CN114373570B - 一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆 - Google Patents

一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆 Download PDF

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Abstract

为解决传统的柔性同轴电缆卷绕使用时由于脉冲形成过程中两根同轴电缆之间发生电磁耦合效应导致输出的波形发生畸变或衰减的技术问题，本发明实施例提供一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆，包括：内导体层；内绝缘层，套设于内导体层外；中导体层，套设于内绝缘层外；中绝缘层，套设于中导体层外；外导体层，套设于中绝缘层外；以及外绝缘层，套设于外导体层外；其中，内导体层的外径d1、中导体层的内径d2、中导体层的外径d3、外导体层的内径d4，满足：d4/d3＝d2/d1。本发明实施例实现了在脉冲形成过程中即使卷绕使用，其输出波形也不会发生畸变。

Description

一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆
技术领域
本发明涉及一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆。
背景技术
脉冲功率技术在Z箍缩、粒子加速器、高功率微波、高功率激光等军事领域具有重要作用，而且在生物医疗、食品灭菌、污水处理、材料改性等民用技术领域具有优势作用。脉冲功率的实质是将脉冲能量在时间尺度上进行压缩，以获得在极短时间内的高峰值功率输出。在脉冲功率领域，特别是超快脉冲功率技术方面，通常需要借助超快高峰值功率开关，结合脉冲形成线实现脉冲能量的压缩，实现品质优异的方波高压输出。可见，开关和脉冲形成线是决定脉冲功率装置成败的关键。
常见的脉冲形成线主要包括同轴结构脉冲形成线和平板结构脉冲形成线两大类。其中，平板结构脉冲形成线由于电极结构开放，在脉冲形成过程中通常伴随有电磁泄露(辐射损耗)，容易受外界电磁信号干扰；而同轴电缆的电极结构完全封闭，在脉冲形成过程中电磁场被完全封闭在内外导体之间，没有电磁辐射损耗，也不受外界电磁信号干扰。因此，同轴结构脉冲形成线相比于平板结构脉冲形成线产生的波形品质要好，特别是对于对脉冲波形平顶波动和平顶变化有要求的场合，通常采用同轴脉冲形成线产生所需脉冲高压。
通常，同轴结构的脉冲形成线不但包括数百kV至MV量级的采用水介质或油介质的钢筒结构脉冲形成线，也包括数十V至数百kV的采用聚乙烯等绝缘介质的柔性电缆。柔性同轴电缆可以用于脉冲传输(如射频信号电缆)，也可以用于脉冲整形产生方波脉冲(如同轴电缆脉冲形成线)。柔性同轴电缆脉冲形成线可以卷曲缠绕，相对于钢筒结构的同轴脉冲形成线具有灵活便捷、方便使用的优势。其次，钢筒结构的同轴脉冲形成线因对两芯电极的同轴度要求较高，其加工制造成本高昂，对中安装技术要求也高。
同轴结构脉冲形成线和平板结构脉冲形成线两类脉冲形成线均可以采用不同的电连接方式和回路参数设计，实现不同脉冲波形的输出，如采用单脉冲形成线方式，可以在匹配负载上实现1/2充电电压幅值输出，而Blumlein脉冲形成线连接方式，在匹配负载上可以实现与充电电压等幅值输出。相同电压等级下，Blumlein脉冲形成线相对于单脉冲形成线，在匹配负载上不但可以获得更高的能量输出，而且可以回避单脉冲形成线的开关接地问题。因此，Blumlein脉冲形成线使用相对更加广泛。
大多数柔性同轴电缆通常只有内外导体两层，少数柔性同轴电缆在用于信号传输时也有做成三层导体同轴结构布局的，其中最外导体层一般用于电磁屏蔽，而对于信号传输实际起作用的仍然是中导体层和内导体。同轴电缆在用于脉冲整形时，可以设计成Blumlein脉冲形成线结构，但当卷绕使用时，双同轴电缆Blumlein线的结构布局使得在脉冲形成过程中两根同轴电缆之间发生特别严重的电磁耦合效应，进而导致实际输出的波形发生畸变或衰减。
发明内容
为解决传统的柔性同轴电缆卷绕使用时由于脉冲形成过程中两根同轴电缆之间发生电磁耦合效应导致输出的波形发生畸变或衰减的技术问题，本发明实施例提供一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆。
本发明实施例的目的通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明实施例提供一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆，包括同轴设置的：
内导体层；
内绝缘层，套设于内导体层外；
中导体层，套设于内绝缘层外；
中绝缘层，套设于中导体层外；
外导体层，套设于中绝缘层外，用于接地；
以及外绝缘层，套设于外导体层外；
其中，内导体层的外径d1、中导体层的内径d2、中导体层的外径d3、外导体层的内径d4，满足：d4/d3＝d2/d1。
进一步的，所述内绝缘层和中绝缘层采用聚乙烯、丁晴或聚四氟乙烯制成；所述外绝缘层采用聚氯乙烯或特氟纶制成。
进一步的，所述内导体层为单根铜实线或由多根铜丝缠绕成的绞线。
进一步的，中导体层和外导体层为铜皮；所述中导体层缠绕在内绝缘层外；所述外导体层缠绕在中绝缘层外。
进一步的，所述外导体层和中导体层为编织铜网结构；所述中导体层的编织铜网结构套设于内绝缘层外；所述外导体层的编织铜网结构套设于中绝缘层外；所述外导体层内表面、中导体层内表面和中导体层外表面均缠绕有半导体匀场带。
进一步的，所述内导体层为由多根铜丝缠绕成的绞线；内导体层外表面缠绕有半导体匀场带。
进一步的，所述电缆的弯曲半径小于100mm；内导体层直径为2.5-3.5mm；中导体层直径为5-7mm；外导体层内直径为10-14mm；直流工作电压为20-40kV。
进一步的，所述电缆的中导体层外径d3与中导体层内径d2的差值为0.03-0.5mm。
进一步的，所述电缆的外导体层与中导体层之间的波阻抗为15-30Ω，中导体层与内导体之间的波阻抗为15-30Ω。
第二方面，本发明实施例提供一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆，包括：
内导体层；
内绝缘层，套设于内导体层外；
中导体层，套设于内绝缘层外；
中绝缘层，套设于中导体层外；
外导体层，套设于中绝缘层外，用于接地；
以及外绝缘层，套设于外导体层外；
所述同轴高压脉冲形成线柔性电缆满足：
Figure BDA0003483048140000031
其中，C0为同轴高压脉冲形成线柔性电缆单层传输线的单位电容；C0(inner)为内层传输线的单位电容；C0(outer)为外层传输线的单位电容；
L0为同轴高压脉冲形成线柔性电缆单层传输线的单位电感；L0(inner)为内层传输线的单位电感；L0(outer)为外层传输线的单位电感；
Z0为同轴高压脉冲形成线柔性电缆单层传输线的波阻抗；Z0(inner)为内层传输线的波阻抗；Z0(outer)为外层传输线的波阻抗；
τ0为同轴高压脉冲形成线柔性电缆的电长度；τ0(inner)为内层传输线的电长度；τ0(outer)为外层传输线的电长度。
本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明实施例的一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆，通过内导体层、内绝缘层、中导体层、中绝缘层、外导体层以及外绝缘层的六层结构以及使各导体层满足：d4/d3＝d2/d1，其中，d1是内导体层的外径、d2是中导体层的内径、d3是中导体层外径、d4是外导体层的内径；实现了在脉冲形成过程中即使卷绕使用，其输出波形也不会发生畸变；从而，避免了传统的柔性同轴电缆卷绕使用时由于脉冲形成过程中两根同轴电缆之间发生电磁耦合效应导致输出的波形发生畸变或衰减的缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为同轴高压脉冲形成线柔性电缆的结构示意图。
图2为同轴高压脉冲形成线柔性电缆的剖面结构示意图。
图3为Blumlein脉冲形成线结构的电路连接示意图。
图4为Blumlein脉冲形成线结构的电路脉冲输出示意图。
图5为径向传输线结构的电路连接示意图。
图6为径向传输线结构的电路脉冲输出示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-内导体层，2-内绝缘层，3-中导体层，4-中绝缘层，5-外导体层，6-外绝缘层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例
为解决传统的柔性同轴电缆卷绕使用时由于脉冲形成过程中两根同轴电缆之间发生电磁耦合效应导致输出的波形发生畸变或衰减的技术问题，本发明实施例提供一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆。
第一方面，本发明实施例提供一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆，参考图1-6所示，包括同轴设置的：内导体层1；内绝缘层2，套设于内导体层外；中导体层3，套设于内绝缘层外；中绝缘层4，套设于中导体层外；外导体层5，套设于中绝缘层外，用于接地；以及外绝缘层6，套设于外导体层外；其中，内导体层的外径d1、中导体层的内径d2、中导体层的外径d3、外导体层的内径d4，满足：d4/d3＝d2/d1。
具体设计原理如下：
普通同轴电缆分为内导体、内绝缘层、外导体层及外绝缘层四层，用作信号传输线时具有极高的频率响应。设其内导体外径为d，外导体内径为D，则同轴电缆的单层单位电容和单位电感分别为：
Figure BDA0003483048140000051
Figure BDA0003483048140000052
其波阻抗为
Figure BDA0003483048140000053
其电长度为
Figure BDA0003483048140000054
其中，其中μ0为真空磁导率，ε0为真空介电常数，μr为绝缘层绝缘材料的相对磁导率，εr为绝缘层绝缘材料的相对介电常数，l为高压脉冲形成线柔性电缆的几何长度，c为真空中的光速。
本发明实施例的所述的同轴高压脉冲形成线柔性电缆，主要由同轴导体层和同轴绝缘介质层构成。电缆由内之外分为内导体层、内绝缘层、中导体层、中绝缘层、外导体层以及外绝缘层共六层构成。设内导体层的外径为d1，中导体层的内径为d2，中导体层外径为d3，外导体层的内径为d4。依据式(1)-(4)，高压脉冲形成线柔性电缆内层传输线的单位电容和单位电感、波阻抗和电长度分别为：
Figure BDA0003483048140000061
Figure BDA0003483048140000062
Figure BDA0003483048140000063
Figure BDA0003483048140000064
依据式(1)-(4)，同轴高压脉冲形成线柔性电缆外层传输线的单位电容和单位电感、波阻抗和电长度分别为：
Figure BDA0003483048140000065
Figure BDA0003483048140000066
Figure BDA0003483048140000067
Figure BDA0003483048140000068
内绝缘层和外绝缘层通常采用相同绝缘介质填充，因此内外传输线的电长度也相同。当三层导体之间满足关系式d4/d3＝d2/d1时，则本文所述的同轴高压脉冲形成线柔性电缆满足以下关系：
C0＝C0(inner)＝C0(outer)
L0＝L0(inner)＝L0(outer)
Z＝Z(inner)＝Z(outer)
τ＝τ(inner)＝τ(outer)   (13)
从而，本发明实施例通过内导体层、内绝缘层、中导体层、中绝缘层、外导体层以及外绝缘层的六层结构以及使各导体层满足：d4/d3＝d2/d1；实现了在脉冲形成过程中即使卷绕使用，其输出波形也不会发生畸变；从而，避免了传统的柔性同轴电缆卷绕使用时由于脉冲形成过程中两根同轴电缆之间发生电磁耦合效应导致输出的波形发生畸变或衰减的缺陷。
可选地，各导体层材质为铜材质，内绝缘层和中绝缘层材质为聚乙烯材质，外绝缘层材质为聚氯乙烯材质。
进一步的，所述内绝缘层和中绝缘层采用聚乙烯、丁晴或聚四氟乙烯制成；所述外绝缘层采用聚氯乙烯或特氟纶制成。
进一步的，所述内导体层为单根铜实线或由多根铜丝缠绕成的绞线。
内导体可以采用单根粗铜实线，或者采用由直径更小的铜丝缠绕成绞线。与铜绞线相比，粗铜实线表面更光滑，电缆波阻抗更均匀，耐压等级更高。但粗铜实线也会使电缆***，弯曲半径变大。
进一步的，中导体层和外导体层为铜皮；所述中导体层缠绕在内绝缘层外；所述外导体层缠绕在中绝缘层外。
中层导体和外层导体采用铜皮缠绕而成，可进一步避免两层绝缘介质中的电磁场相互干扰，降低电磁耦合效应，确保脉冲输出波形品质优异。
进一步的，所述外导体层和中导体层为编织铜网结构；所述中导体层的编织铜网结构套设于内绝缘层外；所述外导体层的编织铜网结构套设于中绝缘层外；所述外导体层内表面、中导体层内表面和中导体层外表面均缠绕有半导体匀场带。
当外层导体和中层导体采用编织铜网结构时，为避免外层导体与和中层导体编织铜网网孔引入的电极表面起伏引起场强不均进而诱发电缆体击穿，通常在外层导体内表面，中层导体内表面和外表面缠绕半导体匀场带。
进一步的，所述内导体层为由多根铜丝缠绕成的绞线；内导体层外表面缠绕有半导体匀场带。
当内导体采用铜绞线结构时，为避免内导体铜绞线螺旋缠绕起伏引起场强不均进而诱发电缆体击穿，通常在内导体外表面缠绕半导体匀场带。
进一步的，所述电缆的弯曲半径小于100mm；内导体层外直径为2.5-3.5mm；中导体层直径为5-7mm；外导体层内直径为10-14mm；直流工作电压为20-40kV。
进一步的，所述电缆的中导体层外径d3与中导体层内径d2近似相等，一般两者的差值为0.03-0.5mm。
进一步的，所述电缆的外导体层与中导体层之间的波阻抗为15-30Ω，中导体层与内导体之间的波阻抗为15-30Ω。
由于外导体层接地，在脉冲形成过程中即使卷绕使用其输出波形也不会发生畸变。
将本发明实施例的同轴高压脉冲形成线柔性电缆分别通过电路连接成Blumlein脉冲形成线结构和径向传输线结构，参考图3-图6所示，可以获得低平顶波动、低平顶变化的高品质波形脉冲高压输出；相比于同电压等级的陶瓷固态脉冲形成线等，可以明显降低脉冲形成线制造成本；而且脉冲形成线柔性电缆制备工艺简单，理论上可一次性快速制备无限长电缆，满足不同应用场合对脉冲宽度的要求；同时，由于外层导体接地，在脉冲形成过程中即使卷绕使用，其输出波形也不会发生任何畸变；该电缆弯曲半径小，可以任意卷绕使用，占地空间小。
第二方面，本发明实施例提供一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆，包括：
内导体层；
内绝缘层，套设于内导体层外；
中导体层，套设于内绝缘层外；
中绝缘层，套设于中导体层外；
外导体层，套设于中绝缘层外，用于接地；
以及外绝缘层，套设于外导体层外；
所述同轴高压脉冲形成线柔性电缆满足：
Figure BDA0003483048140000081
其中，C0为同轴高压脉冲形成线柔性电缆单层传输线的单位电容；C0(inner)为内层传输线的单位电容；C0(outer)为外层传输线的单位电容；
L0为同轴高压脉冲形成线柔性电缆单层传输线的单位电感；L0(inner)为内层传输线的单位电感；L0(outer)为外层传输线的单位电感；
Z0为同轴高压脉冲形成线柔性电缆单层传输线的波阻抗；Z0(inner)为内层传输线的波阻抗；Z0(outer)为外层传输线的波阻抗；
τ0为同轴高压脉冲形成线柔性电缆的电长度；τ0(inner)为内层传输线的电长度；τ0(outer)为外层传输线的电长度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种同轴高压脉冲形成线柔性电缆，其特征在于，包括同轴设置的：
内导体层；
内绝缘层，套设于内导体层外；
中导体层，套设于内绝缘层外；
中绝缘层，套设于中导体层外；
外导体层，套设于中绝缘层外，用于接地；
以及外绝缘层，套设于外导体层外；内绝缘层和外绝缘层采用相同绝缘介质填充；
其中，内导体层的外径d1、中导体层的内径d2、中导体层的外径d3、外导体层的内径d4，满足：d4/d3＝d2/d1；
所述同轴高压脉冲形成线柔性电缆满足：
Figure FDA0004087831160000011
其中，C0为同轴高压脉冲形成线柔性电缆单层传输线的单位电容；C0(inner)为内层传输线的单位电容；C0(outer)为外层传输线的单位电容；
L0为同轴高压脉冲形成线柔性电缆单层传输线的单位电感；L0(inner)为内层传输线的单位电感；L0(outer)为外层传输线的单位电感；
Z0为同轴高压脉冲形成线柔性电缆单层传输线的波阻抗；Z0(inner)为内层传输线的波阻抗；Z0(outer)为外层传输线的波阻抗；
τ0为同轴高压脉冲形成线柔性电缆的电长度；τ0(inner)为内层传输线的电长度；τ0(outer)为外层传输线的电长度。
2.如权利要求1所述同轴高压脉冲形成线柔性电缆，其特征在于，所述内绝缘层和中绝缘层采用聚乙烯、丁晴或聚四氟乙烯制成；所述外绝缘层采用聚氯乙烯或特氟纶制成。
3.如权利要求1所述同轴高压脉冲形成线柔性电缆，其特征在于，所述内导体层为单根铜实线或由多根铜丝缠绕成的绞线。
4.如权利要求1所述同轴高压脉冲形成线柔性电缆，其特征在于，中导体层和外导体层为铜皮；所述中导体层缠绕在内绝缘层外；所述外导体层缠绕在中绝缘层外。
5.如权利要求1所述同轴高压脉冲形成线柔性电缆，其特征在于，所述外导体层和中导体层为编织铜网结构；所述中导体层的编织铜网结构套设于内绝缘层外；所述外导体层的编织铜网结构套设于中绝缘层外；所述外导体层内表面、中导体层内表面和中导体层外表面均缠绕有半导体匀场带。
6.如权利要求1所述同轴高压脉冲形成线柔性电缆，其特征在于，所述内导体层为由多根铜丝缠绕成的绞线；内导体层外表面缠绕有半导体匀场带。
7.如权利要求1所述同轴高压脉冲形成线柔性电缆，其特征在于，所述电缆的弯曲半径小于100mm；内导体层直径为2.5-3.5mm；中导体层直径为5-7mm；外导体层内直径为10-14mm；直流工作电压为20-40kV。
8.如权利要求1所述同轴高压脉冲形成线柔性电缆，其特征在于，所述电缆的中导体层外径d3与中导体层内径d2的差值为0.03-0.5mm。
9.如权利要求1所述同轴高压脉冲形成线柔性电缆，其特征在于，所述电缆的外导体层与中导体层之间的波阻抗为15-30Ω，中导体层与内导体之间的波阻抗为15-30Ω。
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