大型脉冲功率装置中扭曲三平板传输线的传输特性

In huge pulsed power facilities, tri-plate transmission lines are widely used to combine the outputs from many pulsed accelerators to the load. Because the pulsed accelerators are too large to be distributed in one level, twisted tri-plate transmission lines are needed to combine the outputs of pulsed accelerators of different levels together. Although the transmission characteristics of normal tri-plate transmission lines have been investigated in the past, those of twisted tri-plate transmission line are still unknown especially in the field of pulsed power technology where a single pulse is transferred. The twisted tri-plate transmission lines transferring a single pulse will be investigated by analytical analysis and electromagnetic simulation. The investigation will be focused on the transmission characteristics including the one-way transmit time, the peak power transmission efficiency, the change of both the rise time and the waveform of the pulse. The influence of the length, width and twisted angle of the electrodes on the transmission characteristics will be investigated thoroughly. The optimization of multi-level tri-plate transmission lines will also be investigated. All the above mentioned research will be helpful in optimizing the tri-plate transmission lines in huge pulsed power facilities, and helpful in the use of twisted tri-plate transmission lines in future pulsed power facilities.

在大型脉冲功率装置中，三平板传输线是经常采用的一种多路脉冲汇流技术路线。由于初级储能源的分层布置，常需要扭曲三平板传输线实现上下支路的汇流。以往对三平板传输线的研究局限在标准三平板传输线，并未涉及单脉冲输入条件下扭曲三平板传输线的传输特性。本项目拟对单脉冲输入条件下扭曲三平板传输线进行解析分析和电磁场模拟，研究其传输延迟时间、峰值功率传输效率、脉冲上升时间改变、脉冲畸变等传输特性随极板长度、内外极板宽度、扭曲角的变化规律，探索利用多路扭曲三平板传输线实现多个支路脉冲汇流的优化设计方法。这些研究工作将有利于优化大型脉冲功率装置中三平板传输线的设计，为未来大型脉冲功率装置中采用扭曲三平板传输线进行多路脉冲汇流奠定基础，促进脉冲功率技术的发展。

在大型脉冲功率装置中，三平板传输线是经常采用的一种多路脉冲汇流技术路线。由于初级储能源的分层布置，常需要扭曲三平板传输线实现上下支路的汇流。以往对三平板传输线的研究局限在标准三平板传输线，并未涉及单脉冲输入条件下扭曲三平板传输线的传输特性。本项目首先针对三平板传输线开展解析分析研究。通过构造保角变换表达式，将其场域转化为无边缘效应的等宽度平行板传输线截面，并利用该保角变换表达式，解析求出了三平板传输线的单位长度电容、特性阻抗、各位置电场强度幅值等物理量，所得结果与Ansoft数值模拟结果一致。然后分别建立了等宽度和不等宽度扭曲三平板传输线模型，并通过数值模拟，获得了传输线的峰值功率传输效率和传输延迟时间与其几何参数（长度、极板宽度、扭曲角）之间的关系，发现对等宽度扭曲三平板传输线，圆弧过渡段可显著提高峰值功率传输效率，并提高估计传输延迟时间的准确度；对不等宽度扭曲三平板传输线，圆弧过渡段仍可显著提高峰值功率传输效率，但难以通过理论估计其传输延迟时间。最后根据获得的规律，选择等宽度扭曲三平板传输线，以CZ30驱动器的输入和输出阻抗为例，完成了上下两支路汇聚的扭曲三平板传输线的优化设计。