1 kV/800 kHz亞納秒脈沖發(fā)生器設計*

石小燕**,梁勤金,鄭強林

(中國工程物理研究院 應用電子學研究所 高功率微波技術(shù)重點實驗室，四川 綿陽621900)

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1 kV/800 kHz亞納秒脈沖發(fā)生器設計*

石小燕**,梁勤金,鄭強林

(中國工程物理研究院 應用電子學研究所 高功率微波技術(shù)重點實驗室，四川 綿陽621900)

提出了以雪崩管作為主開關(guān)利用Marx線路來產(chǎn)生高重頻高壓窄脈沖的方法。分析了雪崩管電路特性，提出了Marx線路下高重頻運行時器件的設計要求及印制電路板(PCB)布線設計建議。研制了一臺高重頻高壓亞納秒脈沖源發(fā)生器裝置，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，在50 Ω負載系統(tǒng)下，能輸出幅度為1 kV、重復頻率為800 kHz、脈寬為500 ps的脈沖。在常溫風冷下，該設備可長時間穩(wěn)定運行。

亞納秒脈沖發(fā)生器；高重頻；高壓窄脈沖；Marx線路；雪崩管

1　引　言

近年來，隨著脈沖源的發(fā)展，其應用范圍逐漸擴展(譬如快速移動目標的測速測距要求、組網(wǎng)雷達干擾、高平均功率準分子激光、感應式回旋加速器等)，脈沖重復周期的重要性日益顯現(xiàn)。脈沖的重復周期通常決定系統(tǒng)的工作速率和效益，因此，高重復頻率脈沖功率的產(chǎn)生已成為脈沖功率技術(shù)領域里的一個重要課題。

高重復頻率脈沖源的主要特點是工作次數(shù)多和脈沖間隔時間短。一般可以通過各類開關(guān)器件和儲能元件構(gòu)成的脈沖電路產(chǎn)生，作為產(chǎn)生高重頻的超寬帶脈沖所用的開關(guān)只能是半導體開關(guān)?？v觀各類開關(guān)，能直接產(chǎn)生上百kHz高壓納秒脈沖的開關(guān)器件只有幾種，即金屬氧化物半導體場效應管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)、絕緣柵型雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、雪崩管、俄羅斯研制的以快速離子化開關(guān)(Fast Ionization Dynistors,FID)和漂移階躍恢復二極管(Drift Step Recovery Diode，DSRD)為代表的離子類開關(guān)，以及磁開關(guān)等。其中，磁開關(guān)前沿及脈寬都在數(shù)十ns以上，重頻也限制在幾十kHz以下；MOSFET類的脈沖發(fā)生器電路，其脈沖重頻可達MHz[1-2]，但脈沖波形較寬在數(shù)十至數(shù)百ns，且電路比較復雜，多管工作時，每管需要單獨驅(qū)動電路；FID類的脈沖發(fā)生器，其重頻可達MHz，脈沖寬度在幾百ps至上百ns，前沿在幾百ps至幾ns，該類電路驅(qū)動要求較高，要求具有快速前沿的高壓脈沖[3-5]，但該產(chǎn)品為實驗室產(chǎn)品，雖有脈沖源設備研制，但無該開關(guān)器件上市?；谝陨显?，本文提出了一種線路簡潔、驅(qū)動簡單、以雪崩管器件為開關(guān)的高重頻脈沖發(fā)生器電路設計，研制了高重復頻率脈沖源的實驗裝置，可輸出800 kHz重復頻率、幅度1 kV以上、脈寬為幾百ps的超寬帶脈沖。

2　雪崩管電路分析

圖1中Rc可以近似地看為雪崩三級管的靜態(tài)負載電阻。雪崩管工作時，VCC首先給雪崩管加壓至Vcex，Vcex電壓一般接近集電極擊穿電壓，此時雪崩三級管處于截止狀態(tài)。根據(jù)圖1可以寫出雪崩晶體管電路的方程為

(1)

式中：i為通過雪崩三級管的總電流；IA為流過負載的雪崩電流；iR為通過靜態(tài)負載電阻Rc的電流；C2為雪崩電容；UC(0)為電容C初始電壓；RL為輸出動態(tài)負載電阻；Rc為集電極電阻；τ為雪崩時間。

圖1雪崩管基本電路

Fig.1 Basic avalanche transistor circuit

從式(1)可以求解出在雪崩過程中動態(tài)負載線的方程式為

(2)

因雪崩電路中，Rc遠大于RL，因此雪崩電流IA比靜態(tài)電流iR大得多，于是式(2)可以簡化成

(3)

雪崩管工作時，首先給雪崩管加壓至接近集電極擊穿電壓VCC，但是此時集電極電流iR小于晶體管發(fā)生雪崩的維持電流IH。此時，若給基-射結(jié)一個正向觸發(fā)脈沖，將促使集電極電流大于IH，與此同時，雪崩管發(fā)生雪崩效應，管中的電流以極快的速度增加，集電極電壓迅速下降，下降速度在納秒甚至亞納秒級別，由于電容電壓不能突變，因此，在負載上得到一個前沿為納秒級別的電壓跳變，其下降規(guī)律按動態(tài)負載線運行，如圖2所示。晶體管發(fā)生雪崩效應，IC電流以極快的速度增加，集電極電壓下降至暫穩(wěn)態(tài)B點，接著電容C通過RL和晶體管放電，工作點沿BC變化直到維持雪崩狀態(tài)電流的不足。隨后，晶體管截止，工作點降至D點;電容C再次充電，工作點在動態(tài)曲線上移動，這就完成了一個工作周期。

圖2雪崩管工作曲線

Fig.2 Avalanche transistor′s operation process

3　高重頻脈沖源電路設計

一般來說，具有較低擊穿電壓的晶體管具有更快的雪崩上升時間和較高的脈沖重復周期，但所獲得的脈沖幅度較低。因此，為了獲得足夠高的脈沖電壓，需要使用電壓倍增線路。此處采用Marx發(fā)生器作為電壓倍增線路。其線路示意圖見圖3。工作時，儲能電容器C1～Cn先并聯(lián)充電，然后通過雪崩開關(guān)Q1～Qn串聯(lián)放電，從而使電壓倍增來獲得更高的脈沖電壓輸出。理想情況下，在負載RL上可獲得nVcc的脈沖幅度。實際情況下，由于雪崩管、儲能電容及充電回路的損耗，負載上獲得的脈沖幅度都低于nVcc。

圖3Marx發(fā)生器示意圖

Fig.3 Circuit diagram of the Marx generator

在高重頻下運行的Marx電路必須考慮兩個問題，即雪崩管的損耗問題和儲能電容的充電問題。

在脈沖作用下，單個雪崩管的損耗依據(jù)以下公式計算[6]：

式中：Cn、Vno、f分別表示為第n極(n=1，2，3…)的儲能電容、輸出電壓、雪崩管觸發(fā)重復頻率。

在電路發(fā)生雪崩過程中，瞬時功率很高，可達千瓦級，可是因為雪崩時間很小，所以單次觸發(fā)雪崩電路的平均功耗不大。當開關(guān)工作在高重頻下，開關(guān)損耗急劇增加。對于單個器件來說，高重頻下不足以承當如此大的功耗，因此每級需要多個器件并聯(lián)，在圖3中體現(xiàn)為單個開關(guān)變成多個開關(guān)的并聯(lián)。由于雪崩器件的差異，并聯(lián)時要考慮各管的均流問題。

高重頻下電容的充電時間τ=1/f≈3(Rc+Re)·C。要獲得高重頻納秒脈沖，電容C要求足夠小，但是脈沖的幅度受電容C值的影響，在一定范圍內(nèi)，C值越大脈沖幅值越大。平衡兩者關(guān)系，一般取C值在100 pF以下。在高重頻下，Rc、Re值最大值只能取幾kΩ。由于放電脈沖具有大量的高頻信號，為了減小消耗在充電回路上的能量損耗，充電電容C應選低損耗高頻電容，Rc、Re應選擇大功率微波電阻。

此外，高重頻脈沖發(fā)生器的PCB結(jié)構(gòu)也是非常重要的設計。除了考慮微帶線的功率容量，在PCB設計中最主要的因素是微帶線的阻抗設計，整個Marx線路阻抗從第一級開始呈現(xiàn)遞增，直至與輸出阻抗匹配。微帶線的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)微帶線阻抗公式計算[7]，由于微帶線輻射損耗較大，設計應遵循盡可能保證電路器件參數(shù)的情況下，盡量減小脈沖電流通過路線的PCB覆銅面積。

4　實驗裝置

根據(jù)高重頻脈沖源設計準則，我們設計了一臺高重頻納秒脈沖源發(fā)生器實驗裝置。該裝置采用24級Marx電路。PCB采用低損耗雙面覆銅印制板，印制板固定在散熱器上，設備通過風冷散熱。采用鋰電池供電，質(zhì)量約7 kg。設備尺寸約為330 mm×250 mm×120 mm。圖4為高重頻納秒脈沖源裝置外形圖，該裝置包括一個觸發(fā)按鈕、設備電源開關(guān)和脈沖輸出端口。該設備可產(chǎn)生800 kHz、1 kV以上、脈沖半高寬500 ps超寬帶脈沖。該裝置在800 kHz時，連續(xù)運行30 min無故障。圖5為裝置輸出脈沖波形圖。

圖4高重頻納秒脈沖源實驗裝置

Fig.4 Experimental setup of high repeat frequency narrow pulser

(a)重復頻率的電壓輸出波形

(b)電壓輸出波形

圖5實驗裝置輸出脈沖波形

Fig.5 Output waveforms from the experimental setup

5　結(jié)　論

高重頻高壓納秒脈沖的產(chǎn)生需要高壓快開關(guān)。本項目采用目前的商業(yè)產(chǎn)品雪崩管與Marx電路結(jié)合產(chǎn)生高重頻高壓納秒脈沖。根據(jù)高重頻特性對Marx線路進行了分析改進，給出了Marx線路的器件及PCB設計建議，并在此基礎上研制了一臺Marx脈沖發(fā)生器實驗裝置。該裝置在風冷情況下，可以產(chǎn)生重復頻率為800 kHz、脈沖幅度大于1 kV、脈沖半高寬約500 ps的脈沖輸出。該裝置經(jīng)驗證，在800 kHz重復頻率時能穩(wěn)定可靠地運行。該裝置小巧輕便，可適用于多種應用場合。

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GU Qizheng,XIANG Jiazheng,YUAN Xiaokang. Microwave integrated circuit design[M].Beijing:People’s Posts and Telecommunications Press,1978.(in Chinese)

石小燕(1971—)，女，四川雙流人，1996年于四川大學獲學士學位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事脈沖功率產(chǎn)生及應用研究；

SHI Xiaoyan was born in Shuangliu,Sichuan Province,in 1971.She received the B.S. degree from Sichuan University in 1996.She is now a senior engineer. Her research concerns pulse generating and application.

Email:0001sxy@sina.com

梁勤金(1963—)，男，四川蓬溪人，1986年于山東大學獲學士學位，現(xiàn)為研究員，主要從事高功率微波產(chǎn)生及應用研究；

LIANG Qinjn was born in Pengxi,Sichuan Province,in 1963.He received the B.S. degree from Shandong University in 1986.He is now a senior engineer of professor. His research concerns high power microwave generating and application.

Email:liang2489623@163.com

鄭強林(1983—)，男，四川廣元人，2013年于電子科技大學獲碩士學位，現(xiàn)為助理研究員，主要從事微波源設計及高功率微波源應用研究；

ZHENG Qianglin was born in Guangyuan,Sichuan Province,in 1983.He received the M.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2013.He is now an assistant researcher. His research concerns microwave source design and high power microwave generating and application.

潘文武(1975—)，男，四川蓬溪人，2002年于燕山大學獲碩士學位，現(xiàn)為研究員，主要從事機械結(jié)構(gòu)設計及各種力學結(jié)構(gòu)分析。

PAN Wenwu was born in Pengxi,Sichuan Province,in 1975.He received the M.S. degree from Yanshan University in 2002.He is now a senior engineer of professor. His research concerns machine structure design and mixed mechanical analysis.

Email:2527322@qq.com

Design of a 1 kV/800 kHz Sub-nanosecond Pulse Generator

SHI Xiaoyan，LIANG Qinjin，ZHENG Qianglin

(Science and Technology on High Power Microwave Laboratory,Institute of Applied Electronics,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900，China)

The method for generating high repeat frequency high voltage narrow pulse is proposed,in which a Marx circuit is used with an avalanche transistor as the main switcher.By analyzing the characteristic of avalanche transistor,the component design requirements and printed circuit board(PCB) wiring advice are given when Marx circuit operates with high repeat frequency.A high repeat frequency high voltage narrow pulse generator is developed. The generator can produce the pulse with repeat frequency rate(PRF) 800 kHz,pulse duration(FWHM)500 ps,amplitude 1 kV on 50 Ω. The device can steadily operate longtime under the environment of normal temperature and air cool.

sub-nanosecond pulse generator;high repeat frequency；high voltage narrow pulse；Marx circuit；avalanche transistor

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.018

2016-02-24；

2016-06-30Received date:2016-02-24；Revised date：2016-06-30

中國工程物理研究院科學技術(shù)發(fā)展基金資助項目(2013AA0402021)Foundation Item:Science and Technology Development Project for China Academy of Engineering Physics(2013AA0402021)

TN302;TM832

A

1001-893X(2016)09-1049-04

引用格式：石小燕,梁勤金,鄭強林.1 kV/800 kHz亞納秒脈沖發(fā)生器設計[J].電訊技術(shù)，2016,56(9):1049-1052.[SHI Xiaoyan，LIANG Qinjin，ZHENG Qianglin.Design of a 1 kV/800 kHz sub-nanosecond pulse generator[J].Telecommunication Engineering,2016,56(9):1049-1052.]

**通信作者：0001sxy@sina.comCorresponding author：0001sxy@sina.com