基于雪崩管的增強型MARX納秒脈沖源試驗研究與實現*

張亞東 梁步閣 何繼愛 張 鋒

(1.蘭州理工大學計算機與通信學院 蘭州 730050)(2.中南大學航空航天學院 長沙 410083)

基于雪崩管的增強型MARX納秒脈沖源試驗研究與實現*

張亞東1梁步閣2何繼愛1張 鋒2

(1.蘭州理工大學計算機與通信學院 蘭州 730050)(2.中南大學航空航天學院 長沙 410083)

基于雪崩三級管雪崩效應,對傳統(tǒng)MARX電路的機理進行深入研究,研制出了一種高重頻高穩(wěn)定度的增強型MARX納秒脈沖源,觸發(fā)重頻在100KHz以上,脈沖最高幅度可達400V以上,半幅脈寬2ns以內。并對改進后的電路進行了大量的參數實驗研究,分析了不同參數配置下產生的脈沖屬性,最終得出最優(yōu)的參數配置方式,可滿足超寬帶雷達發(fā)射機的設計需求。

納秒; 脈沖源; 增強型MARX; 高重頻; 參數實驗

Class Number TN784+.1

1 引言

在超寬帶沖擊雷達領域都是采用全固態(tài)脈沖源來設計雷達發(fā)射機,發(fā)射無載波的短脈沖信號,然后從回波信號中提取目標距離、速度、精細結構等信息。因此脈沖源的性能直接影響雷達探測的性能[1～3]?；谘┍廊龢O管的MARX全固態(tài)脈沖源具有穩(wěn)定度高、脈沖窄、上升時間短等優(yōu)點,一直廣受青睞,被用于各種超寬帶雷達發(fā)射機系統(tǒng)中,然而隨著科技的不斷發(fā)展,人們對于雷達探測精度和距離的要求也越來越苛刻,傳統(tǒng)的雪崩MARX脈沖源由于最高重頻上限只有30KHz左右,已經無法滿足高分辨率超寬帶雷達的性能要求,因而提高脈沖源的重頻上限尤為重要[4～7]。本文對傳統(tǒng)的雪崩MARX脈沖源電路進行了改進,使脈沖源的重頻上限達到160KHz以上,并進行了大量的實驗測試,分析實驗數據并得出結論,為不同的應用需求提供了基于實驗驗證的理論依據[8～12]。

2 增強型的雪崩MARX電路

如上文所述,傳統(tǒng)的MARX電路盡管有諸多優(yōu)點,但在一些高分辨率的探測雷達脈沖源的應用領域大多對脈沖的重頻上限和穩(wěn)定度都要求較為苛刻,這些指標直接影響雷達探測的精度和探測距離等。因此,為了適應高分辨率雷達的脈沖源的應用領域,本文對原有MARX電路做了調試改進,使之重頻上限和脈沖穩(wěn)定度都有了很大提升,最大重頻可達160KHz,并且波形抖動非常小。下面簡單分析電路過程：

圖 1為改進后的六級雪崩MARX電路示意圖,在觸發(fā)脈沖加入前,各個雪崩管也都是截止的,且都已處于臨界雪崩狀態(tài),在觸發(fā)脈沖加入后,傳統(tǒng)MARX電路是一級一級的觸發(fā),前級觸發(fā)后級,而此處是觸發(fā)脈沖同時觸發(fā)六個雪崩管,并且只要有一級管子被觸發(fā),就可以保證其他的管子都被觸發(fā),因此大大提高了雪崩管被觸發(fā)的成功率,而且各個管子的雪崩也并不按一定順序進行,這種現象相當于有一個雪崩加速的效果。對于級聯產生高壓窄脈沖也是非常有利的。

首先,觸發(fā)信號經上下兩路分別到變壓器上變壓器T1和T6,然后T1、T2、T3相互串聯,T4、T5、T6相互串聯,觸發(fā)新號就直接傳到了各個雪崩管上,觸發(fā)信號加入后各個雪崩管便同時觸發(fā)。

之后,各個雪崩管被觸發(fā)后,雪崩管之間的級間電容由于已經充滿電荷,而雪崩效應發(fā)生后,這里就和傳統(tǒng)的MARX電路類似,由于電容上所充電荷不能瞬間放電完畢將導致級間電容兩側的電勢差保持不變,從而導致各個級間電容的電勢相互累加,于是在上下兩路的末級C3和C4右側產生數倍Vcc的瞬間電勢。各級雪崩管雪崩后,由于電容C1～C7此時相當于串聯,并由C3上端對地、C4下端對地放電,所以此電勢將迅速凋落,從而形成快凋落的脈沖后沿。電路兩端均接入負載可以有效防止反射,以改善輸出脈沖波形,在R13、R14上分別獲得正、負脈沖。雙端輸出一個極窄的高幅度脈沖。

3 設計實例

基于雪崩管的高重頻高穩(wěn)定度增強型的全固態(tài)脈沖源采用的器件體積較小,結構設計緊湊,波形一致性和對稱性良好。在本設計實例中采用六級的改進的MARX雪崩電路,電源電壓300V,印制電路板(PCB)如圖2所示,PCB尺寸只有4cm*4cm,外觀精致小巧,簡潔大方。

4 納秒脈沖源參數實驗

本文對增強型的雪崩MARX脈沖產生電路進行參數實驗研究,主要對MRAX電路中的末級雪崩電容和級間儲能電容進行了大量的實驗分析和研究,文中提到的末級電容對應中的C3和C4,級間儲能電容為中的C1、C2、C5、C6和C7,其中規(guī)定C1、C5為第一級級間電容,C2、C6為第二級級間電容,C7為第三級級間電容,文中所有實驗數據中的脈沖幅度為脈沖峰值電壓,脈寬均為半幅脈沖寬度,表中每行數據均在波形圖中有相應編號的波形與之對應,后面將不再做以說明。

本文所有實驗均是在同一測試平臺上完成,實驗所用示波器型號為Aglient54845A,帶寬1.5GHz、采樣率為4GHz,觸發(fā)信號由Aglient 33500B信號發(fā)生器提供,用外置300V高壓電源為脈沖源提供偏置電壓,由于輸出脈沖幅度較高,為保護示波器實驗中輸出脈沖均通過60dB的衰減器后邊接入示波器,示波器調至50Ω檔進行測試。

4.1 末級電容參數對比

雪崩MARX脈沖產生電路的末級電容是調節(jié)輸出脈沖幅度和脈寬的關鍵器件,因此本文先對末級電容的參數做了多組對比實驗,以尋求最適合的參數配置。在本組實驗中,級間電容為51P,對末級電容51P、40P、30P、20P、10P分別在50KHz和100KHz的重頻下的脈沖輸出情況進行實驗驗證。具體實驗參數如表1所示,對應的波形如圖3所示。

表1 增強型雪崩MARX電路末級電容參數對比

4.2 調整級間電容

級間電容是雪崩MARX電路產生脈沖的儲能電容,儲能電容的容值大小從根本上決定輸出脈沖的幅度,因此級間儲能電容也是影響脈沖源性能的關鍵部分,本文在末級電容分別為51P和100P的給定條件下對級間電容的參數進行分情況討論并進行實驗對比。

4.2.1 級間電容等值

此處讓五個級間儲能電容等值,對級間電容容值分別為51P、100P、200P的情況下測試在50KHz和100KHz的重頻下的脈沖輸出情況,如表2所示。

表2 級間儲能電容等值脈沖輸出

4.2.2 級間電容不等值

此處讓五個級間儲能電容不等值,在末級電容分別為51P和100P的情況下,研究級間儲能電容非等值時的輸出脈沖的性能參數。具體參數配置如表3和表4所示,對應波形分別如圖5、圖6所示。

表3 調整中間電容發(fā)射性能參數統(tǒng)計(末級電容51pf)

第一級電容第二級電容第三級電容重頻KHz高壓偏置電流(A)幅值(v)脈寬(ns)波形編號200pf150pf100pf500.0093851.43.2.2_4-a1000.0223371.53.2.2_4-b200pf200pf100pf500.0104011.753.2.2_4-c1000.0223521.813.2.2_4-d300pf200pf100pf500.0114071.753.2.2_4-e1000.0223571.843.2.2_4-f

5 實驗分析及結論

本文在前面對增強型的雪崩MARX脈沖產生電路所做的大量實驗進行簡單描述,下面對實驗情況進行簡要的分析及總結。

5.1 實驗分析

在末級電容參數實驗中,從表1各組數據對比可以看出,相同重頻下,末級電容越小,脈沖寬度越窄、脈沖幅度越高；末級電容相同時,50KHz重頻下脈沖幅度比100KHz重頻要大,而脈寬要稍窄一點；50KHz重頻下脈沖源功耗1W左右,100KHz重頻時脈沖源功耗2.5W左右。

級間儲能電容的參數實驗中,表2是在級間電容相互等值的情況下對不同的電容參數進行了分組實驗,從表中的數據可以明顯地看出,級間儲能電容容值越大,相應的電容充電時間也就越長,放電時間研究越長,從而脈沖幅度也就越高,同時脈寬也越寬,并且隨著儲能電容容值加大,脈沖源的功耗也隨之加大。表3是在級間電容相互不等值并且末級電容51P的情況下,進行的參數分組實驗,從表中數據可以看出當級間儲能電容總的容值加大后,脈沖幅度加大了,脈寬卻變小了,這說明級間電容不等值時脈沖呈階梯式的銳化,對提高脈沖的傳輸效率是很有效的；表4中繼續(xù)驗證在末級電容為100P時,級間電容不等值的情況下脈沖的輸出狀況,從表中數據可看出與表3中的數據對比末級電容為100P時脈沖寬度明顯展寬,且脈沖幅度更高了,同時數據也表明在不等值的情況下繼續(xù)階梯式的加大儲能電容總的容值,脈沖幅度繼續(xù)加大,脈寬也隨之變寬,本文在級間電容300P,200P,100P,末級1000P,重頻50KHz的參數配置下所測脈沖幅度已達到407V。

5.2 實驗結論

本文在對大量實驗數據進行深入分析后得出以下結論(結論只針對本文所設計的增強型MARX脈沖源電路)：

1) 末級電容調節(jié)脈沖輸出寬度和幅度,一定范圍內,末級電容越小,脈寬越窄,幅度越高,但是末級電容與級間電容相差過多會導致輸出脈沖震蕩較大；

2) 級間電容相互等值的情況下,儲能電容越大,輸出脈沖脈寬越寬,幅度越大,功耗也越高；

3) 級間電容不等值的情況下,階梯式的參數配置能夠很明顯地提升脈沖傳輸效率,改善輸出脈沖的波形參數；

4) 增強型MARX脈沖源電路最高重頻能達到160KHz,實驗中均是在重頻50KHz和100KHz的觸發(fā)下分別進行的,兩種重頻模式下,50KHz的重頻觸發(fā)產生的脈沖性能要優(yōu)于100KHz重頻產生的脈沖,50KHz重頻產生的脈沖幅度更高,脈寬更窄,波形穩(wěn)定度也更好。

6 結語

本文對原有的MARX脈沖源產生電路進行了改進設計,使其觸發(fā)重頻上限大幅提升,波形穩(wěn)定度也有很大的改善,并制作出脈沖源電路PCB板,對理論設計進行了驗證,并在所設計的PCB實物上進行了大量的參數實驗,分析了本電路設計在各種不同的參數配置下脈沖輸出的各項指標及影響因素,對今后相關電路設計及實驗研究有一定的參考和指導意義。本文所設計的增強型MARX脈沖源PCB板也已經成功應用于超寬帶雷達發(fā)射機系統(tǒng)當中。

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Experimental Research and Realization of An Improved MARX Nanosecond Pulser Based on Avalanche Transistor

ZHANG Yadong1LIANG Buge2HE Jiai1ZHANG Feng2

(1. School of Computer and Communication, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050)(2. School of Aeronautics and Astronauties, Central South University, Changsha 410083)

Based on the avalanche effect, and a research on the mechanism of traditional MARX circuit is made, then a kind of improved MARX nanosecond pulsers with high-repetition frequency and high stability has been designed, the trigger frequency is above 100KHZ, and the pulse amplitude is over 400V, and the pulse width is less than 2ns. Then a lot of experimental researches on improved MARX circuit are made, pulse properties in different cases of parameter configuration are analyzed, finally, the optimal parameter configuration mode is obtained, and can fully meet the design requirements of ultra-wide band radar transmitter.

nanosecond, pulser, improved MARX, high-repetition frequency, parameter experiment

2016年10月7日,

2016年11月25日

國家自然科學基金項目(編號:61561031)；湖南省自然科學基金項目(編號:14JJ3024)資助。

張亞東,男,碩士研究生,研究方向：信號處理,超寬帶輻射、散射理論與技術,雷達探測技術。梁步閣,男,博士后,副教授,研究方向：超寬帶雷達理論與工程、武器裝備電磁性能自動化測試平臺集成技術。何繼愛,男,副教授,研究方向：信號處理,通信信號調制識別,盲信號分離。張鋒,男,碩士研究生,研究方向：超寬帶輻射、散射理論與技術,雷達探測技術。

TN784+.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.026