２０１５年１月１日 第３８卷第１期 现代电子技术 Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｊａｎ．２０１５ Ｖ０１．３８ ＮＯ．１ 脉冲形成网络（ＰＦＮ）放电特性研究 王维昌，赵锦成 （中国人民军械工程学院，河北石家庄０５０００３） 摘要：脉冲形成网络（ＰＦＮ）作为雷达发射机的重要组成部分，承担着储能和放电的双重作用，而且在医疗、激光、高能 电子领域得到了广泛应用。首先从ＰＦＮ的工作原理出发，分析了其电路结构以及对应的各项参数指标，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对其 放电特性进行了仿真，得到其放电波形，并分析了影响脉冲方波电流的因素。 关键词：脉冲形成网络；脉冲电流；线性调制器；方波电流 中图分类号：ＴＮ７８７—３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４ ３７３Ｘ（２０１５）０１．０１４４．０３ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｕｌｓｅ－ｆｏｒｍｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ ＷＡＮＧ Ｗｅｉ—ｃｈａｎｇ，ＺＨＡＯ Ｊｉｎ—ｃｈｅｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：：Ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｄｓ ｏｆ ｒａｄａｒ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，ｐｕｌｓｅ—ｆｏｒｍｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ（ＰＦＮ）ｐｌａｙｓ ａ ｄｕａｌ ｒｏｌｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ，ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｍｅｄｉｃａｌ，ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃ— ｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＰＦＮ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔ ｐｕｌｓｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｗａｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｕｌｓｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｐｕｌｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｌｉｎｅａｒ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ；ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｗａｖｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ０ 引 言 脉冲形成网络也称人工线、仿真线（Ｐｕｌｓｅ．ｆｏｒｍｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＰＦＮ），是雷达线性脉冲调制器中的重要元件之一。 系统能够输出矩形的方波电压，利用无损耗传输线可以 产生理想的矩形脉冲。假定一根长为 ，波阻抗为ｚ，电 压为Ｕ。的无损传输线，当ｔ＝０时，闭合开关Ｋ，对电阻 进行放电，如图１（ａ）所示。 目前普遍使用的脉冲形成网络是电压反馈型结构， 用来模拟无损耗传输线的传输特性，以产生雷达发射机 中所需要的方波电流，在雷达发射机的线型调制器中起 着放电和储能的双重作用。 随着电力电子器件的飞速发展，线型脉冲调制器作 （ａ１传输线结构图 （ｂ】Ｒ＝Ｚ时负载两端波形 为一种效率比较高的脉冲调制器，不仅在雷达发射机中 应用，在高能电子加速器、医疗加速器、工业辐照加速 器、同步辐射加速器等领域中也得到了广泛应用。为 图１传输线结构图及当Ｒ＝Ｚ时负载两端波形 图１（ａ）中静电电压 分为传输方向相反的前行波 和反行波 ，可以列出基本的波动方程： 此，作为线型脉冲功率调制器的关键元件之一，ＰＦＮ引 起了人们越来越多的重视。 本文从ＰＦＮ的基本原理入手，探讨了ＰＦＮ的拓扑结 ｌＶｏ＝Ｕ ＋ ｛， ．Ｕ ｌ１０一Ｒ’Ｚ （１） 构，研究其充放电特性中链数、电感电容参数选择等对 脉冲波形的影响，并通过仿真验证了结论的正确性。 ， 当Ｒ＝Ｚ时，即输电线与负载匹配，得到电流幅值 ，， ｒ， ，持续时间为 ＝ 的简单矩形脉冲，６为 １脉冲形成网络结构特性 １．１ 无损耗传输线 波从Ａ点传播到Ｂ点的单次传播时间，如图１（ｂ）所示。 １．２链式脉冲形成网络 由于雷达的发射元件为脉冲性负荷，所以要求供电 一在传输线中，波的传播速度为３００ ｍ／ｌ￣ｓ，要设计 个１ ０００ ｓ的矩形方波就需要１ ５００ ｋｍ的输电线， 收稿日期：２０１４－０７．０８ 这显然是很不现实的。传输线是由分布的电容和电感 第１期 王维昌，等：脉冲形成网络（ＰＦＮ）放电特性研究 Ｕ ＝ＵＥ一２Ｕ ＝ＫＵ １４５ （５） 组成的，在试验中可以用集中参数电容和电感组成的模 拟网络来代替。虽然有限数目的网络不能够精确地模 拟真实分布的参数传输线，但增加网络元件的数目一定 程度上可以产生与矩形波相似的脉冲。 链型脉冲形成网络的等效模型如图２所示，设用其 代替长度为ｆ的传输线，单个链的电感为￡，电容为ｃ， 则输电线单位长度的电感为Ｌ ＝Ｎ・Ｌ／ｌ，单位长度的电 在 ２丁的时间间隔内又重复上述的传递过 程。所以可求得在 —２ｒ的时间间隔内 上的电压为： ： 一Ｕ ＝寺（１＋ ）Ｋ （６） 以此类推，可以证明在ＰＦＮ进行放电的第Ⅳ次来 回的期间，负载 ．两端电压的表达式为： 容为Ｃ ＝Ｎ・ｃ／ｌ。 波阻抗：Ｚ＝Ｌｏ，／ＺＴ＜ｏ＝√ ／ｃ 波速： ＝ｆ／√ 。ｃ。＝ｆ／（Ⅳ・４－Ｅｄ） 波来回一次所需要的时间： ＝２ｌ／ｖ＝２Ｎ 式中Ⅳ为链数。 若负载Ｒ等于ＰＦＮ的波阻抗ｚ，则在终端不发生反 射波，则电流，：Ｕ。／（２Ｒ）在Ｔ＝２ｌ／Ｒ：２Ｎ、ｆ 的时间内 将送来的能量全部消耗于电阻Ｒ，流过Ｒ的电流为矩形 冲击电流。若负载 与波阻抗不匹配，即 ≠ｚ，则在 末端会发生多次折反射过程，电流为震荡的矩形波。 图２ ＰＦＮ放电等效模型 １．３脉冲形成网络放电特性 如图２所示，当ｔ＝０时，开关Ｓ闭合，ＰＦＮ通过ｓ向 负载Ｒ 放电，在Ｒ 上产生电压Ｕ ＝ＩＬＲ 。在ｓ闭合时有 一个电压入射波Ｕ； 从Ｅ向人工线的终端Ｆ传播，因此 有一个电流入射波，即： ， ｉ＝， ＝Ｕ。 ／ｐ＝Ｕ ／Ｒ （２） 式中Ｐ＝ＬＣ为ＰＦＮ的特性阻抗。 在放电瞬间Ｒ 上的电压为Ｕ ＝Ｕ 一Ｕｉ ＝Ｕ 一 ｐＵ ／ ，则第一脉宽ｒ内负载上的电压Ｕ 为： ＝器＝扣１ （３） 将式（２）代入式（３）可得： Ｐ＝ ＝ （１ （４） 因为Ｕ。 由Ｅ向线的终端Ｆ传播，在ｔ＝ｒ／２时到达 终端Ｆ并以同号等值反射回来，又经过ｔ＝ｒ／２的时间到 达始端Ｅ，此时线上剩余的电压为： ＝ （ 厂 ㈩ 式中：Ｋ为ＰＦＮ始端Ｅ的电压反射系数， ＝ 一ｐ）／（Ｒ ＋ｐ），在匹配状态即Ｒ ：ｐ时，Ｋ＝０；当尺 ＞ｐ 时为正失配状态，Ｋ＞０；当Ｒ ＜ｐ时为负失配，Ｋ＜０。它 的三种状态波形如图３所示。 （ａ】匹配状态 （ｂ）正失配状态 Ｌ 士（１＋叼 ，２。 士（１＋Ｋ Ｉ广］ ｌ ｒ—一 ｆ ｚｒ Ｌ 扣＋Ｋ）／￣Ｕｒ （ｃ】负失配状态 图３ ＰＦＮ三种状态 通过分析ＰＦＮ的放电过程，可以得到以下结论： （１）由式（５）可知，在正失配状态时，ＰＦＮ在一个脉 冲之后有剩余的正向电压，如采用闸流管作为开关元 件，则在下一个充电周期开始时，闸流管还在继续导 通。优点是可以得到比匹配状态大一些的输出电压，但 是系统效率低，调制器容易产生连通。 （２）当ＰＦＮ工作在负失配状态下时，ＰＦＮ两端电 压在下一个脉冲到来前为负值，这样有利于闸流管两端 消除电离。因为闸流管在脉冲过后不能承受过大的反 向电压，所以调制器通常工作在负失配状态，并用反峰 电路过大的反向电压，以起到对闸流管的保护 作用。 ２ 电路仿真及其结果分析 ２．１ ＰＦＮ放电电路仿真 在方波冲击电流电路参数计算的基础上，利用图２ 对ＰＦＮ方波发生电路进行仿真。以某型号线性调制器 的ＰＦＮ为例，其负载两端额定电压为３０ Ｖ，额定电流为 １２０ Ａ，脉冲频率为１ ｋＨｚ，工作占空比为１０％。为了得 第１期 林立杰，等：基于Ｖｃ＋＋的ＰＣＩ．６２２０应用编程设计 Ｖａｌ＿１４９ ＆ｎ ， ＿１０ ．０，ＤＡＱｍｘ，ｏｕ＆ＲｅａｄＮｕｍ＆ｎＢｙｔｅ ｓＰｅｒＳ ａｍ ｐｌ， Ｎ Ｕ ＬＬ ＇）， 读取个数据。８ ４结论 在ＰＣＩ．６２２０板卡模拟输入试验中，要充分注意到 ３．３数字Ｉ／Ｏ输出波形编程嘲 通过数字Ｉ／Ｏ通道输出数字波形相对于前面两种编 程模式要复杂，需要用到计时触发功能。特别是如果要 差分方式和单端方式采集电压的不同，信号接地方式将 会影响到电压采集的真实性，如果通道数目足够，尽量 采样差分方式采集模拟信号。 波形输出编程需要精确考虑计时触发的时间精度， 输出两路有关联性的脉冲波形，需要算出两路脉冲波形 之间的最小计时波形精度。这里给出通过计时器 ＣＴＲＯ计时、ＰＯＲＴＯ的０和１端口输出关联脉冲精度的 编程方法。首先创建计时任务ＤＡＱｍｘＣｒｅａｔｅＴａｓｋ（””， ＆ ｐｈＴａｓｋＨａｎｄｌｅ），其中ｐｈＴａｓｋＨａｎｄｌｅ为计时任务句柄指 针； 目用ＤＡＱｍｘＣｒｅａｔｅＣＯＰｕｌｓｅＣｈａｎＦｒｅｑ（＊ｐｈＴａｓｋＨａｎｄｌｅ， ’’Ｄｅｖｌ／ｃｔｒ０”，””，ＤＡＱｍｘ—Ｖａｌ—Ｈｚ，ＤＡＱｍｘ—Ｖａｌ—Ｌｏｗ，０．０， 尤其对于输出关联脉冲波形来说，需要计算在计时精度 条件下波形编码方式，即０、１信号的数量，以此确定输 出数据缓冲区的大小和长度。 上述编程方式经过一定实验验证，表明该采集板卡 对慢变信号、高速信号等模拟输入信号以及数字Ｉ／Ｏ信 号都能够很好地完成数据采集任务。脉冲波形输出的 编程流程更复杂化，需要考虑的方面更多，本文在这里 提供参考。 参考文献 ＵｐｄａｔｅＲａｔｅ，０．５０）函数生成０．５ ｍｓ精度的计时脉冲频 率，其中ＵｐｄａｔｅＲａｔｅ约束为１／０．５ ｍｓ；调用函数ＤＡＱｍｘ． ＣｒｅａｔｅＴａｓｋ（…’，ｗｄＴａｓｋＨａｎｄｌｅ）创建输出脉冲波形任务， 其中ｗｄＴａｓｋＨａｎｄｌｅ表示脉冲输出任务指针；接着调用 ＤＡＱｍｘＣｒｅａｔｅＤＯＣｈａｎ （冲：ｗｄＴａｓｋＨａｎｄｌｅ， ”Ｄｅｖ１／ｐｏｒｔＯ／ ［１】ＬＲＩＮＲＶＫＲＴ Ｒ Ｃ．Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋Ｂｉｂｌｅ［Ｍ］．北京：电子工业出版， １９９９． ｌｉｎｅ０：１”，””，ＤＡＱｍｘ—Ｖａｌ—ＣｈａｎＰｅｒＬｉｎｅ）函数申明虚拟 任务通道；再调用ＤＡＱｍｘＣｆｇＳａｍｐＣｌｋＴｉｍｉｎｇ（ ｗｄ— ＴａｓｋＨａｎｄｌｅ， ”／Ｄｅｖｌ／Ｃｔｒ０ＩｎｔｅｒｎａｌＯｕｔｐｕｔ”， ＵｐｄａｔｅＲａｔｅ， 【２１徐晓刚，高兆法，王秀娟．Ｖｉｓｕａｌ Ｃ ６．０入门与提高［Ｕ１．北京：清 华大学出版社，１９９９． ［３］崔常府．基于ＮＩ的计算机控制程序开发［Ｄ］．青岛：中国石油大 学（华东），２００９． ＤＡＱｍｘ——Ｖａｌ——Ｆａｌｌｉｎｇ，ＤＡＱｍｘ——Ｖａｌ——ＦｉｎｉｔｅＳａｍｐｓ，ｎＢｕｆ－ Ｌｅｎｇｔｈ）函数表示ＣＴＲ０内部输出计时属性为下降沿、有 限采样；接着调用函数ＤＡＱｍｘＷｒｉｔｅＤｉｇｉｔａｌＬｉｎｅｓ（＊ｗｄ— ＴａｓｋＨａｎｄｌｅ，ｎＢｕｆＬｅｎｇｔｈ，０，１ ０．０，ＤＡＱｍｘ—Ｖａｌ—Ｇｒｏｕｐ— 【４］李净，杨俊武，钱旭．用多媒体定时器精确控制采样频率［Ｊ］．计 算机应用，２０００（１２）：６７—６８． ［５】陈银辉，张银鸿．ＬａｂＶｉｅｗ ８．２Ｏ程序设计从入门到精通［ＭＩ．北 京：清华大学出版社，２００７． ＢｙＣｈａｎｎｅｌ，ｕＤａｔａＢｕｆ，ＮＵＬＬ，ＮＵＬＬ）申明写数据线方 式输出ｕＤａｔａＢｕｆ内包含的数据，连续启动计时任务和波 【６］黄松岭．虚拟仪器设计基础教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社， ２００８ 形输出任务后开始执行波形输出任务。 作者简介：林立杰（１９７２一），现工作于中国工程物理研究院电子工程研究所。主要从事计算机测控技术及软件开发应用研究。 （上接第１４６页） ｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｗｒｏｅ￣ａｗ：ＩＥＥＥ，２０００，２：６７ １－６７４． 参考文献 ［５】李网生．线性调制器的充电技术【Ｊ１．现代雷达，２００４，２６（５）：６８－ ７０． ［１】程道国．脉冲形成网络设计中的若干问题［Ｊ１．现代电子技术， １９９８，２１（２）：２２．２７． ［６］尚雷，陆业明，冯德仁，等．１３Ｍ大功率线性调制器的设计与研 究 雷达科学与技术，２０１３，１１（１）：８７—９６． 【２王兆安，刘进军．２］电力电子技术【Ｍ】．北京：机械工业出版社， ２Ｏｌ０． 【７】尚雷，陆业明，冯德仁，等．４０ ｋＶ／２０ ｋＷ开关型脉冲成形网络 充电高压电源【Ｊ】．强激光与粒子束，２００３（７）：６９７—７００． ｆ３】张朋年．某相控雷达Ｔ／Ｒ组件电源系统研制【Ｄ】．西安：西安电子 科技大学，２００７． ［４］ＷＯＪＴＡＳＩＡＫ Ｗ，ＧＲＹＧＬＥＷＳＫＩ Ｄ，ＬＡＮＧＥ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｏｐｔｉ— ｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ 【８】乔尔敏，张柯．串联谐振电容器充电电源特性研究［Ｊ】．通信电源 技术，２０１０，２７（１）：１１—１４． ［９］魏智．发射机高压脉冲调制器的设计与实践［Ｍ】．北京：电子工 业出版社，２００９． ｆｏｒ Ｔ／Ｒ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｒａｄａｒ［Ｃ］／／１ ３ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａ— ｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ，Ｒａｄａｒ ａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕ— 【１０］刘福才．数字积分器在脉冲电流检测中的应用【Ｊ】＿仪表技术与 传感器，２０１２（１０）：８５—９０． 作者简介：王维昌（１９８９一），男，在读硕士。主要研究方向为野战电力支持技术。
