整体径向传输线是未来拍瓦级脉冲驱动源中可能采用的一种传输线，其用途是实现多路脉冲并联汇流和进行阻抗变换。本书通过电路仿真和解析分析研究了整体径向传输线的阻抗变化规律对其传输特性的影响，通过三维电磁场仿真研究了整体径向传输线的三维几何外形对其传输特性的影响，并z终通过实验检验了三维电磁场建模和仿真的可靠性。全书推导过程严密、细致，仿真建模可靠、符合实际，实验重复性好，力求为整体径向传输线在脉冲功率技术领域的应用打下基础。

第1章引言

1.1传输线简介

传输线是一种广泛应用于电气和电子通讯领域的传输设备，它可以用来传送电能和电信号。

在传输线中传输的电磁波统称为导波。因为传输线结构的不同，其中所传播的导波的场的构造也会不同，这就是不同模式的导波。每一种传输线可以有不同模式的导波，共有三种既简单又基本的导波：横电波、横磁波和横电磁波。

（1） 横电波，也叫做TE模（也叫模式）或H模，在传输线的传输方向上，电场分量为0而磁场分量不为0。

（2） 横磁波，也叫做TM模或E模，在传输线的传输方向上，磁场分量为0而电场分量不为0。

（3） 横电磁波，也叫做TEM模，在传输线的传输方向上，电场分量和磁场分量都为0。

还有些模式比这些模式要复杂，可以看作是TE模和TM模的组合，这些模式叫做混合模。还有些传输线，如微带线，其模式不是严格的TEM模，可以叫做准TEM模\[1\]。

单位长度的传输延迟时间和特性阻抗是描述传输线中每个模式的重要物理量。单位长度的传输延迟时间与波速互为倒数。特性阻抗与传输线单位长度的电感、电容、电阻和电导有关。事实上，这些量都是由传输线的几何结构和尺寸，以及传输线的导体和介质的材料特性决定的。

设传输线单位长度的电阻为R，电导为G，电容为C，电感为L，波的角频率为ω，则TEM模单位长度的传输延迟时间为T0=LC=ε0εrμ0μr(1.1)TEM模的特性阻抗为ZC=R+jωLG+jωC(1.2)由式(1.1)和式(1.2)可知，TEM模单位长度的传输延迟时间与其角频率无关，而特性阻抗与其角频率有关。

如果忽略传输线的电阻和电导，即R=0，且G=0，则得到无损传输线的TEM模特性阻抗为ZC=LC=T0C(1.3)由式(1.3)可知，无损传输线的TEM模特性阻抗与角频率无关。

1.2传输线按结构分类

传输线按结构可以分为许多类型，常见的有同轴传输线、平行板传输线、带线、微带线等，如图1.1所示\[1\]。实际中使用哪种结构类型的传输线，主要由其两端需要连接的结构所决定。本节将对同轴传输线和平行板传输线这两种与本书关系密切的类型进行介绍。

图1.1传输线的结构类型

1.2.1同轴传输线

设同轴传输线的内导体直径为d，外导体内直径为D，则其中TEM模的特性阻抗为\[1\]ZC=12πμ0ε0μrεrlnDd(1.4)同轴传输线中可能存在的模式除了TEM模外，还有高次模式TEpq和TMrs。其中，p和r可取任意非负整数，q和s可取任意正整数。同轴传输线的高次模式TEpq中的下标p表示磁场的纵向分量沿横截面圆周变化的周期数，下标q表示磁场的纵向分量沿横截面径向的极值数；高次模式TMrs中的下标r表示电场的纵向分量沿横截面圆周变化的周期数，下标s表示电场的纵向分量沿横截面径向的零点数。

同轴传输线具有高通特性。对于相同的几何结构和材料，不同的模式有不同的截止频率和截止波长。当波的频率低于该模式的截止频率，即波长长于该模式的截止波长时，该模式的波就在传输线中截止，无法传播。TEM模的截止波长为无穷大，即任何频率的TEM模都可以在同轴传输线中传播。对于其他模式，由于同轴传输线的方程和边界条件较为复杂，难以得到准确的截止频率和波长，这里只给出部分模式截止波长的近似值。TEp1模截止波长和截止频率分别为λTEp1≈π(D+d)p(1.5)

fTEp1≈pπ(D+d)μ0ε0μrεr(1.6)TMr1模截止波长和截止频率分别为λTMr1≈πD－dr(1.7)

fTMr1≈rπD－dμ0ε0μrεr(1.8)TE11模是同轴传输线中截止波长最长、截止频率最低的高次模，由式(1.5)和式(1.6)可知，其截止波长和截止频率分别为λTE11≈π(D+d)(1.9)

fTE11≈1π(D+d)μ0ε0μrεr(1.10)因此，为了保证波在同轴传输线中仅以TEM模的形式传输，波长必须大于式(1.9)给出的值，即频率必须低于式(1.10)给出的值。

1.2.2平行板传输线

设平行板传输线的板宽为w，板间距为g，在w远大于g的情况下，可以忽略边缘效应，得到TEM模的特性阻抗为\[2\]ZC=LC=T0C≈ε0εrμ0μrε0εrwg=gwμ0μrε0εr(1.11)平行板传输线中可能存在的模式除了TEM模外，还有高次模式TEn和TMn，其中，n可取任意正整数\[3\]。

平行板传输线也具有高通特性。TEM模的截止波长仍为无穷大，任何频率的TEM模都可以在平行板传输线中传播。对于高次模式，TEn和TMn模的截止波长和截止频率相同，为λTEn=λTMn=2wn(1.12)

fTEn=fTMn=n2wμ0ε0μrεr(1.13)TE1模和TM1模是平行板传输线中截止波长最长，截止频率最低的高次模，由式(1.12)和式(1.13)可知，其截止波长和截止频率分别为λTE1=λTM1=2w(1.14)

fTE1=fTM1=12wμ0ε0μrεr(1.15)因此，为了保证波在平行板传输线中只以TEM模的形式传输，波长必须大于式(1.14)给出的值，即频率必须低于式(1.15)给出的值。

1.3传输线按沿线特性阻抗分类

如图1.2所示，根据传输线特性阻抗是否沿线变化，传输线可以分为均匀传输线和非均匀传输线。均匀传输线是特性阻抗沿线不变的传输线，非均匀传输线是特性阻抗沿线变化的传输线。非均匀传输线根据沿线特性阻抗变化规律的不同，又可以分为多种类型，常见的包括线性线、指数线、高斯线和双曲线等。

以传输线的中点为原点，以传输线方向为x轴，建立平面直角坐标系。设传输线在位置x处的特性阻抗为Z(x)，传输线输入端的特性阻抗为Z(-L)=Zinput，输出端的特性阻抗为Z(L)=Zoutput，则均匀传输线满足Z（x）=Zinput=Zoutput(1.16)图1.2传输线的分类

线性线满足Z（x）=Zoutput·(L+x)+Zinput·(L－x)2L(1.17)指数线满足\[4\]Z（x）=Zinput(Zoutput/Zinput)(x+L)/(2L)(1.18)高斯线满足\[4,5\]Z（x）=Zinput(Zoutput/Zinput)121+erf(hx)erf(hL)（1.19)其中误差函数为erf(y)=2π∫y0e－u2du（1.20)特别需要指出的是，在式(1.19)中，h为高斯线参数，可取任何非负数。当h=0时，高斯线就退化为指数线。因此，可以将指数线看作高斯线的一种特殊形式。但在本书中，为了不引起歧义，如无特殊说明，所提到的高斯线均不包括指数线。

对于双曲线，常使用其两支中的一支。因此，需合理设置坐标原点，使整条传输线位于坐标原点的一侧。此时，文献\[6\]中双曲线的特性阻抗方程可写为Z（x）=Zoutputxoutput－Zinputxinputxoutput－xinput－Zoutput－Zinputxoutput－xinputxinputxoutputx(1.21)其中,xinput为传输线输入端的横坐标，xoutput为传输线输出端的横坐标。从式(1.17)~式(1.21)可以看出，对于线性线、指数线和高斯线，坐标原点都确定为线的中点处；而对于双曲线，坐标原点位置并不固定，这会导致多种不同的双曲线沿线阻抗变化规律。

线性线、指数线、高斯线和双曲线的沿线特性阻抗规律如图1.3所示。图中为了便于比较，将双曲线平移至与其他非均匀传输线相同位置处。

图1.3线性线、指数线、高斯线和双曲线的沿线特性阻抗变化规律（见文前彩图）1.4非均匀传输线的应用

1.2节中已经指出，传输线结构的选择主要由其所需连接的结构决定。本节将对传输线沿线特性阻抗的选择，尤其是非均匀传输线的应用进行介绍。

在条件允许的情况下，应尽可能地采用均匀传输线，因为均匀传输线的分析设计更为简单，易于得到精确的解。但是，在某些情况下（例如微波领域），不得不采用非均匀传输线来满足微波传输的需求\[7\]。

非均匀传输线的主要用途是实现阻抗变换。实现阻抗变换除了采用非均匀传输线以外，还可以采用集总参数元件、短截线或者由1/4波长传输线组成的阶梯式阻抗变换器\[8,9\]。文献\[10\]介绍了用集总参数实现阻抗变换的方法，文献\[9\]指出采用短截线难以得到较宽的通频带。早在1955年，Cohn就用理论和实验说明了优化的阶梯变换器比之前用的二项变换器有优势，而且在设计和制造上也并不困难，他还对不连续电纳的修正问题进行了讨论\[11\]。我国学者也对这种阶梯式阻抗变换器有所研究\[12\]。文献\[8\]介绍了两节阶梯式阻抗变换器的设计方法，并指出理想传输线构成的阻抗变换器在给定的约束条件下，可以实现任意阻抗变换比率及任意频率比率的阻抗匹配。但是，这种分节的阶梯式阻抗变换器长度与波长有关，有时难以做得较短，而且只是针对个别离散频率点设计的，无法获得较大的通频带范围。虽然文献\[13\]中提出可以用同轴线加载电容形式来等效低阻抗变换节，以有效缩短变换器的长度，但是，要想在更宽的连续频带内实现阻抗的匹配，就必须用到阻抗连续变化的非均匀传输线。

非均匀传输线在很多领域都有应用。在电力系统中，经常用非均匀传输线来模拟杆塔等模型\[14\]；在电化学方面，可以用非均匀传输线模型来近似电极的电化学阻抗\[15\]；在声学上，非均匀传输线被应用在声学压电式转换器的匹配层中\[16\];在光学系统中，也要利用非均匀传输线进行阻抗匹配来改善传输特性\[17\]；在分布式光电检测器中，用非均匀传输线代替等阻抗线，可以有效地解决分布式放大器电路中反射波问题，使放大器获得更大的传输效率和带宽\[1820\]；在半导体激光系统中，使用非均匀传输线实现高速光电二极管的阻抗匹配，与传统的耦合方案相比，拓展了带宽\[21\]；在共振隧道二极管传输THz级别的脉冲时，应用非均匀传输线实现阻抗变换也可以有效地提高传输效率\[22\]。

不过，非均匀传输线目前最主要的应用还是在微波、数字信号和高功率脉冲技术领域。微波工程中，早已广泛地应用非均匀传输线技术来形成、变换和传输电磁波，并进行了许多理论和数学分析\[4,23\]，不过采用阻抗变换器的主要目的还是提高带宽\[24\]。与基于均匀传输线的自耦变压器相比，基于非均匀传输线设计的自耦变压器在最大尺寸和带宽方面都更有优势\[25\]。指数线会使脉冲信号在波形和幅值两方面都出现变形，这可以用于补偿二极管、晶体管和场效应管等负载的非线性效应\[26\]。除此之外，非均匀传输线在时延和变频等方面也有作用\[27\]。在数字信号领域传输短脉冲时，使用非均匀传输线可以大大降低负载端的激振效应，改善传输效果\[28,29\]。总线支线结构中，也要靠非均匀传输线来实现阻抗匹配\[30\]。有时，非均匀传输线还可以设计成片状结构\[31\]，但在小区域内集成大量连接体时，需要考虑约瑟夫森效应等问题\[32\]。

第1章引言

1.1传输线简介

1.2传输线按结构分类

1.2.1同轴传输线

1.2.2平行板传输线

1.3传输线按沿线特性阻抗分类

1.4非均匀传输线的应用

1.5高功率脉冲技术领域中的传输线

1.6整体径向传输线的研究方法和研究现状

1.6.1解析分析研究

1.6.2电路仿真研究

1.6.3电磁场仿真研究

1.6.4实验研究

1.7主要工作

第2章非均匀传输线传输特性的电路仿真研究

2.1模型建立

2.2分析方法

2.3仿真结果

2.4对仿真结果的进一步分析

2.5本章小结

第3章非均匀传输线传输特性的解析分析研究

3.1解析求解

3.1.1模型建立

3.1.2输出电压的解析求解

3.1.3解析求解与电路仿真的结果对比

3.2理论分析

3.2.1输出电压的影响因素

3.2.2首达波特性

3.2.3脉冲压缩特性

3.2.4高通特性

3.2.5峰值特性

3.2.6平顶下降特性

3.3图形用户界面

3.4本章小结

第4章非均匀传输线传输特性的三维电磁场仿真研究

4.1同轴非均匀传输线的三维电磁场仿真研究

4.1.1模型建立

4.1.2结果与讨论

4.2整体径向非均匀传输线的三维电磁场仿真研究

4.2.1模型建立

4.2.2结果与讨论

4.3本章小结

第5章小型整体径向传输线的实验研究

5.1小型整体径向传输线的实验装置设计

5.1.1单路高电压纳秒矩形波脉冲发生器

5.1.2电阻分压器

5.1.321路分路器

5.1.4整体径向传输线及其负载

5.2实验结果与讨论

5.2.1正常情形

5.2.2不同数目输入端口情形

5.2.3故障情形

5.3本章小结第6章结论参考文献在学期间发表的学术论文致谢Contents用于拍瓦级脉冲驱动源的整体径向传输线的研究

Contents

Chapter 1Introduction

1.1Background

1.2Review of Evaluation Methods of Intelligent Driving 

Systems

1.2.1Brief Introduction of Relevant Evaluation 

Methods

1.2.2Classification Analysis and Comparison

1.3Research Status of Intelligent Driving System Identification

1.3.1Key Parameters Estimation

1.3.2Control Logic Identification

1.4Research Status of Evaluation Index

1.4.1Evaluation Index about Intelligence

1.4.2Evaluation Index about Safety Benefit

1.5Research Topics in This Book

Chapter 2Research Framework of Safety Benefit Evaluation 

Methodology

2.1Design of Safety Benefit Evaluation Process

2.1.1Basic Data Source

2.1.2Monte Carlo Simulation

2.1.3Safety Benefit Calculation

2.2Involved Key Techniques

Chapter 3Intelligent Driving System Identification Method Based 

on Vehicle Operation Data

3.1The Goal of Intelligent Driving System Identification

3.2Key Parameters Estimation Based on Frequency Response 

Characteristics

3.2.1Tire Stiffness Estimation Based on Frequency 

Response of the Steering System

3.2.2Time Delay Coefficient Estimation Based on 

Frequency Response of the Driving System

3.2.3Vehicle Mass Estimation Based on Vehicle 

Longitudinal Frequency Response Characteristics

3.2.4Summary of This Section

3.3Control Logic Identification Based on Machine Learning

3.3.1Intrinsic Nature of Control Logic Identification

3.3.2Control Logic Identification Based on Neural 

Network

3.4Summary of This Chapter

Chapter 4Occupant Injury Risk Estimation Based on Accident Data

4.1Research Scheme of Occupant Injury Risk Estimation

4.2Feasibility Verification of Vehicle Deformation Depth as 

Occupant Injury Evaluation Index

4.2.1Verification Based on GIDAS Data

4.2.2Verification Based on NASSCDS Data

4.3Occupant Injury Risk Estimation Based on Vehicle 

Deformation Depth

4.3.1Injury Risk Model Based on Vehicle Deformation 

Depth

4.3.2Vehicle Deformation Depth Estimation Based 

on Crash Energy

4.3.3Occupant Injury Risk Calculation Using Crash 

Simulation Software

4.4Summary of This Chapter

Chapter 5Safety Benefit Evaluation Methodology of Intelligent 

Driving Systems Based on Multisource Data Mining

5.1Overall Requirements for Safety Benefit Evaluation Methods

5.2Framework of Safety Benefit Evaluation Method Based 

on MultiSource Data Mining

5.3Key Techniques of Building Traffic Model

5.3.1Random Leading Vehicle Model

5.3.2Random Following Vehicle Model

5.3.3Subject Vehicle Model

5.4Key Techniques of Simulation Process

5.4.1CarSimSimulink Simulation Module

5.4.2PC CrashRateEFFECT Simulation Module

5.5Key Techniques of Injury Risk Estimation Process

5.5.1Calculation Method of Average Occupant Risk Per 

Mileage

5.5.2Deformation Length Estimation Based on Vehicle 

Collision Position Coordinates

5.6Summary of This Chapter

Chapter 6Verification and Application of the Proposed Methods

6.1Verification of Intelligent Driving System Identification 

Methods

6.1.1Verification of Key Parameters Estimation Methods

6.1.2Verification of the Control Logic Identification 

Method

6.2Verification of the Occupant Injury Risk Estimation Method

6.2.1Regression Relation Between Injury Risk and ΔV

6.2.2Comparison of the Occupant Injury Risk 

Estimation Methods with Deformation Depth 

and ΔV

6.3Application of the Proposed Safety Benefit Evaluation 

Methodology

6.3.1Safety Benefit Evaluation Using Accident 

Reconstruction Database

6.3.2Safety Benefit Evaluation Based on Random 

Traffic Scenarios

6.4Summary of This Chapter

Chapter 7Conclusions