基于电阻分压器的纳秒高压脉冲测量系统研究

摘要

纳秒级高电压脉冲是极快的变化过程，被测脉冲前沿快、上升时间为亚纳秒到十纳秒范围；被脉冲幅值高，通常为几十千伏到兆伏级：快脉冲下的电磁干扰很严重，因此对测量系统提出了苛刻的要求。在由电阻分压器和存储示波器组成的测量系统中，分压器和测量系统内部各组成部分间的阻抗匹配与否，对测量结果影响很大。本文通过仿真进行优化设计，进一步探讨影响电阻分压器性能的因素，探索改善分压器性能的有效途径，为高性能纳秒脉冲电压测量分压器提供指导，同时试验设计出能够满足纳秒级高压脉冲测量要求的小型分压器.主要研究内容如下： 1.讨论了测量系统的动态性能要求，分析了测量系统中电阻分压器的动态响应性能。分析了电阻分压器脉冲测量系统的性能影响因素，包括系统的阻抗匹配、高压引线、输出电缆、数字存储示波器等.阻抗不匹配对测量系统影响很大，阻抗不匹配可能引起反射、振荡及初始分压比与稳态分压比的差异。介绍了阻抗匹配基本原理及常见的阻抗匹配方法。 2.对几种常用仿真软件进行分析比较后，选用基于矩量法的高频电磁场仿真软件FEKO对电阻分压器结构进行仿真设计。 3.通过仿真分析得出：为了在分压器输出端得到理想的电磁脉冲波形，减小电磁波的反射，分压器结构设计至关重要。通过对不同结构仿真分析得出：分压器前过渡段主要对输出端电压波形上升沿产生影响，使脉冲上升时间延长；后过渡段主要对电压波形衰落部分产生影响，使电压波形产生畸变。并用HFSS软件辅助优化设计电阻分压器总体尺寸，分析表明：分压器采用两头窄、中间宽的锥形过渡，在总长为200mm情况下，中间圆柱段直径为75mm，前过渡段锥角α=18°，后过渡段锥角β=24°时，其测量驻波比小于1.2.仿真结果为电阻分压器样机制作奠定了理论基础。 4、根据仿真计算结果，制作了分压器样机，并用于实际测量其分压比特性、时域阻抗特性和频域驻波比特性。试验表明：分压器分压比误差小，传输性能好，能够满足高压纳秒脉冲测量的实际需要。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 目的及意义

1.2国内外研究动态

1.2.1 常用纳秒脉冲电压测量方法

1.2.2电阻分压器研究现状

1.3本文的主要研究内容及结构安排

第2章 电阻分压器脉冲测量系统性能分析

2.1 测量系统的动态性能要求

2.1.1测量系统的构成

2.1.2测量系统的动态响应要求

2.2 电阻分压器的性能分析

2.3测量系统的影响因素仿真分析

2.3.1阻抗匹配

2.3.2测量电缆对测量的影响

2.3.3数字储存示波器

2.4阻抗匹配原理与分析

2.4.1匹配

2.4.2传输线阻抗匹配分析

2.4.3阻抗匹配方法介绍

第3章 电阻分压器仿真模型的建立

3.1几种常见的电磁仿真计算方法

3.1.1有限元法(FEM)

3.1.2时域有限差分法时域有限差分方法(FDTD)

3.1.3 电磁场矩量法(MoM)简介

3.2高频电磁场仿真软件FEKO简介

3.3仿真模型的建立

3.3.1电阻分压器实体模型

3.3.2激励源类型的选择

3.4电阻分压器网格模型

3.4.1网格划分的原则

3.4.2网格划分的注意事项

3.4.3电阻分压器网格划分

第4章 电阻分压器结构设计及优化

4.1对电阻分压器结构的研究

4.1.1理论分析

4.1.2电阻分压器仿真计算

4.1.3分压器形状对电压端波形的影响

4.1.4对过渡段结构的研究

4.2过渡段锥角设计

4.2.1前过渡段锥角设计

4.2.2后过渡段锥角设计

4.3用HFSS对分压器总体尺寸进行优化

4.3.1 HFSS软件介绍

4.3.2用HFSS对分压器尺寸进行优化

第5章样机制作与试验

5.1样机制作

5.1.1电阻的选择

5.1.2分压比确定

5.2性能测试

5.2.1分压器的校准

5.2.2频域电压驻波比测试

5.2.3时域特性阻抗测试分析

第6章结论与展望

6.1 结论

6.2研究中的不足与展望

参考文献

硕士就读期间发表的论文

致谢