Трансформатор наносекундных импульсов

 

Использование: питание ускорителей и лазеров, СВЧ- и рентгеновских диодов. Достигаемый технический результат: расширение динамического диапазона по энергии и входному и выходному сопротивлению. Сущность изобретения: трансформатор содержит n≥2 групп отрезков однородных длинных линий, группы отрезков однородных длинных линий соединены на входе и выходе параллельно, в каждую группу, в свою очередь, входит n отрезков однородных длинных линий, соединенных на входе параллельно, на выходе последовательно и расположенных в одной плоскости одна над другой, группы отрезков однородных длинных линий размещены в параллельных плоскостях или в плоскостях, повернутых одна относительно другой на угол ϕ=2π/m. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к трансформаторам на отрезках длинных линий и может использоваться в таких областях, как ускорительная и лазерная техника, мощная СВЧ-электроника и управляемый термоядерный синтез.

Известны широкополосные трансформаторы сопротивления и напряжения, выполненные из двухпроводных согласованных линий, соединенных параллельно на входах и последовательно на выходах. Линии имеют равную длину и размещаются на раздельных или общем магнитопроводах [1] .

Недостаток широкополосного трансформатора на линиях - ограниченный числом n = 3 коэффициент трансформации и большие продольные напряжения на витках линий.

Наиболее близким по технической сущности (совокупности признаков) к предлагаемому изобретению является трансформатор наносекундных импульсов напряжения, содержащий несколько (в общем случае n) однородных длинных линий, соединенных на входе параллельно, на выходе последовательно. Линии имеют одинаковую длину и размещены в одной плоскости последовательно одна над другой. Достоинствами трансформатора являются равномерное распределение напряжения по линиям и малые значения паразитных параметров, что позволяет трансформировать с небольшими искажениями импульсы длительностью в десятки наносекунд и напряжением в сотни киловольт [2] .

Недостаток трансформатора на отрезках однородных линий - узкий динамический диапазон, а именно ограниченная пропускная способность по току и энергии и большой шаг (через 50-75 Ом) изменения выходного сопротивления.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона трансформатора по энергии и входному и выходному сопротивлениям.

Это достигается тем, что в трансформаторе, содержащем группу из n отрезков однородных длинных линий, расположенных в одной плоскости и соединенных на входе параллельно на выходе последовательно, количество групп из n отрезков однородных длинных линий равно по меньшей мере двум, группы на входе и выходе соединены параллельно.

Кроме того, группы отрезков однородных длинных линий расположены в параллельных плоскостях и образуют в сечении прямоугольную матрицу.

Кроме того, группы отрезков однородных длинных линий расположены в плоскостях, повернутых одна относительно другой на угол ϕ = 2π /m, где m - число групп, и образуют в сечении круглую матрицу.

Увеличение числа групп отрезков однородных линий до m ≥ 2 и их параллельное соединение на входе и выходе обеспечивает регулирование входного и выходного сопротивлений трансформатора с помощью двух сомножителей m˙ n, т. е. в более широком диапазоне (от долей и единиц Ом на входе до единиц и десятков Ом на выходе) и с более частым шагом (от 1/2 до 1/20 волнового сопротивления линии); увеличение и регулирование в широких пределах пропускной способности трансформатора по току и энергии; уменьшение индуктивности трансформатора, продольных напряжений на линиях и степени искажения трансформируемых импульсов.

При расположении групп отрезков однородных длинных линий в параллельных плоскостях становится возможным соединение трансформатора с большими полосковыми линиями и моделирование наносекундных электромагнитных ТЕМ-волн; питание одновременно нескольких идентичных нагрузок.

При расположении групп отрезков однородных линий в плоскостях, повернутых одна относительно другой на угол ϕ = 2 π/m, где m - число групп, возможны соединение трансформатора с большими коаксиальными, например, водяными линиями и питание мощных ускорителей; создание общего металлического кожуха, экранировка и безопасное обслуживание трансформатора.

На фиг. 1 показан предлагаемый трансформатор в виде прямоугольного параллелепипеда, вид сбоку; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - цилиндрический вариант предлагаемого трансформатора, продольный разрез; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 4. Первая цифра указывает номер группы, вторая - соответствует номеру длинной линии в каждой группе.

Предлагаемый трансформатор наносекундных импульсов содержит m ≥ 2 групп отрезков однородных длинных линий. Группы отрезков однородных длинных линий соединены на входе и выходе параллельно. В каждую группу, в свою очередь, входит n ≥ ≥ 2 отрезов однородных длинных линий, соединенных на входе параллельно, на выходе - последовательно и расположенных в одной плоскости одна над другой. Линии имеют идентичную длину и волновое сопротивление.

Группы отрезков однородных длинных линий располагаются в параллельных плоскостях (см. фиг. 1) или в плоскостях, повернутых одна относительно другой на угол ϕ = 2 π/m (см. фиг. 2). Соответственно в поперечном сечении группы отрезков длинных линий образуют прямоугольную или круглую матрицы из m х n = 5 х 4 и 8 х 4 элементов (линий).

Цилиндрический вариант трансформатора может оснащаться наружным экранирующим кожухом, а внутренняя полость кожуха заполняется изолирующей жидкостью, например трансформаторным маслом.

На входе трансформатор соединен через ключ К₁ с генератором импульсного напряжения U₁, на выходе - с одной общей или несколькими идентичными нагрузками R_н.

Входное и выходное сопротивления трансформатора R_вх = ρ/(n˙ m) и R_вых = = ρ ˙ (n/m), где ρ- волновое сопротивление отрезка однородной длинной линии. Коэффициенты трансформации сопротивления и напряжения К_р = n² и К_u = n.

Шаг изменения входного и выходного сопротивлений трансформатора: при постоянном числе групп и варьиpуемом числе отрезков линий в группе ΔR_вх= · ΔR_вых= при постоянном числе отрезков линий в группе и варьируемом числе групп ΔR_вх= · ΔR_вых= Работают трансформаторы следующим образом.

Импульс напряжения U₁, поданный на вход трансформатора через ключ К₁, например, при разряде на трансформатор малоиндуктивного конденсатора, достигает выхода трансформатора через время t₃ = l/v, где l - длина отрезка однородной длинной линии; v - скорость распространения электромагнитной волны в линии.

Так как отрезки однородных длинных линий в каждой группе включены последовательно и нагружены сопротивлениями R_н = = n ˙ ρ , где ρ - волновое сопротивление отрезка длинной линии, то на нагрузках R_н в каждой группе амплитуда напряжения U₂ увеличивается в n раз по сравнению с напряжением на входе трансформатора. (56) 1. Лондон С. Е. и Томашевич С. В. Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам. М. : Радио и связь, 1984, с. 10-27, рис. 1.3, табл. 13.

2. Кремнев В. В. и Месяц Г. А. Методы умножения и трансформации импульсов сильноточной электронике. Новосибирск: Наука, 1987, с. 5-14, рис. 11.

Формула изобретения

1. ТРАНСФОРМАТОР НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ, содержащий группу из n ≥ 2 отрезков однородных длинных линий, расположенных в одной плоскости и соединенных на входе параллельно, на выходе - последовательно, отличающийся тем, что количество групп отрезков однородных длинных линий равно, по крайней мере двум, группы на входе и выходе соединены параллельно.

2. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что группы отрезков однородных длинных линий расположены в параллельных плоскостях и образуют в сечении прямоугольную матрицу.

3. Трансформатор по п. 1, отличающийся тем, что группы отрезков однородных длинных линий расположены в плоскостях, повернутых одна относительно другой на угол ϕ= 2π / m , где m - число групп, и образуют в сечении круглую матрицу.