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日志

[ZZ]基于NLTLs的脉冲压缩技术及应用研究

已有 41 次阅读2021-4-7 21:25 |个人分类:NLTL|系统分类:芯片设计| NLTL, 脉冲压缩

《上海交通大学》 脉冲功率 2017-11-05

摘 要:脉冲放电等离子体及其应用是脉冲功率技术民用领域极具前景的发展方向之一。为了推动脉冲 放电等离子体理论与应用技术的研究和发展,文章着重研究了NLTL脉冲压缩技术,设计了一款基于NLTLs 的脉冲压缩电路,使得原本200ns的脉宽的脉冲压缩到10ns以内。该脉冲输出可应用于大气压常温等离子体 射流激励。 

关键词:NLTLs;孤子;脉冲压缩技术;大气压常温等离子体 

Research and application of compression technology based on NLTLs 

Liang Peng-fei   Yuan Bin   Fu Yun   Xiong Jun   Zhang Fei-yue   Yao Lei (School of Electronic Information and Electrical Engineering, ShanghAI Jiao Tong University) Abstract: Pulsed discharge plasma and its applications are one of the most promising directions in the field of pulsed power technology civil applications. In order to promote the research and development of pulse discharge plasma theory and application technology, this paper focuses on the research of NLTL pulse compression technology, and designs a pulse compression circuit based on NLTLs, which compress the pulse of 200ns pulse width to 10ns. The pulse output can be applied to the atmospheric pressure normal temperature plasma jet excitation. Key words: NLTLs, soliton, pulse compression technology atmospheric pressure normal temperature plasma jet 


0 引言

 脉冲放电等离子体应用技术却在近十年里蓬勃 发展,受到广泛关注。在材料表面处理、生物医学、 杀菌消毒、环境处理、能源化工、飞行器气流控制 和点火助燃等领域具有广阔的应用前景。其中,大 气压常温等离子体射流装置由于其体积小、成本低 而受到广泛关注。与DBD 相比,由于射流产生的等 离子体通常喷射出一定长度,使等离子体中的活性 粒子与电场分离,不仅可以不受电极装置的空间限 制,也能远离高压电场,安全可靠【1~2】。 采用脉冲放电方式激励等离子体,脉冲功率电 源是核心技术之一【3~7】,通常要求脉冲电压的宽度 在亚微秒到纳秒量级,因此脉冲压缩和脉冲边沿陡 化都是至关重要的。目前应用比较广泛的有基于脉 冲形成线、磁开关、DBD开关、非线性传输线和雪 崩二极管的脉冲压缩技术。其中NLTL脉冲压缩技术 由于具有与输入信号相关性低、传输频率高、快沿 水平高、波形质量好、属于婺源网络、易于集成等 诸多优点而得到较快发展【8】。 在这一背景下,本文展开以NLTL为基础的脉冲 压缩技术研究,基于孤子波理论,设计脉冲压缩电 路,实现纳秒级高压高重复频率脉冲输出,并应用 于大气压常温等离子体射流激励,得到稳定持续的等离子体射流。


1 非线性传输线及孤子波理论 

非线性传输线(NLTLs)是一种在传输线上连续 或者周期得加载非线性元素的结构。它有两类实现 方式:一类是基于非线性电感,另一类是基于非线 性电容。图1为基于非线性电容的非线性传输线 (NLTLs)等效电路,其中电容C(V)为随电压变化的 非线性电容,电感L为线性电感。

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当脉冲信号输入非线性传输线,由于非线性电 容值随着电容两端的电压增高而变小,上升沿各点 在通过非线性传输线时由于电平不同而导致非线性 电容值不同,传输速度产生差异,高电平状态点传 输速度快,通过传输线的传输延时短,低电平点传 输速度慢,传输延时长,因此缩短了高、低电平之 间的时间间距(上升沿),如图2所示。

image.png

脉冲压缩时间可以用以下公式近似计算:                                                                    (1) 其中tri是输入脉冲上升时间,tro是输出脉冲上 升时间,n是非线性传输线阶数。 非线性传输线上传输的波,不再是传统意义的 波,而是孤子波。 对图1所示的非线性传输线LC等效电路应用基 尔霍夫电压定律和电流定律,可以得到第n阶传输线 上的电压方程为:  

image.png

式中:Vn(t)是第n级电容上的电压;Vmax是第n 级传输线电压的峰值;TD是孤子波在每一级非线性 传输线上的传输延迟;TFWHM是孤子波在半幅度处的 脉冲宽度(或者称为传输线的固有脉冲宽度);fB 是布拉格截止频率:

image.png

当输入信号的半幅度脉冲宽度大于传输线的固 有脉冲宽度,输入信号将被分解了若干个不同幅度 和传输速率的孤子波,且至少有一个孤子波具有比 输入信号更大的幅度和更短的脉冲宽度,如图3所示。 并且我们可以得到分解成的孤子波个数约为: 

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2 孤子波脉冲压缩设计及应用研究

非线性电容采用Murata的GR442QR73 D101KW01,其C-V曲线如下图所示,在仿真中采 用公式(7)对非线性电容参数进行拟合,其中: C0=623pF,a=2.137,b=6.072∙10-3。 

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仿真电路如图1所示,电感采用空心电感, L=1uH,输入脉冲频率为400kHz,幅度为3000V, 脉冲宽度为200ns,采用50阶非线性传输线,输入阻抗 Rgen和输出阻抗Rload都是50Ω。仿真及实测的输入、 输出波形如图5、图6所示。

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从图6中看出,输出脉冲幅值为5380V,半脉冲 宽度16ns,波形良好,与仿真结果相符,证明了非 线性传输线良好的脉冲压缩效果。

采用非线性传输输出的的脉冲激励常温大气 ()等离子体,得到均匀稳定的等离子体射流,如 题7所示。

 image.png

3 结论 

本文通过对NLTL传输线及孤子波理论的研究, 设计了一款适用于高压高重频脉冲源的脉冲压缩电 路,在3000V峰值、200ns脉宽的脉冲输入下得到 5380V峰值、16ns脉宽的脉冲输出,并实际应用于 大气常温等离子体的激励,得到稳定均匀的等离子 体射流,可广泛应用于材料表面改性、医疗设备杀 毒消菌、表面清洗等场所。

参考文献     

Leiweke R, Ganguly B. Effects of pulsed-excitation applied voltage rise time on argon metastable production efficiency in a high pressure dielectric barrier discharge. Appl Phys Lett, 2007, 90: 241501 Kirpichnikov A /, Starikovskii A Y. Nanosecond Pulsed Discharge—Always Uniform?[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2008, 36(4):898-899. Jiang W H, Yatsui K, Takayama K, et al. Compact solid-state switched pulsed power and its applications. Proc IEEE, 2004, 92(7): 1180‒1196 江伟华. 高重复频率脉冲功率技术及应用(7). 强激光与粒子束. 2015. 27(1) Zhang D, Yan P, Sun Y, et al. Characteristics of magnetic core in magnetic pulse compression system. Acta Phys Pol A, 2009, 115(6): 1001‒1003 Shao T, Zhang C, Long K, et al. Surface modification of polyimide films using unipolar nanosecond-pulse DBD in atmospheric air. Appl Surf Sci, 2010, 256(12): 3888‒3894 谢平, 徐刚, 廖勇等. 非线性传输线产生射频脉       

冲原理研究. 强激光与粒子束. 2014. 26(3) Kuek N S, Liew A C, Schamiloglu E, et al. Circuit modeling of nonlinear lumped element transmission lines[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, 40(10):2523-2534.

作者简介 梁鹏飞,浙江绍兴人,上海交通大学硕士研究 生,主要研究领域为射频电源、脉冲源 电话: 13120898920 电子邮箱:pf_liang@qq.com 联系地址:上海市闵行区东川路800号上海交 通大学电信群楼1-510室(200240) 袁斌,广西省桂林市人,上海交通大学电子信 息与电气工程学院副教授,主要研究领域为可重构 天线、高频高压脉冲源、等离子微波与器件、电磁 兼容和电磁干扰

获得国家自然科学基金项目支持:61234001

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