РАДИАЛЬНО-РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ СУММАТОР ИМПУЛЬСОВ
RADIAL-DISTRIBUTED PULSE SUMMATOR

Изобретение относится к высоковольтной коротко-импульсной технике и может быть использовано для формирования мощных прямоугольных высоковольтных импульсов наносекундной и субмикросекундной длительности в ускорительной технике, высокочастотных импульсных источниках и технологических установках.
Известен импульсный трансформатор [патент RU № 2542755 С1, Н01Р 5/12, 2006.01], выполненный в виде плоского диска, осуществляющий формирование мощного импульса путем согласованного суммирования совокупности идентичных парциальных импульсов, распространяющихся по коаксиальным или полосковым линиям, с последующим повышением напряжения результирующего импульса за счет его прохождения по неоднородной радиальной линии. Коаксиальные (полосковые) линии соединяются с радиальной линией по периметру её входа, волновой импеданс которого равен волновому импедансу всех параллельно подключенных к нему полосковых линий, т.е. вход радиальной линии совместно с подключенными к нему входными коаксиальными или полосковыми линиями образует согласованный многоплечевой сумматор тока. Выход радиальной линии выполнен в виде радиально-коаксиального перехода, при этом повышение напряжения и уменьшение тока выходного импульса по сравнению с напряжением и суммарным током парциальных импульсов определяется коэффициентом трансформации радиальной линии.
Недостатком данного трансформатора являются искажения формы передаваемых импульсов за счет отражений, имеющих место в неоднородных линиях, при этом искажения растут по мере увеличения коэффициента трансформации и длительности импульсов. Предлагаемое в патенте увеличение допустимой длительности импульсов и коэффициента трансформации за счет использования в линиях материалов с большой диэлектрической проницаемостью, то есть полярных диэлектриков, способных работать лишь при относительно небольших частотах, не решает проблему трансформации импульсов с наносекундными фронтами и спадами.
Известен кабельный трансформатор Льюиса [Lewis, A.D. Some transmission line devises for use with millimicrosecond pulses / A.D. Lewis. - Electronic Eng. – 1955. - V. 27. - P. 448-450)], обеспечивающий формирование мощного импульса путем сложения одинаковых парциальных импульсов, синхронно распространяющихся по совокупности коаксиальных кабелей, за счет последовательного соединения их линейно-упорядоченных выходов так, что центральный проводник выхода каждого кабеля соединяется с оплеткой следующего кабеля. Согласованная нагрузка, сопротивление нагрузки равно сумме импедансов кабелей, включается между центральным тоководом последнего кабеля и оплеткой первого кабеля, где формируется импульс той же формы, что и парциальные импульсы, напряжение импульса равно сумме напряжений парциальных импульсов, а ток равен току одного парциального импульса. Для блокирования токов с оплеток кабелей на землю на каждый из кабелей надевается ферритовый сердечник.
Недостатком данного сумматора является предположение об идеальности соединений выходов кабелей, не учитывающее их размеры и согласованность, что неприемлемо при использовании кабелей большого диаметра и протяженных соединений, когда необходимо обеспечить их согласование с целью исключения отражений и связанных с этим стоячих волн, искажающих форму выходного импульса. Кроме того, независимость блокирующих дросселей предполагает решение задачи блокирования обратных токов с потенциальных оплеток на землю для каждого коаксиального кабеля отдельно, что усложняется при увеличении числа оплеток коаксиальных кабелей, находящихся под высоким потенциалом.
Наиболее близким по технической сущности является генератор мощных наносекундных импульсов [В.В. Кладухин, С.В. Кладухин, А.А. Новоселов, С.П. Храмцов. Генератор мощных наносекундных импульсов на основе транзисторных ключей // ПТЭ. - 2013. - №3. - С. 51-53], формируемых путем параллельно-последовательного суммирования совокупности импульсов, распространяющихся по отдельным коаксиальным кабелям, выполняемого сосредоточенным суммирующим элементом, использующим разбиение передающих кабелей на одинаковые группы с параллельным соединением выходов кабелей внутри этих групп и последовательным соединением выходов кабелей, относящихся к разным группам, и расположенными в цилиндрическом корпусе пространственно разнесенными дросселями, осуществляющими блокирование обратных токов, распространяющихся от суммирующего элемента на землю по наружным оплеткам групп кабелей. Сумматор обеспечивает повышение напряжения с коэффициентом умножения, равным числу групп кабелей, и тока с коэффициентом умножения, равным числу кабелей в группе.
Недостатком данной реализации являются высокие изоляционные требования к дросселям, блокирующим токи от групп кабелей, имеющих потенциал, близкий к потенциалу выхода суммирующего элемента, линейная зависимость длины цилиндрического корпуса, в котором находятся суммирующий элемент и блокирующие дроссели, от числа суммируемых групп кабелей, наличие между суммирующим элементом и блокирующими дросселями суперпозиции стоячих и бегущих волн, искажающих форму результирующего импульса.
Задачей изобретения является формирование мощных высоковольтных импульсов путем сложения совокупности идентичных парциальных импульсов.
Технический результат состоит в получении плоским устройством, имеющим форму диска, мощных высоковольтных импульсов из совокупности идентичных парциальных импульсов с сохранением их формы, высота устройства может быть на два порядка меньше его диаметра, что может представлять значительный интерес при компоновке систем.
Достигается технический результат тем, что в отличие от известных технических решений радиально-распределенный сумматор импульсов выполнен в виде двух металлических соосно соединяемых дисков, суммирование парциальных импульсов в котором осуществляется множеством пространственно разнесенных согласованных суммирующих элементов, передача импульсов между которыми выполняется отрезками линий, являющимися плечами этих элементов, с этой целью в поверхности примыкающего основания первого диска имеются кольцевые концентрические пазы c размещенными в них ферромагнитными сердечниками, кольцевой концентрический уступ вдоль периметра основания и круговое концентрическое углубление в центре диска, пазы ограничены межпазными ребрами, внешним ребром, расположенным по периметру основания и примыкающим к нему пазом, и внутренним ребром, расположенным между концентрическим круговым углублением в центре диска и соседним пазом, по центральным окружностям ребер расположены равноотстоящие друг от друга сквозные отверстия с установленными в них входными коаксиальными линиями, внутренние проводники которых через радиальные металлические перемычки соединены в точках, равноотстоящих от отверстий с коаксиальными линиями, со смежными ребрами меньшего диаметра, внутренние проводники коаксиальных линий, установленных во внутреннем ребре, соединены радиальными перемычками с цилиндрическим проводником, расположенным по оси диска, в поверхности примыкающего основания второго диска имеются круговые концентрические углубления, диаметры которых соответствуют наружным диаметрам ребер первого диска, а глубина увеличивается по мере их приближения к центру диска, где имеется круглое отверстие с коническим расширением.
Согласно изобретению импульсы во входных коаксиальных линиях сумматора и на его коаксиальном выходе отождествляются с распространением пакетов Т-волн, образующих спектр этих импульсов, радиальные перемычки, соединяющие внутренние тоководы входных коаксиальных линий с межпазными ребрами, и примыкающая к ним поверхность второго диска образуют отрезки несимметричных полосковых линий (НПЛ), распространение импульсов в которых рассматривается как распространение пакетов квази Т-волн, кольцевые ребра в основании первой секции, имеющие соединения с радиальными перемычками, и примыкающие к ним кольцевые поверхности второго диска образуют кольцевые щелевые линии (ЩЛ), распространение импульсов в которых рассматривается как распространение пакетов квази Н-волн.
Каждая входная коаксиальная линия и примыкающие к ней отрезки ЩЛ образуют соответственно коаксиальные и щелевые входные плечи согласованного суммирующего элемента, а отрезок НПЛ, соединяющий центральный токовод этой коаксиальной линии с соседней кольцевой ЩЛ, образуют его выходное несимметричное полосковое плечо, отрезки ЩЛ, соединяемые с отрезком НПЛ, образуют выходные щелевые плечи согласованного трехплечевого делителя тока, а сам отрезок НПЛ образует входное несимметричное полосковое плечо этого делителя.
U
I
Суммирующие элементы, щелевые плечи которых расположены на одном ребре, образуют один уровень суммирования напряжений, число уровней суммирования (N) задает коэффициент умножения напряжения K= N+1, число суммирующих элементов на одном ребре совпадает с числом коаксиальных входов (n) и задает коэффициент повышения тока K = n.
Сложение токов и напряжений в суммирующих элементах (СЕ) обеспечивается за счет выполнения определенных соотношений между волновыми сопротивлениями плечей СЕ и величинами напряжений и токов в этих плечах:
;
/2;
;
;
;
где
- номер уровня суммирования напряжений;
- напряжение импульса на первом входном ЩЛ-плече СЕ уровня k;
- напряжение импульса на втором входном ЩЛ-плече СЕ уровня k;
CL
U - напряжение импульса на входном коаксиальном плече СЕ;
- ток импульса на первом входном ЩЛ-плече СЕ уровня k;
- ток импульса на втором входном ЩЛ-плече СЕ уровня k;
CL
I - ток импульса на входном коаксиальном плече СЕ;
- волновое сопротивление первого входного ЩЛ-плеча СЕ уровня k;
- волновое сопротивление второго входного ЩЛ-плеча СЕ уровня k;
CL
Z - волновое сопротивление входного коаксиального плеча СЕ;
- напряжение импульса на выходном НПЛ-плече СЕ уровня k;
- ток импульса на выходном НПЛ-плече СЕ уровня k;
- волновое сопротивление выходного НПЛ-плеча СЕ уровня k,
и синхронизации моментов поступления импульсов на входные плечи, достигаемой за счет задержки моментов поступления парциальных импульсов на входные коаксиальные плечи суммирующих элементов, определяемой соотношением:
,
где
- задержка момента поступления парциальных импульсов на коаксиальные входы CE k -го уровня суммирования;
- скорость распространения электромагнитной волны по НПЛ-плечу;
- скорость распространения электромагнитной волны по ЩЛ-плечу;
- длина входного НПЛ-плеча делителя тока на i-м уровне суммирования;
-длина выходного ЩЛ-плеча делителя тока на i-м уровне суммирования.
Согласованное деление токов с выходов НПЛ по ЩЛ k-го уровня суммирования выполняется трехплечевыми делителями токов, величины напряжений, токов и сопротивлений в которых удовлетворяют соотношениям:
;
;
;
,
где ; ;.
Согласованное объединение выходных НПЛ-плечей суммирующих элементов последнего (N-го) уровня суммирования напряжений выполняется n-плечевым сумматором токов, коаксиальный выход которого является выходом радиально-распределенного сумматора импульсов, параметры импульса на выходе радиально-распределенного сумматора определяются соотношениями:
;
;
,
где
- число уровней суммирования;
- число коаксиальных входов на одном уровне суммирования;
- выходное напряжение сумматора;
- выходной ток сумматора;
- выходное волновое сопротивление сумматора;
ε – диэлектрическая проницаемость изолирующей среды в зазоре между дисками;
D - диаметр цилиндрической части наружного токовода коаксиального выхода;
d - диаметр цилиндрической части внутреннего токовода коаксиального выхода;
3
h – зазор между проводниками в НПЛ плече второго уровня суммирования;
D* - диаметр конической развертки наружного токовода.
у1
у2
Ферритовые сердечники, установленные в пазах первого диска, совместно со стенками пазов и охватывающими их радиальными перемычками образуют дроссели, блокирующие радиальные токи утечки (обозначенные как i и i на фиг.2), которые связаны с различием потенциалов соседних межпазных ребер на величину напряжения входных импульсов. Электрическое сопротивление изолирующего дросселя определяется соотношением:
,
которое удовлетворяет условию  для всех спектральных составляющих импульса, где  - комплексная магнитная проницаемость материала ферритового сердечника, ω - частота спектральной составляющей импульса, S - сечение сердечника, D - диаметр сердечника.
На фиг.1 представлен разрез с параметрами: n=6, N=2, иллюстрирующий сущность изобретения, где 1 - первый диск; 2 - паз c ферромагнитным сердечником; 3 - кольцевой концентрический уступ; 4 - круговое концентрическое углубление; 5 - межпазное ребро; 6 - внешнее ребро; 7 - внутреннее ребро; 8 - отверстие с входной коаксиальной линией; 9 - радиальная перемычка; 10 - точка присоединения радиальной перемычки к ребру; 11 - цилиндрический проводник с конусным основанием; 12 - второй диск, 13 - круговое концентрическое углубление; 14 - отверстие с коническим расширением.
*
*
*
*
На фиг.2 дано сечение сумматора импульсов, где h1 ÷ h3 - зазоры между радиальными перемычками и поверхностью второго диска (зазоры между проводниками в полосковых линиях); h1 ÷ h2 - зазоры между кольцевыми ребрами и поверхностью второго диска (зазоры между проводниками в щелевых линиях); iу1 ÷ iу2 - токи утечки, d - диаметр цилиндрической части внутреннего токовода коаксиального выхода, D - диаметр цилиндрической части наружного токовода коаксиального выхода; D - диаметр конической развертки наружного токовода; d - диаметр конического основания внутреннего токовода выхода.
На фиг.3 приведена поверхность первого диска с указанием (стрелками) распространения токов внутри сумматора, где a1÷а3 - ширина радиальных перемычек (тоководов полосковых линий) , b1÷b2 - ширина кольцевых ребер (тоководов щелевых линий), ln1 ÷ ln2 - длины радиальных перемычек (тоководов несимметричных полосковых линий), lщ1 ÷ lщ2 – длины отрезков кольцевых ребер (тоководов щелевых линий).
Устройство работает следующим образом.
В начальный момент времени  синхронно по 6-и входным коаксиальным линиям (), выводы которых расположены на внешнем ребре, поступают парциальные импульсы в виде токов  и напряжений , которые в виде напряжений  и токов  передаются далее по шести НПЛ с сопротивлениями , являющимися входными плечами делителей тока первого уровня суммирования. Далее импульсы поступают на выходные плечи симметричных делителей тока первого уровня суммирования, волновые сопротивления которых удовлетворяют соотношению:
,
а токи и напряжения в их плечах - соотношениям:
;
.
В момент времени  на входные коаксиальные плечи всех шести СЕ первого уровня суммирования поступают парциальные импульсы в виде токов  и напряжений , одновременно с которыми на их ЩЛ-плечи поступают импульсы с симметричных делителей тока, в результате чего на выходных плечах СЕ, волновые сопротивление которых , будут получены импульсы с токами и напряжениями, удовлетворяющими соотношениям:
;
.
Далее импульсы передаются на выходные плечи симметричных делителей тока, волновые сопротивления которых удовлетворяют соотношению:
,
а токи и напряжения в их плечах - соотношениям:
;
.
В момент времени  на входные коаксиальные плечи всех шести СЕ второго уровня суммирования поступают парциальные импульсы в виде токов  и напряжений , одновременно с которыми на их ЩЛ-плечи поступают импульсы с симметричных делителей тока, в результате чего на выходных плечах СЕ, волновые сопротивление которых , будут получены токи и напряжения, удовлетворяющие соотношениям:
, .
Импульсы, полученные на выходных НПЛ-плечах СЕ второго (последнего) уровня суммирования напряжения, с помощью шестиплечевого согласованного сумматора тока объединяются в выходной импульс с параметрами:
;
,
при этом волновая сумма сопротивлений входных плечей сумматора и сопряженного с ними коаксиального выхода удовлетворяют соотношению:
.
Радиально распределенный сумматор импульсов может иметь размеры, достигающие нескольких метров в диаметре, при числе уровней суммирования N ≤ 25 и числе коаксиальных вводов на одном уровне n ≤ 50. В качестве входных коаксиальных линий могут быть использованы стандартные коаксиальные кабели либо специально изготовленные линии. С целью повышения электропрочности зазор между дисками может заполняться жидким изолятором с диэлектрической проницаемостью (ε ≤6 ) или изолирующими газами. Ферритовые сердечники следует выбирать с учетом возможности блокирования всех спектральных составляющих парциальных импульсов.
Точные значения волновых сопротивлений НПЛ и ЩЛ должны рассчитываться численными методом, оценка сопротивлений НПЛ и ЩЛ, с учетом малого сопротивления продольных составляющих магнитного поля, квази Н-волн в ЩЛ, из-за большой магнитной проницаемости ферритов, может быть выполнена аналогично:
;
;
.
С использованием заявленных признаков был изготовлен макет сумматора с параметрами: n=3, N=2, в котором для транспортировки входных импульсов использовались девять 50-омных коаксиальных кабелей, разделенных на три группы по три кабеля. В качестве дроссельных сердечников использовались ферритовые кольца из материала N49 фирмы Epcos. Парциальные импульсы на входах 50-омных коаксиальных кабелей формировались тремя IGBT-транзисторами FGL40N120 и имели: прямоугольную форму, длительность 60 нс, фронт 14 нс, спад 19 нс, напряжение 1кВ. На выходе сумматора формировался импульс длительностью 52 нс с фронтом 15 нс, спадом 20 нс, напряжением 3кВ и током 60 А.