Делители напряжения с линиями в качестве ступеней

Для измерения очень коротких импульсов высокого напряжения в коаксиальных системах используются делители, состоящие из отрезков линий. Принцип их действия основан на явлении отражения в местах соединения линий с разными волновыми сопротивлениями. Такой делитель может состоять из последовательно соединенных двух линий 1 и 2 с волновыми сопротивлениями r₁ и r₂ (рис. 6.13).

Рис. 6.13. К объяснению принципа работы делителя с отрезками линий

Место соединения линий P представляет собой неоднородность, в которой часть энергии волны, падающей из линии 1 в линию 2, отражается обратно. Между напряжениями падающей u₁(t), отраженной u´₁(t), и прошедшей u₂(t) волн имеет место соотношение:

u₁(t) + u´₁(t)= u₂(t).

Импульс с напряжением u₂(t) в линии 2, подключенной к осциллографу, служит для регистрации и измерения импульса высокого напряжения. Коэффициент передачи в точке P рассчитывается в соответствии с соотношением между амплитудами падающей и прошедшей волны на стыке двух линий:

.

Преимущество таких делителей заключается в том, что их верхняя граничная частота полосы пропускания гораздо выше, чем у делителей традиционного исполнения. Время нарастания в делителях на основе, например, кабельных линий ограничивается только затуханием в кабеле, зависящим от качества самого кабеля, а также от качества соединения кабельных линий. Практически достижимы значения 50–100 пс. Однако следует иметь в виду, что с помощью таких делителей можно исследовать импульсы, длительность которых не превышает двойного времени пробега в линии 1, поскольку отраженная от места соединения волна u´₁(t) после отражения от входа линии 1 накладывается на измеряемое напряжение и искажает его форму. При этом предполагается, что линия 2 нагружена на согласующее сопротивление или имеет достаточную длину, чтобы не наступило искажение исследуемого импульса из-за отражения сигнала от места соединения линий.

Коаксиальные системы характеризуются, как правило, малыми волновыми сопротивлениями, лежащими в большинстве случаев в пределах от 20 до 150 Ом. Поэтому применение делителей напряжения с линиями в качестве ступеней возможно лишь при низком внутреннем сопротивлении источника напряжения. Однако это не является решающим недостатком, поскольку источники импульсов с предельной крутизной и временами нарастания порядка нескольких наносекунд и субнаносекунд по своей природе являются низкоомными малоиндуктивными системами.

При конструктивном выполнении делителя из двух коаксиальных кабелей достигается сравнительно невысокий коэффициент деления, так как волновые сопротивления линий не могут сильно различаться. Поэтому в точке P (рис. 6.13) можно включить несколько линий параллельно. Соответствующая схема представлена на рис. 6.14.

Коэффициент передачи рассчитывается при n линиях с равными волновыми сопротивлениями r₂ следующим образом:

.

Особое внимание необходимо уделять конструктивному выполнению присоединения кабелей в точке P. Паразитная емкость, возникающая в этом месте, должна быть компенсирована полостью C за местом разветвления кабелей (рис. 6.14). Измерительный прибор, обычно осциллограф, присоединяют к одному из n кабелей. При этом возможно использование нескольких осциллографов, подключенных к разным кабелям, для регистрации сигнала с различным временным разрешением и с различной задержкой.

Рис. 6.14. Схема делителя напряжения с n отрезками кабелей
на стороне низкого напряжения: C – полость для компенсации
емкости узла присоединения кабелей

На рис. 6.15 представлена блок-схема другого варианта делителя на связанных линиях, предназначенного для измерения импульсов напряжения с амплитудой до 2 МВ и фронтом ≈1 нс.

Рис. 6.15. Блок-схема делителя на связанных линиях

Импульсы от ГИН поступают по коаксиальной маслонаполненной линии Л_2-3 с волновым сопротивлением 20 Ом на сложную линию Л_1-2-3, в которой линия Л_2-3, связанная с проводниками 2 и 3 представляет продолжение той же маслонаполненной линии, а линия Л_1-3 образована кабелем со снятой оплеткой 1 и заземленным внешним цилиндром 3 линии Л_2-3. Кабель со снятой оплеткой укреплен на внутренней цилиндрической поверхности 3. На входе линия Л_1-3 нагружена этим же кабелем, но в оплетке. К выходу этого кабеля подключен низкоиндуктивный шунт и осциллограф N. Сопротивление шунта R_ш много меньше волнового сопротивления кабеля ρ_к.

Вследствие близких значений диэлектрической проницаемости масла и полиэтиленовой изоляции кабеля скорость распространения сигналов в линиях Л_2-3 и Л_1-3 одинакова, и возможные искажения сигнала могут быть связаны, в основном, с неоднородностями на концах линий, затуханием сигнала в кабеле с оплеткой и с неоднородностями измерительного тракта.

Обозначим ρ₂волновое сопротивление линии, являющейся продолжением коаксиальной маслонаполненной линии в области связи, где расположен кабель 1 и ρ_1-3 – волновое сопротивление линии образованной кабелем 1 и цилиндром 3. Волновое сопротивление линии, образованной проводником 2 и кабелем 1, обозначим ρ_1-2. Тогда схему замещения делителя можно представить в виде, показанном на рис. 6.16.

Рис. 6.16. Схема замещения для расчета коэффициента деления делителя
на связанных линиях

На этой схеме волновое сопротивление маслонаполненной линии до области связи обозначено ρ_л, выходное напряжение ГИН – U_п. Анализируя волновые процессы в делителе, нетрудно показать, что его коэффициент деления дается выражением:

,

где

и

являются эквивалентными сопротивлениями для схемы, отмеченными на рис. 6.16 стрелками, U_к – напряжение на входе кабеля (выходе делителя).

На рис. 6.17 представлена еще одна схема делителя на связанных линиях.

Рис. 6.17. Конструкция и схема включения делителя напряжения
на связанных линиях

Этот делитель был разработан для регистрации биполярного импульса с амплитудами ± 120 кВ, длительностью ≈ 0,8 нс, и с фронтами ≈ 0,2 нс. Делитель установлен в маслонаполненной коаксиальной передающей линии Л с волновым сопротивлением ρ = 50 Ом. Верхним и нижним плечами делителя являются две связанные коаксиальные линии Л_1-2 и Л_1-3. Линия Л_1-2 образована внутренним проводником 2 и тонкостенной трубой 1 и передает основной высоковольтный импульс.

Линия Л_1-3, образованная трубой 1 и внешним проводником 3, является измерительной линией, вход которой соединяется кабелем с входом осциллографа N. В качестве изолятора измерительной линии используется прокладка из тонкой полиамидной пленки. Верхнее и нижнее плечи делителя имеют волновые сопротивления ρ_1-2 = 53,5 Ом и
ρ_1-3 = 0,16 Ом и электрические длины 2,2 и 2,6 нс соответственно. Измерительная линия на конце может быть закорочена или разомкнута. В последнем случае удобно контролировать работоспособность делителя, измеряя емкость линии.

Сигнал от генератора амплитудой U поступает по линии Л на вход делителя напряжения, представляющего собой последовательно соединенные Л_1-2и Л_1-3. Ослабленный сигнал с делителя напряжения амплитудой U_к подается по кабелю с волновым сопротивлением ρ_к на вход осциллографа. Влияние паразитной емкости C_п, образующейся между острой кромкой внутреннего проводника 2 и краем трубы 1, приводящей к затягиванию фронта импульса, устраняется правильным выбором зазора Δ, подбираемого опытным путем. Эта мера позволяет, также, расширить рабочую полосу частот передающей линии.

Схема замещения делителя представлена на рис. 6.18.

Рис. 6.18. Схема замещения делителя на связанных линиях для расчета
коэффициента деления

Коэффициент передачи делителя определяется из соотношения, которое вытекает из анализа схемы замещения:

.

При и коэффициент передачи равен отношению волновых сопротивлений верхнего и нижнего плеч: . Волновые сопротивления ρ, ρ_1-2 и ρ_1-3 рассчитывались по известным диаметрам проводников линий Л, Л_1-2 и Л_1-3 с использованием формул расчета волновых сопротивлений коаксиальных линий. При ρ_к = 50 Ом расчетный коэффициент передачи составляет U_к/U = 1/325.

Калибровка делителя выполнялась с помощью генератора биполярных импульсов напряжения амплитудами приблизительно ± 100 В и длительностью ≈ 0,8 нс. Сигнал от генератора подавался через согласованный конусный переход на вход делителя. Осциллографом СРГ-8 с полосой пропускания 7,5 ГГц регистрировались сигналы на выходе передающей линии с таким же переходом и ослабленный сигнал с выхода делителя. Коэффициент передачи делителя, найденный как отношение амплитуды ослабленного сигнал к амплитуде входного сигнала, составил 1/323, что с учетом потерь в передающей линии (3 %) хорошо соответствовало расчетному значению.