基于NLTLs的高壓高重頻脈沖源的脈沖壓縮電路

脈沖放電等離子體應(yīng)用技術(shù)卻在近十年里蓬勃 發(fā)展，受到廣泛關(guān)注。在材料表面處理、生物醫(yī)學(xué)、 殺菌消毒、環(huán)境處理、能源化工、飛行器氣流控制 和點(diǎn)火助燃等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，大 氣壓常溫等離子體射流裝置由于其體積小、成本低 而受到廣泛關(guān)注。與DBD 相比，由于射流產(chǎn)生的等 離子體通常噴射出一定長度，使等離子體中的活性 粒子與電場分離，不僅可以不受電極裝置的空間限 制，也能遠(yuǎn)離高壓電場，安全可靠【1~2】。 采用脈沖放電方式激勵(lì)等離子體，脈沖功率電 源是核心技術(shù)之一【3~7】，通常要求脈沖電壓的寬度 在亞微秒到納秒量級，因此脈沖壓縮和脈沖邊沿陡 化都是至關(guān)重要的。目前應(yīng)用比較廣泛的有基于脈 沖形成線、磁開關(guān)、DBD開關(guān)、非線性傳輸線和雪崩二極管的脈沖壓縮技術(shù)。

其中NLTL脈沖壓縮技術(shù) 由于具有與輸入信號相關(guān)性低、傳輸頻率高、快沿 水平高、波形質(zhì)量好、屬于婺源網(wǎng)絡(luò)、易于集成等 諸多優(yōu)點(diǎn)而得到較快發(fā)展【8】。 在這一背景下，本文展開以NLTL為基礎(chǔ)的脈沖 壓縮技術(shù)研究，基于孤子波理論，設(shè)計(jì)脈沖壓縮電 路，實(shí)現(xiàn)納秒級高壓高重復(fù)頻率脈沖輸出，并應(yīng)用 于大氣壓常溫等離子體射流激勵(lì)，得到穩(wěn)定持續(xù)的等離子體射流。

1 非線性傳輸線及孤子波理論

非線性傳輸線（NLTLs）是一種在傳輸線上連續(xù) 或者周期得加載非線性元素的結(jié)構(gòu)。它有兩類實(shí)現(xiàn) 方式：一類是基于非線性電感，另一類是基于非線 性電容。圖1為基于非線性電容的非線性傳輸線 （NLTLs）等效電路，其中電容C（V）為隨電壓變化的 非線性電容，電感L為線性電感。

當(dāng)脈沖信號輸入非線性傳輸線，由于非線性電 容值隨著電容兩端的電壓增高而變小，上升沿各點(diǎn) 在通過非線性傳輸線時(shí)由于電平不同而導(dǎo)致非線性 電容值不同，傳輸速度產(chǎn)生差異，高電平狀態(tài)點(diǎn)傳 輸速度快，通過傳輸線的傳輸延時(shí)短，低電平點(diǎn)傳 輸速度慢，傳輸延時(shí)長，因此縮短了高、低電平之 間的時(shí)間間距（上升沿），如圖2所示。

脈沖壓縮時(shí)間可以用以下公式近似計(jì)算： （1） 其中tri是輸入脈沖上升時(shí)間，tro是輸出脈沖上 升時(shí)間，n是非線性傳輸線階數(shù)。 非線性傳輸線上傳輸?shù)牟?，不再是傳統(tǒng)意義的 波，而是孤子波。 對圖1所示的非線性傳輸線LC等效電路應(yīng)用基 爾霍夫電壓定律和電流定律，可以得到第n階傳輸線 上的電壓方程為：

式中：Vn（t）是第n級電容上的電壓；Vmax是第n 級傳輸線電壓的峰值；TD是孤子波在每一級非線性 傳輸線上的傳輸延遲；TFWHM是孤子波在半幅度處的 脈沖寬度（或者稱為傳輸線的固有脈沖寬度）；fB 是布拉格截止頻率：

當(dāng)輸入信號的半幅度脈沖寬度大于傳輸線的固 有脈沖寬度，輸入信號將被分解了若干個(gè)不同幅度 和傳輸速率的孤子波，且至少有一個(gè)孤子波具有比 輸入信號更大的幅度和更短的脈沖寬度，如圖3所示。 并且我們可以得到分解成的孤子波個(gè)數(shù)約為：

2 孤子波脈沖壓縮設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

非線性電容采用Murata的GR442QR73 D101KW01，其C-V曲線如下圖所示，在仿真中采 用公式（7）對非線性電容參數(shù)進(jìn)行擬合，其中： C0=623pF，a=2.137，b=6.072?10-3。

仿真電路如圖1所示，電感采用空心電感， L=1uH，輸入脈沖頻率為400kHz，幅度為3000V， 脈沖寬度為200ns，采用50階非線性傳輸線，輸入阻抗 Rgen和輸出阻抗Rload都是50Ω。仿真及實(shí)測的輸入、 輸出波形如圖5、圖6所示。

從圖6中看出，輸出脈沖幅值為5380V，半脈沖 寬度16ns，波形良好，與仿真結(jié)果相符，證明了非 線性傳輸線良好的脈沖壓縮效果。

采用非線性傳輸輸出的的脈沖激勵(lì)常溫大氣 （）等離子體，得到均勻穩(wěn)定的等離子體射流，如 題7所示。

3 結(jié)論

本文通過對NLTL傳輸線及孤子波理論的研究， 設(shè)計(jì)了一款適用于高壓高重頻脈沖源的脈沖壓縮電 路，在3000V峰值、200ns脈寬的脈沖輸入下得到 5380V峰值、16ns脈寬的脈沖輸出，并實(shí)際應(yīng)用于 大氣常溫等離子體的激勵(lì)，得到穩(wěn)定均勻的等離子 體射流，可廣泛應(yīng)用于材料表面改性、醫(yī)療設(shè)備殺 毒消菌、表面清洗等場所。

審核編輯：黃飛