电磁脉冲测量用电阻分压器的设计.doc

毕业论文(设计) 题 目 电磁脉冲测量用电阻分压器的设计 学生姓名 学 号 院 系 专 业 指导教师 X年 X 月 X 日目 录引言11 电磁脉冲测量技术简介11.1 常用测量方法11.1.1 测量球隙法11.1.2 分压器与数字存储示波器21.1.3 D/I与示波器法21.1.4 光电测量系统31.2 国内外研究现状32 基于电阻分压器的电磁脉冲测量系统的性能分析42.1 测量系统的动态性能要求42.1.1 测量系统的构成42.1.2 测量系统的动态响应要求52.2 电阻分压器的性能影响因素分析62.3 测量系统的影响因素仿真分析82.3.1 阻抗匹配82.3.2 测量电缆对测量的影响112.4 脉冲电阻分压器的补偿方法142.4.1 电感补偿142.4.2 供给式补偿152.4.3 收集式补偿162.4.4 综合补偿183 脉冲电阻分压器的设计193.1 电阻分压器原理及分析193.2 电阻分压器的设计203.2.1 电阻分压器中参数的选取以及分压比的计算203.2.2 电阻分压器的结构优化213.2.3 电阻分压器的阶跃响应及其仿真224 电阻分压器性能试验255 结束语27ABSTRACT29电磁脉冲测量用电阻分压器的设计摘要：介绍了电磁脉冲测量的基本方法，理论和仿真分析了电阻分压器及测量系统的性能影响因素，包括对地分布电容、固有电感、阻抗匹配、测量电缆等。分析了分压器性能补偿的4种方法，包括电感补偿、供给式补偿、收集式补偿和综合补偿。设计了一种测量高压脉冲的电阻分压器，分压比为4982，并选用综合补偿对其进行结构优化。对设计的分压器进行试验分析。关键词：电磁脉冲测量；分压器；性能分析；补偿引言在受控核聚变、强流电子加速、高功率微波和自由电子激光等高科技领域中, 脉冲高电压的测量存在诸多的难点。其一般测量方法有：测量球隙法、微分积分环节与存储示波器组成的测量系统、光电测量系统、分压器与数字存储示波器组成的测量系统。测量球隙法只能测量电压峰值，并不能测量电压波形，而且容易受温度、湿度、大气压力的影响，而且准确率较低，故目前很少用。微分积分环节与存储示波器组成的测量系统对微分环节的电阻无感要求很高，对积分器的要求也很高。光电测量系统的稳定性较差。分压器与数字存储示波器组成的测量系统中的脉冲分压器分为电阻型、电容型和阻容型3种，其中电阻分压器内部电阻理论上是纯电阻，结构简单，使用方便，被广泛使用。分压器的性能好坏直接影响系统整体性能的好坏，因此，研究电阻分压器的性能改善以及对测量的影响具有重要的现实意义。1 电磁脉冲测量技术简介1.1 常用测量方法一般测量方法有：测量球隙法、分压器与数字存储示波器组成的测量系统、微分积分环节与存储示波器组成的测量系统、光电测量系统。1.1.1 测量球隙法测量球隙法自20世纪初已经开始研究和应用。测量原理是利用球间隙放电来测量高电压。测量装置主要包括两个相同直径的金属球极及球杆、操作机构、绝缘支持物以及连接到被测电压处的引线。测量球隙是一对直径相同的金属球，金属球一般用紫铜或黄铜制造，球面要光滑，曲率要均匀。两个球极之间的距离成为球隙(S)，两个球极相距最近的点称为放电点。当球隙发生放电时，不一定正好发生在球极放电处，而可能发生在放电点附近的地方，这块地方叫做放电点区域。在这个区域内，特别要求精密加工，表面光洁，对表面不规则度提出严格要求。在一定的大气状况下,两球间隙有一比较固定的放电电压。由此可用来测量一个未知高电压的峰值。GB311.6-83等标准规定了球隙的放电电压及试验标准所推荐的球隙放电电压表的数值，这些数值是事先经过许多国家用实验方法获得的。若测量时的空气状态不同于标准状态，需要根据当时的气压气温加以校正1。测量球的直径从2厘米到2米甚至3米,可测峰值电压范围从2千伏到高于2000千伏。球隙的布置有垂直和水平两种。图1-1所示为垂直布置的状况。GB311.6-83对各种尺寸，如图中的A、B距离及球的表面状态，使用方法等，都有具体技术规定。S/D0.5条件下，测量交流电压及冲击电压的误差为3；测量直流高压时,由于灰尘、纤维等杂质影响特别严重，测量误差较大，S/D0.5时，误差为5。 测量球隙可用于交流电压、正负极性的标准雷电全波冲击电压、长波尾冲击电压及直流电压等高电压的测量。近年来，各国研究采用棒间隙来测量直流高压，它可减小放电分散性和测量误差。 测量球隙法只能测量电压峰值，并不能测量电压波形，并且容易受温度、湿度、大气压力的影响，并且准确率较低，故目前很少用。1- 绝缘支撑；2-球杆；3-示出最大尺寸的操作机构；4-具有串联电阻的高压连接线；5-示出最大尺寸2- 的均压器；P-高压球的放电点；A-在地平面上的P点的高度；B-没有其他物件的空间半径；X-具有3- 串联电阻的高压连接线，从P点算起不应穿过距离B内的平面图1-1 测量球隙图1.1.2 分压器与数字存储示波器电压峰值不很高的脉冲电压（几千伏至50千伏），可以通过商品高电压探头或衰减器及通用的数字储存示波器直接进行测量。但当被测脉冲电压峰值很高时，则必须要通过分压器等的转换装置及其他多个部件组成的冲击高压分压系统进行峰值及波形的测量。在20世纪80年代末期，发达国家已大量采用通用的数字存储示波器（或数字记录仪）取代传统的高压示波器和峰值电压表。现在我国也大多采用了数字存储示波器，传统的仪器也趋于淘汰。由于这些仪器是通用性的，电磁兼容特性较弱，除了必须远离高压试区外，还应把它放置在屏蔽室或屏蔽箱中使用，而且要采取其他严密的防干扰及反击措施，否则有可能在放电试验时，把弱电的元件打坏。为了消除记录仪器与高压试区间的强电场和电磁干扰及安全事故，须采取几十米长的射频同轴电缆，从分压器下端把电压信号引至记录仪器。同轴电缆的外层屏蔽层良好接地，可以屏蔽静电场，防止静电场对内导体的作用。1.1.3 D/I与示波器法随着数字化的不断发展，20世纪80年代初，微分积分测量系统（简称D/I系统）开始兴起，该系统的优点是：对高压源的负荷效应极小，具有足够高的响应特性。缺点是：当微分环节的电容值很小时，往往静态分压比的测量误差较大；对微分环节的电阻的无感要求很高；当被测脉冲上升沿很陡时，微分环节的电阻上会出现极高的尖峰脉冲电压。对积分器的要求高，对微分部分的电阻的无感要求也比一般电阻分压器的高得多。1.1.4 光电测量系统光电测量系统是一种利用各种电光效应或光通信方式进行测量的系统。在高电压技术颂域内，可用它进行高电压、大电流、电场强度以及其他参量的测量。在此系统中，利用光纤传输线路良好的绝缘性能，可把高电压设备、试品与高灵敏度的测量仪器（如数字存储示波器）及什算机隔离开来。除了可以提高测量仪器及工作人员的安全性外，还可减弱射频干扰和杂散寄生信号对测量回路的影晌。但与传统的高压分压器或分流器为主的测量系统相比，光电测量系统的稳定性较差。光电测量系统常有四种调制方式：幅度、光强度调制（AM、IM）；调频、光强度调制（FMI）；数字脉冲调制；利用电光效应的外调制。20世纪70年代初，在日本已研制成一种光电式分压器。它的电光变换器采用发光二极管LED直接把电信号转换为光信号。 FMI调制方式是利用压控振荡器的输出频率随调制信号的大小发生线性变化的原理来传递信息。频率调制比幅度调制具有更高的抗干扰能力。它可以克服光源非线性和温度变化所造成的不利影响2。数字脉冲调制是采用脉冲电码的一种调制方式。通过电码传送模拟信号各个采样的量化值。利用电光效应调制光波的方式测量高电压这种调制方式应用得较多的一种电光效应是泡克尔效应。有一些晶体物质如钥酸钾、硅酸钒BSO及水晶等具有泡克尔效应。在对这些晶体的y方向施加电场的条件下，当它的z方向的另一个端面射进圆偏振光时，在元件内互相垂直的偏振光方向上发生了折射率差，其结果使偏振光之间的相位差发生变化，由于干涉，输出的光强与施加的电压呈一定函数关系。根据电光效应的原理，可制成电光调制器，用它来测量电场强度或电压来传递信息的。其中常用方法是分压器与数字存储示波器为主要组件的测量系统、微积分环节与数字存储示波器为主要组件的测量系统及光电测量系统等。在分压器和存储示波器组成的测量系统中，分压器作为一转换装置，和测量系统的高压引线、输出电缆、示波器等各部件的阻抗失配，可能引起反射、振荡及初始分压比和稳态分压比产生差异。对测量系统影响严重。因此有关分压器的研究也成了当今研究的热点。应用已有的理论和技术研制纳秒级高压脉冲测量电阻分压器，有针对性的分析分压器的性能影响因素，探索提高电阻分压器性能的可能途径，研究相关的脉冲测量技术，并进行适当的应用研究，不仅是纳秒脉冲测量技术的要求，而且是电磁武器技术发展的需要，更有利于促进相关技术的发展。研制过程中，相应的仿真数据、实验结论和论文资料对以后分压器的设计制造也具有非常重要的意义。1.2 国内外研究现状纳秒级高电压脉冲是极快速的变化过程，其测量存在着诸多值得研究和重视的问题。其一，被测脉冲前沿快。通常要求纳秒级高电压脉冲测量系统的上升时间为亚纳秒到十纳秒范围。对于这样的上升时间要求，即使测量系统中存在很微小的杂散参数或不连续性，都可能对测量结果产生显著的影响。其二，被测脉冲幅值高。电压幅值通常从几十千伏到兆伏级。因此被测电压在测量系统中的衰减倍数为104量级，分压器的衰减倍数一般应达103量级，这样的衰减倍数一级分压器较难做到，二级分压器的响应可能也不理想，设计难度较大。其三，快脉冲情况下的电磁干扰严重。由于脉冲前沿快，相应的短波长成分能量大，空间电磁干扰强。其四，测量系统内部各组成部分间的阻抗匹配与否，对测量结果的影响突出。测量脉冲高电压的常用方法是分压器与数字存储示波器为主要组件的测量系统、微积分环节与数字存储示波器为主要组件的测量系统及光电测量系统等。电压峰值不很高的脉冲电压（几千伏至50千伏），可以通过商品高电压探头或衰减器及通用的数字储存示波器直接进行测量。但当被测脉冲电压峰值很高时，则必须要通过分压器等的转换装置及其他多个部件组成的冲击高压分压系统进行峰值及波形的测量。脉冲分压器可分为电阻分压器、电容分压器和阻容串联分压器。电阻分压器结构简单，测量精度较高，长期稳定性较好。但为追求高响应性能，它的阻值不能太高，一般不能大于10k，因而为防止过热，被测峰值电压不能高于2MV。电阻分压器测量瞬态脉冲电压时所产生的误差，与阻值和对地杂散电容的乘积相关，所以应尽量减小对地杂散电容的大小及影响。通常除尽量减小分压器的尺寸外，还可以采取供给式或收集式分布电容补偿及电感补偿等技术改善分压器的响应性能。电容分压器不消耗能量，没有发热的麻烦，对测量波前和半峰值时间较长的脉冲波，其比电阻分压器较为有利。由于存在回路杂散振荡问题，对测量陡波脉冲而言，其额定电压也不能太高。又当存在高压引线时，其响应特性不如电阻分压器好。为了阻尼电容分压器回路的振荡，发展了阻容串联分压器，其性能与补偿度和阻尼度有关。微积分测量系统（简称D/I 系统），是20 世纪80年代初，因数字化测量的发展而开始兴起的。D/I 系统的优点是：对高压源的负荷效应极小，具有足够高的响应特性。其缺点是对积分器的要求高，对微分部分的电阻的无感要求也比一般电阻分压器的高得多。光电测量系统是利用各种电光效应或光通信方式进行测量的系统。其中利用光纤传输线路良好的绝缘性能，可将高压设备与高灵敏度的测量仪器及计算机隔离开，可减弱射频干扰和杂散寄生信号对测量回路的影响。但与传统的高压分压器或分流器为主的测量系统相比，光电测量系统的稳定性较差。对于普遍使用的分压器，目前国内外正致力于改善其性能，以达到更好的测量效果。2 基于电阻分压器的电磁脉冲测量系统的性能分析2.1 测量系统的动态性能要求2.1.1 测量系统的构成在分压器与存储示波器组成的测量系统中，分压器为一关键部件，作为转换装置将高电压脉冲转换成数字转换器所能处理的低电压脉冲，分压器分压性能的好坏直接影响测试系统的整体性能。随着高电压技术的发展，国内外对高压分压器的研究已经有了很长的历史，根据测量原理和电路结构分，分压器大概分为三种：电阻分压器、电容分压器、阻容分压器。 电阻分压器,分压器的高压臂和低压臂均由电阻器构成。电阻分压器工作在直流或低频段时，近似认为分布电容对分压器的分压比没有影响，所以广泛应用于低频高压测量中。电阻分压器结构简单，测量精度较高，长期稳定性较好。但为追求高响应性能，它的阻值不能太高，一般不能大于10k，因而为防止过热，被测峰值电压不能高于2MV。电阻分压器测量瞬态脉冲电压时所产生的误差，与阻值和对地杂散电容的乘积相关，所以应尽量减小对地杂散电容的大小及影响。通常除尽量减小分压器的尺寸外，还可以采取供给式或收集式分布电容补偿及电感补偿等技术改善分压器的响应性能。电容分压器,分压器的高压臂和低压臂均采用电容,利用分压电容与采样电容在交流信号下的容抗来分压的，因而电容分压器适用于对交流信号进行分压，且其高频性能较低频性能好。电容分压器不消耗能量，没有发热的麻烦，对测量波前和半峰值时间较长的脉冲波，其比电阻分压器较为有利。由于存在回路杂散振荡问题，对测量陡波脉冲而言，其额定电压也不能太高。又当存在高压引线时，其响应特性不如电阻分压器好。 阻容分压器,高低压臂的测量元件由电阻器和电容器构成,属于阻容混合式,利用RC串联网络来分压，具有电阻分压器低频特性好的优点又具有电容分压器测量电压高、高频性能好的优点，缺点是高频低电容网络调试复杂。为了阻尼电容分压器回路的振荡，发展了阻容串联分压器，其性能与补偿度和阻尼度有关的35。现代数字式高压脉冲测量系统一般由高压分压器、低压分压器（衰减器）、数字转换器及软件（数字示波器）组成。分压器作为转换装置是其中的主要组成部分之一。其作用是将高电压脉冲转换成数字转换器所能处理的低电压脉冲，分压性能的好坏直接影响测试系统的整体性能。脉冲分压器可分为电阻分压器、电容分压器和阻容分压器。当被测量系统的脉冲峰值电压不太高，且被测量系统的负载较小时，电阻分压器能准确测量冲击电压,在实际应用中，一般优先考虑电阻分压器6-7。图2-1为使用二级电阻分压器的测量系统的典型接线图。 R1、R2分压器高压级的高压臂和低压臂；R3、R4分压器低压级的高压臂和低压臂；R示波器输入电阻；Z同轴电缆的特性阻抗图2-1 测量系统为了避免高压试验区的电磁场和静电场对测量仪器（通常为示波器）的影响和安全起见，测量仪器和分压器要隔离一段距离。通常是用射频同轴电缆把分压器和示波器连接起来，为了减少耦合阻抗值及提高抗干扰性能，可以采用双屏蔽层的同轴电缆8。同时，对示波器应进行必要的屏蔽隔离（如屏蔽室、屏蔽柜等）。2.1.2 测量系统的动态响应要求待测信号为式（2.1）所示的双指数脉冲时，可通过傅立叶正变换求其频谱密度函数 （2.1）由此可得幅度频谱函数 （2.2）当k=1.3,A=1,4×107 s-1,6×108 s1时，脉冲峰值为1，前沿上升时间tr（1090）为2.5ns，带宽BW0.35/tr=140MHz。根据式（2.2）计算得该脉冲的幅度频谱如图2-2。由图可见，频宽与计算吻合，则测量该脉冲的测量系统的频响上限应不低于200MHz。为了使测量系统的上升时间基本不在测量波形上表现出来，测量系统的上升时间不应超过被测波形上升时间的1/3，因此，测量系统的上升时间应不大于0.83ns。图2-2 幅度频谱2.2 电阻分压器的性能影响因素分析为了能测得真实的波形和准确的波峰值，要求分压器准确，而且是个常数，不随高低和等效（波形）等因子的影响，这样的分压器叫做理想分压器。实际上分压器多少是畸变的，只能力争做倒畸变小一点，误差在允许的范围之内。一个冲击测量系统不仅是分压器本体，还包括分压器和冲击电压发生器的高压引线、分压器和示波器间的测量电缆，每个组成部分都能引起误差。 电阻分压器测量冲击电压时所产生的误差，与阻值R和对地杂散电容C的乘积相关。阻值最小约为2K。若再减小，一方面对发生器产生冲击波会有影响，另一方面，因难以阻尼残余电感与杂散电容之间的振荡，所产生的阶跃响应会产生较高的过冲，由此也会造成测量误差。一般电阻R的典型值为10 K。所以减少测量误差主要是着眼于减少对地杂散电容的大小及影响。为了减少对地杂散电容对分压器响应特性的影响，可以采取以下措施：（1）在保证绝缘强度前提下尽量减少分压器的尺寸；（2）在不过分增加冲击电压发生器负荷的前提下，选用较低的分压器阻值；（3）在分压器的高压端采用屏蔽电极，增大分压器对高压电极的电容，以补偿对地杂散电容的影响。把电阻分压器看成由分布参数组成，把它分成若干个小段，整个分压器由这许多个小段级联而成。电路模型如图2-3所示。图中r为单位长度的电阻，C ''为电阻体单位长度对地电容，C '为单位长度纵向电容， L'为单位长度残余电感。图2-3 电阻分压器的分布参数电路设分压器电阻总长为l，暂不考虑分压器电阻体的残余电感，当输入ui是幅值为A的阶跃脉冲时，求任意位置x处的电压u（t），由电路可得：将以上各式进行拉普拉斯变换得 （2.3）由方程组（2.3）可得 （2.4） （2.5）式中，Rr l 电阻分压器全长总电阻；CC"l 电阻分压器全长总对地电容；YC"l 电阻分压器全长纵向电容。解式（2.4）得 利用边界条件：x = 0， U(s) = 0；x = l，U(s) = A/s,得 （2.6）利用分解定理得 （2.7）式中 （2.8）通常电阻分压器的纵向电容比对地电容小得多，可以略去不计，故 （2.9） 由式（2.9）可以看出，当t时，u（t）稳定为Ax/l。设低压臂在X处输出，则稳态分压比Nl / X，通常X/l，所以 （2.10） （2.11）当t0时，u(t)= 0，又由于随着k和t的增长，e指数项衰减得很快，所以k只要取值到一个不过大的自然数n，即可满足工程运算的要求，因此便可认为sin(k/N)k/N，于是分压器的归一化阶跃响应为 （2.12）式中，根据阶跃响应时间的定义有 （2.13）由式（2.12）和（2.13）可见，分压器阶跃响应误差与相关，即与阻值R和对地杂散电容C的乘积相关，越大则误差越大，响应时间越长。输入电压为下式所示的双指数脉冲时， （2.14）计算可得输出电压的N倍为 （2.15）因为N > 1，所以 （2.16） 结合式（2.16），由（2.15）式可见，当0时，即对地杂散电容C为零，输出波形没有畸变和峰值误差；当较大时，即RC乘积较大，造成的误差也较大。2.3 测量系统的影响因素仿真分析2.3.1 阻抗匹配纳秒脉冲测量中，测量系统的阻抗匹配问题显得非常突出，包括分压器高压引线输入端与被测信号源的匹配（源端匹配），分压器输出端与传输电缆的匹配（始端匹配），传输电缆与示波器输入端的匹配（终端匹配）等。若是解决得不好，将严重影响测量的准确性9。1）分压比与匹配由于同轴电缆对于波过程而言，相当于一个波阻抗，对于稳态而言，相当于一个集中电容，所以，该系统如果阻抗不匹配有可能造成分压比变化。 当电缆始端和终端都匹配（R4 =Z，R=Z）时，其加压之初的初始分压比与加压时间超过波在电缆中来回一次的时间之后的稳态分压比分别为 (2.17) (2.18)可见分压比是相同的。当电缆始端匹配而终端开路（R=，如接示波器的1M档）时 (2.19) (2.20)可见两者是不相等的。这在脉冲测量中必须引起重视。2）反射与匹配由于纳秒脉冲往往包含丰富的高频分量，以上升时间（幅值的1090）为2.5ns、下降时间（幅值的9010）为55ns的双指数脉冲为例，其能流96集中在100kHz100MHz频率范围内。根据传输线理论，传输线上任意位置的电压与电流都是入射波（Ui，Ii）与反射波(Ur，Ir)的叠加，该位置的电压反射系数为 （2.21） 由图2.4可得电缆始端反射系数始和终端反射系数终分别为 （2.22） （2.23）可见，当阻抗匹配（R4=Z，R=Z）时，反射系数等于零；而不匹配时，则存在反射。当只有一端不匹配时，由于另一端电阻的完全吸收作用，因而在测量的输出波形中无反射波；只有当两端都不匹配时，波会在传输线中来回反射，因而影响测量结果。3）匹配与振荡为了避免分压器和脉冲发生器之间的电场的相互影响，分压器和脉冲源之间要隔开一段距离，即分压器和脉冲源之间连接有一定长度的高压引线。由于在高频下，引线不能看成理想的短路线，而是具有一定特性阻抗Z0的传输线。如果不采取匹配措施，将激起振荡。由于分压器的阻抗很大，引线的终端几乎无法匹配，所以，引线的始端必须匹配。如果引线始端不匹配，则引线将成为类似于1/4波长终端开路的传输线谐振器，当输入的是阶跃电压波时，实际测量到的是阶跃波叠加衰减振荡波。纳秒脉冲测量，若忽略脉冲源内阻，则只要在引线的始端串联阻值与引线波阻抗相等的电阻即可。对于未屏蔽的引线，一般阻值取为300400与空气的波抗相匹配。由前面的分析可知，电阻分压器组成的纳秒脉冲测量系统内的阻抗不匹配，不仅可能导致初始和稳定分压比的差异，而且可能引起测量结果中叠加有反射波；高压引线始端的阻抗不匹配引起的振荡也会造成波形畸变。4）阻抗匹配方法介绍匹配的实施通常是用匹配网络予以实现的。若以匹配网络的结构特征来区分，则可分为集总参数网络、分布参数网络、集总参数网络和分布参数网络结合的匹配网络三种。 天线系统中常采用集总参数匹配网络，主要是无源的、由电抗元件(L, C)组成的T形、形、形网络等。其主要优点是体积小、设计灵活、使用方便等。但由于分布参数的缘故，其工作频率一般不超过100MHz。分布参数匹配网络，主要是利用传输线阻抗分布特性，把阻抗从一个数值变换到另一个数值，来完成阻抗匹配作用的。广泛使用的有三种型式：支节匹配器、阶梯阻抗变换器和渐变线阻抗变换器等。其主要优点是结构简单，变换效率高，但由于其以波长计结构尺寸较大(例如四分之一波长左右)，故一般适用于300MHz以下的频段。（1）支节匹配器为了匹配各种不同的负载阻抗，常在沿线的恰当位置并联合适的电纳（称为分支阻抗调配器），用并联电纳引起的反射来抵消传输线因负载阻抗不匹配而引起的反射，最终实现阻抗匹配。主要有单分支阻抗调配器、。双分支阻抗调配器、三分支阻抗调配器和波导四螺钉阻抗调配器。下面以单分支阻抗调配器为例，说明其调配原理图2-4 单分支阻抗调配器阻抗调配原理图调配原理如图：由于有并联分支，所以应该用导纳回图分析及求解。因终端短路线只能提供电纳，所以要求未并接分支线时离终端为d处向负载方向的归一化导纳必须落在归一化电导的圆（称为匹配圆）上，此要求可由调节d来实现，然后调节终端短路线的长度,使其提供的电纳恰好抵消了的虚部，至此即可于并接分支左侧实现匹配。（2）阶梯阻抗变换器当负载阻抗与传输线的特性阻抗不相等，或是连接两段特性阻抗不同的传输线时，可以在其间接人一阻抗变换器，以获得良好的匹配。常用的变换器有两类：一类为由四分之一波长传输线段组成的阶梯阻抗变换器。图2-5 几种常见的单节阻抗变换器阶梯阻抗变换器分为单节阻抗变化器和多节阻抗匹配变化器。如图2-5所示：（a）为同轴型；（b）为微带型；（c）为波导型。它们均属窄带阻抗变换器，欲在较宽频带内实现匹配，必须采用多节阶梯阻抗变换器。（3）渐变线阻抗变换器当特性阻抗不同的两段传输线连接时，除采用多节阶梯阻抗变换器实现匹配外，还可以用渐变的过渡段（其特性阻抗按一定规律平滑地由一条传输线的特性阻抗过渡到另一条传输线的特性阻抗）实现匹配，称这类阻抗变换器为渐变线阻抗变换器。渐变线阻抗变换器相比阶梯阻抗变换器的优势是，既可增宽频带又不致使变换器尺寸过大。渐变线的工作频带没有上限。图2-6多节阶梯变换器过渡到渐近线根据渐变线特性阻抗随z的变化规律不同，有多种类型的渐变线，例如指数式、三角函数式及切比雪夫式等。本文结合分压器组成的测量系统特点，选择渐变式特性阻抗匹配方法作为分压器结构设计的理论基础。2.3.2 测量电缆对测量的影响为了避免分压器和脉冲发生器之间的电场的相互影响，分压器和发生器之间要隔开一段距离，或采取无反射屏蔽连接结构。在测量很高冲击电压时，分压器和发生回路的高压引线往往是较长的。同样，为了避免高压试验区对测量仪器的电磁场和静电场的影响，测量仪器和分压器要隔离一段距离。通常是用射频同轴电缆把分压器和示波器连接起来。引线和电缆实际存在的分布参数对测量的影响，有时是不容忽略的。1）高压引线对测量的影响把引线看成是分布参数网络，而作为终端系统的分压器也应看成是另一个分布参数网络。实际计算时可把每个分布参数网络以有限段段落来代表，即可较准确地模拟无限单元网络的情况并获得足够准确的计算结果。可应用的方法之一是贝杰龙（Bergeron）法10。为简化分析，将较长的引线分布电感看成是一个集中电感L的效应，引线的分布电容及终端分压器的分布电容看成是一个集中电容C的效应，忽略分压器的分布电感效应，可由图2-7等效电路来分析脉冲源输出电压与电阻分压器顶端电压之间的关系。 图2-7 电阻分压器带引线时的简化电路 如果输入u1为单位阶跃电压波，不考虑导线的电阻效应则分压器顶端的电压u2为 (2.24)式中 ；因为分压器的阻值为2 k20 k.，一般，所以电路处于振荡状态。也就是说输入的是阶跃电压波，但出现在分压器顶端的是阶跃波叠加衰减振荡波11。分压器的入口电容C越小，则振荡频率越高，衰减越快，畸变越小；反之则畸变大。若要防止振荡，必须在高压引线中串联阻尼电阻r，如图2-7虚线所示。此时同样求得 (2.25)式中 ；阻尼条件为 即 (2.26)增大r虽能抑制振荡，但也会增大测量系统的响应时间，有可能会增大测量误差12。把引线与分压器看成是相互级联的两个环节。引线环节的T1与分压器本身的响应时间T2迭加即为两个环节的总响应时间T。引线环节中 (2.27)电阻增大了响应时间，而且r越大，响应时间越大。国家标准规定阶跃响应时间T（标准中是实验响应时间TN）仅是特性指标之一，标准以部分响应时间及过冲作为测量误差的判据。因此适当加入r ，可以降低过冲，有可能会带来一定的好处。但r过大，会增大测量的误差13。实际应用中有两种处理方式，其一是两组件系统，即将阻尼电阻与分压器本体结合在一起作为一个组件，引线作为另一个组件；其二是三组件系统，即将阻尼电阻放在引线的首端，引线和分压器各为一个独立的组件。阶跃响应试验表明，三组件系统的响应特性较好，快速冲击脉冲测量时，通常采用该处理方式。2）同轴电缆的影响射频同轴电缆的外层是金属编织线制成的屏蔽外套层及塑料保护外皮层。最中央是单根或多根铜导线。其间的绝缘介质多数采用稍带柔性的中性介质聚乙烯14，它的tan值极小。波阻抗大多是50或是75，有时也采用半空气半聚乙烯的绝缘介质，此种电缆的波阻抗较高，可达150或更高。 图2-8 同轴电缆等效电路把同轴电缆看成分布参数线路，它的等效电路如图2-8。R0是电缆导体包括外皮的单位长度的电阻；L 0是电缆导体单位长度电感；C 0是电缆中心导体和外屏蔽层间单位长度电容；G 0是电缆中心导体和外皮间单位长度电导。若知道电缆的结构尺寸和所使用的绝缘介质，则L0和C0可由下式求出H/m； pF/m式中，r1及r2分别为内外导体的半径；r为媒质的磁导率，因结构上未采用铁磁材料，故r=1；r为绝缘介质的相对介电常数，对聚乙烯而言，r=2.25。电缆的波阻抗为 (2.28)由于集肤效应的缘故，电缆的电阻与流过电流的频率相关。所以严格地讲，波阻抗与j相关，不过一般同轴电缆的R0 <<L0，G0<<C0，所以波阻抗为 (2.29)波速 (2.30) 衰减常数 (2.31)如在电缆首端的输入电压为ui（t），则波在电缆中流过x距离后的电压为 (2.32)实际上电缆中的损耗不仅使传播的脉冲幅值下降，而且会使陡的冲击波发生变形。在测量极陡的冲击波波前或对高准确分压器进行阶跃响应试验时，要考虑同轴电缆，特别是较细较长的同轴电缆的畸变波形的影响。所以，要减轻电缆所产生的衰减和波形畸变，有时就要注意限制所使用的电缆的长度，还要选择衰减常数小的电缆15。2.4 脉冲电阻分压器的补偿方法若在高压电阻分压器的高压端作用阶跃电压波（图2-9），在施加电压的最初瞬间，由于有对地杂散电容电流的存在，使电阻分压器的电压分布不均匀，大部分电压集中在顶部(b图中to曲线)，在近地的x处电压很低。当该电压波作用时间很长之后，电压分布趋于均匀（b图中t曲线）。从起始分布到最终分布的过程中，在x处所测得电压不是阶跃波，而是指数波16。若减少对地杂散电容或采取补偿措施，则这种情况可以改善。减少对地杂散电容可以在保证绝缘的前提下尽量减少分压器的尺寸。补偿方法有电感补偿、电流供给式电容补偿和电流收集式电容补偿。（a）电流分布 (b)电压分布图2-9 电阻分压器电压分布不均原理图2.4.1 电感补偿图2-10 不同电感值补偿的补偿效果对比仿真图图2-10为R=5050、总对地分布电容C=50pF时，在分压器电阻接地端接入不同补偿电感时的仿真对比。由图可以看出，电感虽然可以有效地提高分压器的影响性能，但电感值必须适当，否则会引起波形显著震荡和过冲。由仿真可知，因分布电感的补偿作用并不明显，且易引起震荡，因此，电阻体仍应选用无感电阻，必要时再加入补偿电感或利用引线电感进行补偿。图2-11 相同电感值不同RC值时的补偿效果仿真图图2-11显示了补偿电感为1000nH时，对不同RC值的分压器的补偿效果的对比。由图可见，补偿电感的量必须与分压器的RC值相应，否则难以达到补偿效果，或引起波形畸变和过冲。2.4.2 供给式补偿如果给分压器本体提供额外的电流补偿，以平衡流失的对地杂散电容电流，使分压器电阻体上电压分布均匀，则可以减少杂散电