基本电路原理

独立式高压脉冲调制系统的基本结构原理，见图2-11-2。由图2-11-2可见，这种高压脉冲电路系统主要包括：直流高压电源、充电电感（L）、充电二极管（CR）、闸流管、脉冲形成网络（PFN）和充电变压器等。此外，由于阳极接地，脉冲负高压是加在阴极上，而加热阴极用的灯丝一般是低压供电，而阴极与灯丝之间不能存在电位差，因此，在设计高压脉冲电路系统时，必须同时考虑阴极灯丝的供电问题，所以图中也包括了磁控管　（速调管）灯丝供电的基本电路原理。

图2-11-2　独立式高压脉冲调制系统简化电路原理

图中点画线左边部分安装在独立调制柜内，其中虚线框内是直流高压电源，其余部分就是高压脉冲调制电路的主要部分；点画线右边部分安装在机架内，主要包括脉冲变压器（pulse transformer）和微波源（磁控管或速调管）两大部分

这种高压脉冲系统的基本工作原理是：三相交流电源经过升压、整流、滤波之后建立直流高压电源。根据加速器的结构形式及输出能量等各种不同的技术要求，直流高压电源一般设计为10～20kV，这时的电压是直流静态电压。为了产生所需波形的大功率高压脉冲，整个系统要经过“充电”和“放电”两个基本过程。首先是充电过程：开始工作时，直流高压电源的正极（＋）经过充电电感（L）和充电二极管（CR）向PFN充电，并经过脉冲变压器原边线圈返回负极（-）形成回路。在充电过程中，PFN上的充电电压峰值可达直流高压电源的2倍（原因稍后证明）。充电结束后，PFN的电容内就储存了大量的电能；需要放电时，在闸流管的栅极上加一个脉冲信号让其导通，这时，PFN的a端瞬间接地，结果是a（地）、b（-）两端同时跨接在脉冲变压器原边线圈的两端，PFN开始向脉冲变压器放电。与此同时，在脉冲变压器副边线圈的同名端上，必然会感应产生脉冲负高压，这就是我们所需要的脉冲高电压。放电结束之后，闸流管闭合，等待下一个充电与放电循环，周而复始，直到停止运行为止。因脉冲变压器副边线圈的同名端连接磁控管或速调管的阴极，另一端通过外壳连接阳极（接地），于是，就在阳极与阴极之间形成了高压脉冲电场，从而产生并输出所需要的微波能量。这就是独立式高压脉冲系统的基本工作原理，也是磁控管或速调管的基本高压脉冲原理。

我们已经知道，不论磁控管还是速调管，两种微波源都需要脉冲负高压才能产生大功率微波能量。可为什么PFN产生的脉冲负高压不是直接加在微波源的阴极上，而是通过脉冲变压器向微波源施加脉冲负高压呢？其原因主要是从如下几个方面来考虑。

1．改变高压电源脉冲的极性。因为直流电源通常是阴极接地，而微波源要求阳极接地，通过脉冲变压器就很容易改变加在微波源上的高压脉冲极性，易于实现阴极脉冲负高压供电的基本技术要求。

2．可以进一步提升脉冲电压幅度。有了脉冲变压器之后，就可以采用较低的脉冲调制电压，有利于高压器件的耐压设计和安全运行。

3．易于实现阻抗匹配。由图2-11-2可知，放电脉冲回路的“电源”是PFN，而最终的脉冲负载主要是磁控管或速调管。在正常情况下，磁控管的等效阻抗一般是400Ω（欧姆）左右，速调管的等效阻抗一般是1400Ω左右；而用在磁控管回路和速调管回路的PFN，典型的特征阻抗分别是25Ω和12．5Ω。为了满足阻抗匹配条件，用于磁控管回路的脉冲变压器绕组变比一般设计为1∶4（阻抗比是1∶16）；用于速调管回路的脉冲变压器绕组变比一般设计为1∶11（阻抗比是1∶121）。这样，就可以实现脉冲源与脉冲负载之间的阻抗匹配，这是保证微波源正常工作的基本条件之一。

4．可以隔离高压脉冲调制器与微波元之间的直流电位，易于电路之间的独立设计。

另外，图中的灯丝电源是经过脉冲变压器副边的两路并行线圈连接到阴极灯丝上的，并在副边并联线圈两端分别跨接了两个电容器C1和C2。这样，实际是将阴极灯丝电位的绝对值抬高到阴极的高压脉冲负电位，而灯丝两端仍然保持低压供电，巧妙解决了灯丝低压供电和灯丝与阴极同电位之间的矛盾。

根据工作特性可知，磁控管和速调管都是非线性器件，其特性阻抗与高压脉冲参数、阴极温度（灯丝电流）、阴极工作电流以及阴极与阳极之间的磁场强度等各种因素有关，因此，为了满足磁控管和速调管对脉冲负高压的各项技术要求，就必须精确计算并严格控制相关电路的技术参数。为了进一步搞明白这种高压脉冲系统的基本工作原理，下面将分别讨论这种高压脉冲系统的充电储能原理和放电脉冲原理，随后再分别研究PFN等各部分关键器件的结构特点与工作原理。