论文摘要
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。
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摘要ABSTRACT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1.2.1.1 测量球隙法1.2.1.2 分压器与数字存储示波器法1.2.1.3 D/I与示波器法1.2.1.4 光电测量系统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2.3.1.1 分压比与匹配2.3.1.2 反射与匹配2.3.1.3 匹配与振荡2.3.2 测量电缆对测量的影响2.3.2.1 高压引线对测量的影响2.3.2.2 同轴电缆的影响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2.2.3.1 支节匹配器2.2.3.2 阶梯阻抗变换器2.2.3.3 渐变线阻抗变换器第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）3.1.1.1 区域离散3.1.1.2 插值函数的选择3.1.1.3 方程组的建立3.1.1.4 方程组的求解3.1.2 时域有限差分法时域有限差分方法（FDTD）3.1.2.1 麦克斯韦方程和Yee元胞3.1.2.2 FDTD区域的划分3.1.3 电磁场矩量法（MoM）简介3.1.3.1 将未知量展成由基函数构成的级数3.1.3.2 选取检验函数构成矩阵方程3.1.3.3 解矩阵方程求得未知量3.1.3.4 电磁场矩量法的特点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
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