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(jí)，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(hào)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(jí)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(hào)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ǎ辉偈莻鹘y(tǒng)意義的 波，而是孤子波。 對(duì)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(jí)電容上的電壓；Vmax是第n 級(jí)傳輸線電壓的峰值；TD是孤子波在每一級(jí)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(hào)的半幅度脈沖寬度大于傳輸線的固 有脈沖寬度，輸入信號(hào)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(hào)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(duì)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(cè)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(duì)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