的级电容，也就是说所设计的脉 短脉冲，波形质量较好。 冲形成网络级电容Ｃ。＝８３３．３ ｐＦ。根据行业标准 ］， 采用差值法测得每级电容约为８４０ ｐＦ，电容内感约为 收稿日期：２００９～ｌ２—３０ １０ ｎＨ。 作者简介：张艳（１９７８一），女，湖北黄石人，讲师，博士研究生， 根据式（１）可以求得当单线阻抗为１０ ｎ，Ｂｌｕｍｌｅｉｎ 主要研究方向为信号处理和信道编码。 ＰＦＮ阻抗为２０ ｎ时，所需的级电感Ｌ。＝８３．３ ｎＨ。由 ・７８・ 《测控技术）２０１０年第２９卷第９期 Ｂｌｕｍｌｅｉｎ ＰＦＮ模块输出脉冲的幅值约为１００ Ｖ，脉冲宽 度（半高宽）约为１８０ ｎｓ，脉冲前沿（１０％一９０％）约为 ４０ ｎｓ；无明显反射，说明ＰＦＮ模块的阻抗约为ｌ０ Ｑ。 模拟结果表明，Ｂｌｕｍｌｅｉｎ ＰＦＮ模块的设计参数能够满 足使用的要求。 于级电感只有几十纳亨，不能用常规的绕线线圈充当 级电感。本文采用铜条作为级电感，一方面铜条形成 的电感对于集中参数电感而言相对均匀，另一方面铜 条作为级电感可以通过较大的电流。对于扁平金属 条，其电感可以利用下式进行近似计算¨ｏ ： （１ｎ ２１＋０＿５＋ｏ．２２３ｓ字） （２） ３ Ｂ１ｕｍ１ｅｉｎ型脉冲形成网络初步实验 实验装置包括高压直流电源、充电电阻、空气隙开 式中，ｚ，ｂ，Ｃ分别为导体条长度、宽度和厚度，且当ｚ＞ ５０（ｂ—ｃ）时，式中的最后一项可以略去。 根据式（２），最终取铜条的尺寸为：ｌ＝２×７５ ｍｍ， ｂ＝３０ ｒｎｍ，ｃ：２ ｍｍ，即用两根宽度为３０ ｍｍ，厚度为２ ｍｍ的铜条将电容器连接起来，每级电容的间距为７５ ｍｍ。此时，根据计算得到级电感为８３．６ ｎＨ。 ２ Ｂｌｕｍｌｅｉｎ型脉冲形成网络模拟 根据上节所设计的ＰＦＮ网络级电容及级电感参 数，建立双路Ｂｌｕｍｌｅｉｎ ＰＦＮ并联网络单元模块，如图１ 所示。图中，Ｌ 一 为级电感，大小为８３．６ ｎＨ；Ｌ ，一 Ｌ加为各种连线电感，开关电感等附加电感；Ｃ 一ｃ∞为 级电容，大小为８４０ ｐＦ；负载为电阻负载，大小为１０ ｎ。运用Ｐｓｐｉｃｅ软件对图１所示电路进行模拟，模拟 电路中各电容充电为１００ Ｖ。模拟结果如图２所示。 上３７ＢＩ一ａ—ｍｌ Ｆ Ｌ一一一一一一一一一一 ２００ ｎＦＩ ￡ｌ ￡， ￡１ 上４ 三 Ｌ＾Ｌ７ ＬＲ 三 ２０ｄｎＦ正 Ｕ１：ｔ－ｃ 牛 牛 牛 牛 牛 半 牛 牛ｃ９牛ｃ．。 ；【簪 当Ｌ Ｌ 一 寤 卫， 韭一一－－ ￡ ｑ Ｂｌｕｍｌｅｉｎ ＰＦＮ２ ２００ ｎＦＩ Ｌ１日Ｌ，ｎ 三，ｌ ￡２， 上２ ￡２４ Ｌ２ Ｌ２＾Ｌ２７ Ｌ４０ ２０ｑ Ｕ２ ｆ牛ｃ２Ｉ午ｃ２２半ｃ２３牛 ４宁 牛Ｃ２６辛ｃ２７丰Ｃ２８宁Ｃ２９牛ｃ ｉ－Ｌ工－３－：：：－工Ｉ＿： Ｉ．ａ－：兰工．ａ－＝ 工．Ｉ－＝ 工－１－： ：＿工１＿：：：－工Ｌ： 工－Ｌ 竺 ＩＬ２ｇ Ｌ２９ Ｌ３０ Ｌ３ｌ Ｌ３２ Ｌ３３ Ｌ３４ Ｌ３５ Ｌ 图１双路Ｂｌｕｍｌｅｉｎ ＰＦＮ并联单元Ｐｓｐｉｃｅ模拟电路 ４０ ：： ● ｉ ＿ ●； ： Ｏ ｆ ｊ ：＿ ＿ ： ＞ 』． 一４０ 馨 ’ ： ’ 一８０ ：： ．： ． 。… ． ． １２０ 川｝ ｔｉｎｓ 图２ Ｐｓｐｉｃｅ模拟结果 由图２可知，在输入电压１００ Ｖ下，所设计的 关、Ｂｌｕｍｌｅｉｎ脉冲形成网络、负载电阻、测量探头及示 波器等，原理电路如图１所示。实验时，将图１中的开 关ｕ１、ｕ２连接成一个开关，以保证两路Ｂｌｕｍｌｅｉｎ ＰＦＮ 的同步运行。连接实验装置时，负载使用高压无感电 阻，同时要使整个线路连接尽可能紧凑，尽可能减小回 路的附加电感，以得到更好的输出波形。 实验的典型波形如图３所示。由图中可知，输出 脉冲半高宽约２００ ｎｓ，前沿约为５０ ｎｓ，平顶约为１１０ ｎｓ，波形质量良好。与模拟的结果相比，实验所得波形 的前沿及脉冲均有所增加，造成此种差异的原因有： ①式（２）所计算的电感值偏小，用精密数字电桥 测量两电容问铜条的电感约为５０ ｎＨ×２＝１００ ｎＨ，这 样加宽了脉冲宽度； ②连线电感比模拟值大，从而使脉冲前沿变缓； ③两个Ｂｌｕｍｌｅｉｎ ＰＦＮ的参数不是完全一样的，产 生的脉冲有一定的差异，在负载上叠加时，有可能减缓 前沿，加长脉宽。 勺 舌 ， ｛ ．ｊ翌 ｝ ‘ 馨 ． ｔ／（５Ｏｎｓ／ｄｉｖ） 图３实验典型波形 ４ 结束语 本文提出了将２路阻抗为２０ Ｑ的Ｂｌｕｍｌｅｉｎ ＰＦＮ 并联，使一个单元模块输出阻抗为ｌ０ 的方法，并进 行了初步的实验，得到了半高宽约为２００ ｎｓ，前沿约为 ５０ ＢＳ，平顶约为１１０ ｎｓ的良好脉冲波形，验证了此设 计的正确性，为低阻抗脉冲形成网络的设计提供了一 个新的方向。 （下转第８４页） ・８４・ 量数据，经变换后送显示缓冲区；当收到外部Ｐｃ机请 求传送数据指令时，将单片机内历史数据保存区的３Ｏ 天降雨量数据传给ＰＣ机，以作长期保存。 其中，显示子程序主要是负责将单片机内显示缓 冲区中的ｌ６ Ｂ的时间、ＡＢ两雨量站降雨量和历史天 数数据转换成相应的显示段码送外部动态显示接口。 ４技术指标 本雨量数据实时监测系统的技术指标如下： ①雨量采集强度：４ ｍｍ／ｍｉｎ； ②雨量测量最小分度：０．１ ｍｍ； ③雨量显示最小分度：０．１ ｍｍ； ④雨量测量误差：±４％； ⑤雨量存储最小分度：１ ｌｌｌｍ； ⑥历史数据回放显示最小分度：１ ｍｍ； ⑦记录雨量最大值：２５５ ｍｍ； ⑧数据传送方式：半双工异步通信； ⑨数据调制方式：ＦＳＫ； ⑩通信频率：２３０ ＭＨｚ； ⑩数传模块发射功率：１～１０ Ｗ（视距离可调）； ⑩显示装置与ＰＣ机通信标准：ＲＳ－２３２； ⑩工作温度：一５～４０ ｃｃ； （上接第７６页） 该ＩＴＦ系统作为某型飞机地面试验系统的重要组 成部分，参与了型号研制中的全部地面半物理仿真试 验。在近半年的试验过程中，系统运行稳定，完成了预 定功能，圆满完成了试验任务。 ６结束语 该综合测试系统目前仅能对飞控计算机外部数据 进行测试和验证，还不具备对飞控计算机内部信号注 入、监控的能力，今后还需添加ＤＩＦ、ＦＴＩ等功能以实现 对飞控计算机内部功能的测试。 ＲＴＸ具有良好的实时性，虽然越来越多的厂家开 始重视并提供ＲＴＸ下板卡的驱动程序，但总体来看仍 然较少，需要用户自行开发。 参考文献： ［１］康凤举．现代仿真技术与应用［Ｍ］．北京：国防工业出版 社，２００ｌ－０９． ［２］宋宇峰．Ｌａｂ Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ逐步深入与开发实例［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，２００３－０４． ［３］ Ａｒｄｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．ＲＴＸ ６．５．１ Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ［Ｚ］． ［４］ Ａｒｄｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．ＲＴＸ ７．１ Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｐ 『ｚ］． 口 《测控技术）２ｏｌｏ年第２９卷第９期 ⑩环境相对湿度：≤９５％； ⑩大气压力：８６～１０６ ｋＰａ； ⑩供电电源：２２０ Ｖ＋ｌ０ Ｖ（或一３０ Ｖ），５０ Ｈｚ； ⑥全天候在线检测。 ５ 结束语 本系统是利用８９Ｃ５１单片机和日精ＮＤ２５０Ａ无线 数传模块作为核心部件设计出的一套具有两个雨量采 集站和一个雨量数据接收显示装置的降雨量数据实时 监测系统。经过长期的实际运行证明，该系统具有成 本低、操作简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强、采集的 数据准确等特点，在软硬件的设计上使雨量采集站数 量便于扩展，另外在雨量数据接收显示装置上还设置 了ＲＳ－２３２接口，为降雨量数据上传Ｐｃ机作进一步综 合处理提供了条件。该系统在相关领域具有一定的推 广运用价值。 参考文献： ［１］ 李建忠．单片机原理及应用［Ｍ］．西安：西安电子科技大 学出版社，２００２－０２． ［２］ 王煜东．传感器及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２ｏ０２ ８． ［３］ 王钧铭．数字通信技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社， ２００３－０３． 口 （上接第７８页） 参考文献： ［１］Ｒｉｍ Ｇ Ｈ，Ｐａｖｌｏｖ Ｅ Ｐ，Ｌｅｅ Ｈ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｐｕｌｓｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｌｉｎｅｓ ｆｏｒ ｓｑｕａｒｅ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｎ Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００３，３１（２）：１９６—２００． ［２］Ｃａｂａｌｌｅｒｏ Ｂ，Ｓｍｉｔｈ Ｌ Ｓ，Ｐａｕｌ Ｗ．Ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｐｕｌｓｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｌｉｎｅｓ ｏｆｒ ａ ｃｏｍｐａｃｔ ｚ—ｐｉｎｃｈ ｐｕｌｓｅｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ［Ａ］．１６ １ＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｕｌｓｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］．Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ， ＮＭ：２００７，１：５４６—５４９． ［３］ 常安碧，罗敏，张之福，等．１００ ｋＶ低阻抗非均匀集中参 数Ｂｌｕｍｌｅｉｎ脉冲形成网络的研制［Ｊ］。强激光与粒子束， １９９７，９（３）：３３１—３３５． ［４］ 杨建华，钟辉煌，舒挺，等．水介质Ｂｌｕｍｌｅｉｎ型螺旋脉冲形 成线的研究［Ｊ］。强激光与粒子束，２００５，１７（８）：１１９１一 ｌ１９４． ［５］夏连胜，梁川，石金水，等．固态Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线的初步研究 ［Ｊ］．高电压技术，２００３，２９（２）：４４—４５． ［６］夏连胜．宽平顶高电压长脉冲形成技术研究［Ｄ］．北京： 中国工程物理研究院，２００１． ［７］ 东冲．线型脉冲调制器理论基础与专用电路［Ｍ］．北京： 国防工业出版社，１９７８． ［８］ 刘锡三．高功率脉冲技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社， ２０Ｏ５． ［９］ＪＢ／Ｔ ８１６８—１９９９．脉冲电容器及直流电容器［Ｃ］． ［１Ｏ］海特维西．电感计算［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９６０． 口