基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的高压纳秒脉冲发生器

米 彦 张晏源，2 储贻道 姚陈果 李成祥

(1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆 400044 2.国网重庆市电力公司长寿供电分公司 重庆 401220)



基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的高压纳秒脉冲发生器

米 彦1张晏源1，2储贻道1姚陈果1李成祥1

(1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆 400044 2.国网重庆市电力公司长寿供电分公司 重庆 401220)

为制作生物医学用小型化、紧凑型ns脉冲发生器，结合非平衡Blumlein型多层微带传输线和固态开关技术，研制了一台基于非平衡Blumlein型传输线的全固态高压纳秒脉冲发生器。通过波传播过程分析非平衡Blumlein型多层微带传输线方波形成原理；介绍了相关固态开关的控制时序及其“截波” 策略，以此实现50～100 ns的方波脉冲脉宽可调；阐释了非平衡Blumlein型多层微带传输线系统的负载阻抗可变的相关原理；并研制了一台小型纳秒脉冲发生器以进行相关性能测试。最终，在50 Ω负载下的纳秒脉冲电压参数：幅值0～2 kV可调、脉宽50～100 ns可调、重复频率0～1 kHz可调，上升时间约20 ns；此外，测试了500 Ω负载下输出的纳秒脉冲电压幅值约为充电电压的2倍。

纳秒脉冲发生器 非平衡Blumlein型传输线 多层微带传输线 固态开关

0 引言

脉冲电场对细胞结构和功能的影响以及对生物体的治疗作用逐渐成为生物电磁技术领域的研究热点。目前，纳秒脉冲电场以其独特的细胞内电处理效应及其诱导凋亡的重要特征引起人们极大的关注[1-5]。因此，研制产生生物医学用纳秒脉冲电场的高压纳秒脉冲发生器显得尤为重要。

国内外研究者提出了许多纳秒脉冲发生器制作方法，其原理主要分为基于电容放电和传输线理论[6]两种，其中基于传输线理论的纳秒脉冲发生器通过传输线中的波过程在匹配负载上产生方波脉冲，原理简单、易于操作，因而成为生物医学用高压纳秒脉冲发生器主要采用形式之一。比如：美国加州大学的M.Behrend等[7]以火花间隙为开关，研制出两种基于传输线理论的纳秒脉冲发生器。一种采用4根50 Ω的同轴电缆并联组成波阻抗为12 Ω的传输线，结合火花间隙开关组成基于单传输线理论(输出方波幅值为充电电压的1/2)的纳秒脉冲发生器，在12 Ω匹配负载上输出方波脉冲幅值1～4 kV可调，脉宽由同轴线长度决定。另一种纳秒脉冲发生器则采用水(相对介电常数εr=81)和乙二醇(εr=37)的混合物作为带状Blumlein传输线(输出方波幅值等于充电电压)介质，与火花间隙开关组成Blumlein型传输线纳秒脉冲发生器，在10 Ω匹配负载上输出方波幅值可达10 kV，通过改变介质的电导率改变波传播速度，从而调节脉冲宽度。J.F.Kolb等[8]以两层0.5 mm厚的特富龙作为介质制成阻抗为10 Ω的Blumlein形成线，与1 mm间距并充有SF6压缩气体的火花间隙开关组成纳秒脉冲发生器，对电极池中大量细胞进行处理，通过改变SF6气压调节开关的击穿电压，从而调节负载电极池两端脉冲幅值，该脉冲发生器可产生最大幅值40 kV、脉宽10 ns、上升时间1 ns的负极性方波脉冲。上述基于传统脉冲形成线形式的纳秒脉冲发生器采用火花间隙开关作为系统主开关，导致系统重复频率普遍较低、分散性大、不利于精确控制；此外，采用同轴线(或自制脉冲线)导致脉冲宽度需要改变同轴线长度(或介质电导率)方式，则存在系统体积庞大、操作较为繁琐问题，不利于系统的小型化和紧凑型需求。

为适应生物医学实验中对纳秒脉冲发生器小型化、紧凑型要求，需要引入更为合理且实用的脉冲线形式。近来，通信行业中常用的微带传输线[9]被引入脉冲功率技术，许多研究者对其在生物医学中的应用进行了研究。如：S.Romeo等[10]设计的Blumlein型微带传输线结构输出脉冲幅值达到1 kV，分别研制了10 Ω匹配电转杯负载专用10 ns脉宽、50 Ω匹配电转杯负载专用20 ns脉宽、133 Ω匹配电转杯负载专用60 ns脉宽的一系列纳秒脉冲发生器，可用于生物医学应用。该装置实现了纳秒脉冲发生器紧凑型、便携式设计，虽然使用了HTS高性能开关，但其输出波形与传统纳秒脉冲发生器相比并不理想。此外，其输出纳秒脉冲幅值较低，难以满足生物医疗中对于高幅值脉冲输出的要求。C.Merla[11]等利用微带传输线技术及光导开关研制了纳秒脉冲发生器，采用全波时域有限差分(FDTD)方法和电路模型仿真对构建的发生器模型进行了评估，在匹配负载上输出脉冲幅值达到2.25 kV(正极性)和±2.25 kV(双极性)，可用于生物医学领域相关试验，其缺点是光导开关价格昂贵、使用寿命短且触发较为复杂。米彦等[12]基于微带传输线和固态开关串联技术研制的高压纳秒发生器对电极间距为1 mm的10 Ω匹配电转杯输出方波脉冲参数：脉冲幅值0～2 kV，脉宽100 ns，重复频率0～1 kHz。总结上述微带传输线型纳秒脉冲发生器研究现状可知，并未完全利用微带传输线的PCB板结构的优势，进一步利用多层PCB板层叠构造能够产生更宽纳秒脉宽的微带传输线且尽量减少微带传输线面积；此外，微带传输线型纳秒脉冲发生器与传统脉冲形成线系统相似，仍需微带传输线阻抗与负载阻抗匹配，因此，对于生物细胞试验中电转杯[10]10 Ω、20 Ω、50 Ω、133 Ω阻抗以及动物组织试验中上百欧姆阻抗而言，则需要各自匹配一套微带传输线系统，加大了工作量以及经济成本，在一定程度上影响了基于传输线理论的纳秒脉冲发生器在生物医学领域的应用。

本文作者结合非平衡Blumlein型多层微带传输线和固态开关技术，研制了基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的纳秒脉冲发生器。利用4层PCB微带传输线结构实现较小面积下的微带传输线设计，因此结构紧凑、占用体积小。该发生器输出纳秒脉冲的幅值、脉宽、重复频率、负载阻抗在一定范围内可调。满足生物医学试验中对于系统小型化、紧凑型要求的同时，多个参数可调，极大扩展了基于传输线理论的纳秒脉冲发生器在生物医学领域的应用范围。

1 基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的全固态纳秒脉冲发生器原理

1.1 系统原理框图

定义1：传统的Blumlein型传输线要求两根传输线的特性阻抗完全相同(即Z1=Z2)；本文中微带传输线MSL-1(特性阻抗Z1=30 Ω)和MSL-2(特性阻抗Z2=20 Ω)阻抗并不相同，即Z1≠Z2，因此，本文称之为非平衡Blumlein型微带传输线。

基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的纳秒脉冲发生器系统框图如图1所示。图中DC为高压直流电源；R1为限流电阻；微带传输线MSL-1(特性阻抗Z1=30 Ω)和MSL-2(特性阻抗Z2=20 Ω)构成非平衡Blumlein型微带传输线(即Z1≠Z2)；R2为负载电阻(此处以50 Ω为例，实际其范围为几十～几百欧姆可变，后续将说明)；S1和S2为N沟道增强型MOSFET串联组，由控制电路产生的方波脉冲信号控制其开通/关断。

图1 基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的纳秒脉冲发生器系统框图Fig.1 System diagram of nanosecond pulse generator based on unbalanced Blumlein type multilayered microstrip line

1.2 非平衡Blumlein型多层微带传输线系统方波产生原理

与传统的Blumlein型多层传输线系统中传输线特性阻抗Z1=Z2不同，本文所述的非平衡Blumlein型微带传输线系统中Z1>Z2，其优点是：①利用微带传输线阻抗可以调整的特点，而普通同轴线阻抗一般为50 Ω、75 Ω或100 Ω，如果特制某种特性阻抗(如30 Ω 和20 Ω)的同轴线其造价将会非常昂贵；②如图1所示电气接线图中Z1>Z2情况下，当开关S1闭合瞬间，将会产生入射电压波U入1=-U0向MSL-1右端传播，以保证左端电压为零，并伴随着入射电流波

i入1=-U0/Z1

(1)

式中，U0为直流电源充电电压；Z1为微带传输线MSL-1特性阻抗。

由式(1)可知，充电电压U0一定的情况下，Z1越大则流过开关S1的脉冲电流i入1越小。如4 kV直流充电电压情况下，非平衡与平衡时的脉冲电流i入1为

i入1=4 kV/30 Ω=133.3 A<4 kV/25 Ω=160 A

(2)

由式(2)可知，Z1>Z2的情况下有助于减小开关S1开通过程中所流过的脉冲电流值，即在较高直流充电电压情况下减少MOSFET并联数目，以更简单、经济的方式获取脉冲方波输出。

1.2.1 非平衡Blumlein型多层微带传输线系统波过程分析

平衡型Blumlein型传输线情况下，一般只需一个开关S1(即不需要图1中虚线所示的开关S2)即可实现负载R2两端输出方波脉冲。这里先假设只使用单个开关S1(即S2将一直处于关断状态)来分析非平衡Blumlein型微带传输线(R2=Z1+Z2=50 Ω)系统中MSL-1和MSL-2的电压波传播过程。具体分析如图1所示(S1导通时刻计为0时刻)。

图2 非平衡Blumlein型微带传输线系统波过程分析Fig.2 Wave propagation analysis of unbalanced Blumlein type multilayered microstrip line

1)t=0时，非平衡Blumlein型多层微带传输线系统中MSL-1和MSL-2的分布电容均已充满电荷，即各自导体带相对于接地铜板的电势为U0，此时开关S1导通。

2)0

3)τ

4)2τ

5)3τ

图3 R2= Z1+Z2情况下，R2两端电压波形Fig.3 Voltage waveform of R2，under the condition that R2=Z1+Z2

1.2.2 非平衡Blumlein型微带传输线情况下的“截波”策略

最终非平衡Blumlein型微带传输线(R2=Z1+Z2=30+20=50 Ω)情况下，仅使用单个开关S1时负载R2两端电压波形如图3所示。可以看到，主脉冲过后还有部分尾脉冲，这是需要消除的部分。考虑引入图1中所示的开关S2在主脉冲结束时刻(即图3中3τ时刻)导通，从而将负载R2短路，原R2主脉冲结束后的尾脉冲将不会经过R2，最终R2两端输出方波脉冲而不会出现尾脉冲。进一步，当开关S2在主脉冲峰值持续时段τ～2τ内导通将会形成不同脉宽的方波脉冲，即通过“截波”改变方波脉冲宽度。

此外，由于引入开关S2对与其并联的负载R2进行短路“截波”处理，因此系统对R2阻值大小已不再敏感，如果引入的负载R2≫Z1+Z2，则R2两端电压波形峰值将会达到充电电压U0的2倍，其相关波形[13，14]及“截波”策略如图4所示，其中k=(R2-Z1-Z2)/(R2+Z1+Z2)。图4中虚线为方波脉冲下降沿，其可随Δt变小而向左移动，从而在一定范围内减小方波脉冲脉宽；也可随Δt变大而在一定范围内扩展方波脉冲脉宽，即实现Blumlein型传输线的负载阻抗可调、脉宽可调，极大地扩展了其使用范围。

图4 R2≫Z1+Z2情况下，R2两端电压波形Fig.4 Voltage waveform of R2，under the condition that R2≫Z1+ Z2

1.2.3 固态开关S1、S2控制时序

为实现开关S1、S2的协同作用，固态开关S1、S2控制时序如图5所示。以开关S1导通时刻计为0时刻，S2于τ+Δt时刻导通(τ为电磁波从MSL-1(或者MSL-2)左端传至右端所需时间，Δt为所需方波脉冲宽度)，控制Δt即可实现一定范围内改变非平衡Blumlein型多层微带传输线的负载R2两端方波脉冲宽度。其主要原理为通过开关S1在负载R2两端形成类方波(R2=Z1+Z2情况下的“阶梯波”以及R2≫Z1+Z2情况下的“凹凸波”)，然后延时τ+Δt时间后导通与负载R2并联的开关S2实现对R2短路“截波”。这样，可随着Δt变小在一定范围内减小方波脉冲脉宽，也可随着Δt变大而在一定范围内扩展方波脉冲脉宽。

图5 开关控制时序及负载波形Fig.5 Timing consequence of swatches and waveform of R2

1.3 非平衡Blumlein型多层微带传输线要求及固态开关性能要求

本文涉及的非平衡Blumlein型多层微带传输线相较于传统的脉冲传输线其优势在于：①借鉴多层电路板方式，采用4层结构使非平衡Blumlein型微带传输线PCB结构面积更小、系统便捷性增强；②相对于同轴线阻抗50 Ω、75 Ω或100 Ω等固定值不同，微带传输线阻抗Z0可在几欧姆到上百欧姆之间连续变化，因此对不同负载阻抗的调节性强；③微带传输线为4层PCB结构，制作成本低，经济性好。此外，应合理设计以保证非平衡Blumlein型4层PCB板电场分布均匀，避免出现局部电场畸变引起沿面闪络等情况。

而对于100 ns脉宽以至更短脉宽而言，其上升时间需控制在20～30 ns以保证其波形为方波。为此，固态开关的选取相当重要，应选择上升时间小于20 ns，且耐受电压较高、通流能力较强的的固态开关器件。

2 基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的全固态纳秒脉冲发生器的实现

前述章节介绍了基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的全固态纳秒脉冲发生器相关原理，本节将详细分析系统各部分的设计方法及器件选型等。

2.1 高压直流电源

为满足实际需求，选用天津东文高压电源厂生产的DW-P402-60ACCD高压直流电源，该电源输出直流电压0～4 kV，输出电流0～60 mA，最大输出功率240 W，具有短路、过载保护功能。

2.2 微带传输线设计

微带传输线结构及其主要尺寸如图6所示。微带传输线是一种典型的平面传输线，由导带、介质基片、接地板组成，在0～4 GHz频率范围内其传输模式可看作准静态TEM模式[15]。

图6 微带传输线的结构图Fig.6 Structure of microstrip line

微带传输线设计中，有两个参数极其重要：①特性阻抗Z0；②电长度(即电磁波在微带传输线中传播所需时间)τ/2，其中τ为Blumlein型微带传输线所形成方波的脉宽。

微带传输线特性阻抗近似求解公式[9](在0.05

(3)

其中，等效介电常数

(4)

式中，w为微带传输线导体带宽度，mm；h为介质基板厚度；εr为介质基板相对介电常数。

式(3)、式(4)给出了已知微带传输线的物理尺寸，可求得其特性阻抗Z0。但一般需要得到特性阻抗Z0的微带传输线，因此需根据Z0求得微带传输线物理尺寸w/h，其计算公式为

(5)

其中

(6)

(7)

(8)

此外，微带传输线相速度

(9)

则可得微带传输线导体带长度L为

(10)

式中，c为光速，为3×108m/s；Z0为微带传输线特性阻抗，Ω；τ/2为电磁波通过单根微带传输线所需时间，s；L为微带传输线导体带长度，m。

由前述章节可知，图1中微带传输线MSL-1和MSL-2特性阻抗分别为：Z1=30 Ω，Z2=20 Ω。选定阻抗板生产厂家常用的FR4作为介质基板材料(相对介电常数εr=4.4)，另外选定介质芯板厚度h=1.06 mm；最后根据式(5)～式(10)可得微带传输线MSL-1和MSL-2导体带宽度w。各尺寸如表1所示。

表1 微带传输线参数表Tab.1 Parameters of microstrip transmission line

由表1可知微带传输线导体带长度L1=7.87 m、L2=7.69 m，为在尽量小的面积内制作非平衡Blumlein型微带传输线，采取如下措施：①借鉴多层PCB电路结构，采用4层板结构，设计对称化的多层微带传输线，顶层和底层为导体带所在层，且各自导体带长度均为L1/2(或L2/2)，然后，采用过孔将顶、底层串接起来；则导体带长度将达到L1(或L2)，此外，第2、3层为铜板，也采用过孔连接形成接地层；即相当于将两根微带传输线串接起来，形成空间上的层叠结构，如图7所示。②蜿蜒或曲线布置顶层、底层的铜导带，以在最小的面积内容纳更多的导体带，如图8所示。

图7 4层板结构微带传输线示意图Fig.7 Schematic diagram of four layer structure of microstrip transmission line

图8 4层PCB结构非平衡Blumlein型微带传输线俯视图Fig.8 Top view of the unbalanced microstrip transmission line made from 4 layers PCB

图8为4层结构的非平衡Blumlein型微带传输线俯视图(仰视图与俯视图平面相同)。以中间无导体带区域为界，左、右两侧分别为30 Ω、20 Ω阻抗微带传输线，构成非平衡Blumlein型多层微带传输线；另外周围的一圈过孔将图7所示的第2、3层接地铜板连接起来，形成共同接地层。由图8可知，顶层和底层内布置的铜导带之间有一定间距，主要用于防止PCB铜导带间电场强度畸变而导致的沿面放电。本文选定顶层和底层铜导带之间的间距为d左=10 mm，d右=15 mm。最终，结合铜导带之间的间距d与传输线导体带长度L1=7.87 m、L2=7.69 m制作得到的非平衡Blumlein型4层微带传输线尺寸为400 mm×400 mm×2.6 mm。

2.3 固态开关设计

为获得纳秒级脉宽的方波脉冲，开关是其关键环节。图9为控制电路、驱动电路、固态开关间流程图。大体流程为：首先由控制电路产生TTL控制信号，通过光纤(隔离控制电路与驱动电路，避免驱动电路的高压侵入低压控制电路)传输到驱动电路，然后由驱动电路的光纤接收器将光信号转换为电信号控制驱动电路的输出，使得驱动电路输出与控制信号时序相同的幅值为+15 V的驱动电压，以控制固态开关的开通/关断。

图9 固态开关控制路流程图
Fig.9 Control flowchart of Solid-state switch

2.3.1 固态开关参数选择

传统的气体开关体积大、可靠性低、重复频率低、开断时具有分散性等缺点[16]；相比于传统的气体火花开关，固态开关具有体积小、寿命长、重复频率高、可靠性高等优点[17，18]。综合考虑，选用IXYS公司生产的DE475-102N21A型MOSFET，其技术参数如表2所示。

表2 DE475-102N21A技术参数表Tab.2 Parameters of DE475-102N21A

结合本文所述的最高2 kV的方波脉冲电压，故共需两级MOSFET串联，以实现2 kV幅值的方波脉冲输出。

2.3.2 触发控制电路

触发控制电路主要由AFG3000C型信号发生器(Tektronix公司)、光纤驱动器DS75451、光纤发射器HFBR1522组成。电路控制流程为：信号发生器产生的TTL方波脉冲控制信号接入光纤驱动器DS75451，控制光纤驱动器DS75451输出驱动信号使光纤发射器(HFBR1522)根据控制信号实现电/光转换，最终将控制电路的电信号转换为光信号传输至后续电路的光纤接收器(HFBR2412)，即采用光耦隔离驱动控制固态开关的开通/关断[19，20]，避免主电路中高压侵入低压控制电路。

图10 触发控制电路流程图Fig.10 Flowchart of Trigger control circuit

2.3.3 驱动电路

MOSFET开通即对其栅源极间电容充电的过程，而其关断过程为其栅源极间电容放电的过程。因此，MOSFET的开通/关断需要驱动电路为其提供足够的输入电流及较强的吸收电流能力，以保证其拥有较快的上升和下降时间。本文选用IXYS公司生产的IXRFD630驱动芯片，其技术参数如表3所示。

表3 IXRFD630技术参数表Tab.3 Parameters of IXRFD630

在为驱动芯片提供+15 V电压情况下，同时输入来自光纤接收器输出的+5 V触发控制信号后，将在输出端输出频率和脉宽与同步触发信号相同且脉冲幅值为+15 V的脉冲驱动信号至MOSFET门极。由于该驱动芯片输出管脚可以输出或吸收峰值约30 A的电流，因此输出管脚可以直接连接至MOSFET门极管脚或通过电阻相连接，以此开通/关断MOSFET。两级MOSFET串联驱动电路如图11所示，图中+15 V输入的DC/DC模块为驱动芯片供能，而+5 V输入的DC/DC模块为光纤接收器提供能量，同时两者也起到隔离低压供电电源与主电路高压的作用。此外，采用“RCD”缓冲电路作为两级MOSFET串联动/静态均压电路[18]。

图11 开关S1和S2组成示意图Fig.11 Schematic diagram of S1 and S2

3 基于非平衡Blumlein型微带传输线的全固态纳秒脉冲发生器性能测试

3.1 测试系统

为测试基于非平衡Blumlein型微带传输线的全固态高压纳秒脉冲发生器性能，搭建了图1所示的测试系统。由于重复频率越低，每个周期内微带传输线MSL-1和MSL-2中的分布电容等充电越充分(开关S1和S2导通时间约500 ns，其与毫秒级周期间隔相比可忽略不计，即每个周期内微带传输线基本处于充电状态)。在本文所述的0～1 kHz重复频率变化范围内，1 kHz情况下充电情况最为严峻，本文选取1 kHz作为发生器的重复频率，并在此条件下分别测试负载电阻R2取值50 Ω和500 Ω时，其两端的电压波形。

3.2 负载R2=50 Ω时的波形测试结果

为验证本文设计的基于非平衡Blumlein型多层微带传输线纳秒脉冲发生器利用前述“截波”策略在负载R2两端形成方波脉冲效果，将R2选定为50 Ω进行相关测试。

3.2.1 未“截波”时负载两端电压波形

直流电压源加压至1 500 V时，测量负载R2两端电压波形，测试结果如图12、图13所示。其中图12为1 kHz情况下，负载R2两端电压波形(由于所产生的方波脉冲脉宽为100 ns，而重复频率1 kHz情况下的占空比仅为0.01%，故呈现为一条条竖直的直线)。图13是将图12中时间轴尺度从1 ms/格缩短至200 ns/格时，负载R2两端电压波形。

图12 充电电压为1 500 V时，负载两端重复波形Fig.12 Voltage waveform of load charged with 1 500 V

图13 充电电压为1 500 V时，负载两端单个波形Fig.13 Voltage waveform of load charged with 1 500 V

3.2.2 采取“截波”策略时负载两端电压波形

直流电压源加压至1 500 V，S1与S2导通延时为τ+100 ns时，负载R2两端电压波形如图14所示。

图14 充电电压为1 500 V时，负载两端电压波形 Fig.14 Voltage waveform of load charged with 1 500 V after clipping

直流电压源加压至1 500 V，S1与S2导通延时为τ+60 ns时，负载R2两端电压波形如图15所示。

图15 充电电压为1 500 V时，采取“截波”策略后负载两端电压波形 Fig.15 Voltage waveform of load charged with 1 500 V after clipping

由图13～图15可知，该发生器输出至负载R2两端的方波脉冲脉宽在一定范围内可调。脉冲上升沿、下降沿均满足要求，波形较好，其平顶部分的振荡主要是由于微带传输线自身分布参数引起[21]。另外，由于MOSFET自身的导通电阻不可避免，当开关S2将与其并联的负载R2短路实现“截波”后，电压波(或者电流波)能量将会消耗在固态开关S2导通电阻上，形成主脉冲后的极小幅值电压波动。

3.3 负载R2=500 Ω时的波形测试结果

为验证本文作者设计的基于非平衡Blumlein型多层微带传输线纳秒脉冲发生器的负载阻抗可变性，将R2选定为500 Ω进行相关测试。

3.3.1 未“截波”时负载两端电压波形

直流电压源加压至750 V，测量负载R2两端电压波形，测试结果如图16所示。

图16 充电电压为750 V时，负载两端电压波形Fig.16 Voltage waveform of load charged with 750 V

3.3.2 采取“截波”策略时负载两端电压波形

直流电压源加压至750 V，S1与S2导通延时为τ+100 ns时，负载R2两端电压波形如图17所示。

图17 充电电压为750 V时，“截波”后负载两端电压波形 Fig.17 Voltage waveform of load charged with 750 V after clipping

直流电压源加压至750 V，S1与S2导通延时为τ+60 ns时，负载R2两端电压波形如图18所示。

图18 充电电压为750 V时，“截波”后负载两端电压波形 Fig.18 Voltage waveform of load charged with 750 V after clipping

由图16～图18可知，当负载R2=500 Ω(即R2≫Z1+Z2，UR2(t)/U0=1+k=1.82)且充电电压为750 V时，负载R2两端电压约1 360 V。说明该发生器阻抗可调，使用范围更广，当负载R2≫Z1+Z2时负载两端输出方波脉冲幅值约为充电电压的2倍，结合本文“截波”策略可以实现方波脉冲脉宽可调。

4 结论

本文作者设计了基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的全固态高压纳秒脉冲发生器，并对其性能进行了测试，得到以下结论：

1)微带传输线具有平面化结构，能够有效减少纳秒脉冲发生器体积；所设计的4层PCB结构的非平衡Blumlein型多层微带传输线在空间层叠，进一步减少了微带传输线在系统中所占面积(或体积)。

2)非平衡Blumlein型微带传输线阻抗中Z1>Z2，相对于传统的平衡型方式，能够使MOSFET串联组S1和S2导通期间流过的脉冲电流幅值更小，即减少MOSFET并联数量。

3)非平衡Blumlein型微带传输线系统通过利用两组MOSFET开关协同作用，最终在负载上得到脉宽50～100 ns、上升时间约20 ns、重复频率0～1 kHz可调、脉冲幅值0～2 kV变化的方波脉冲。

4)利用两组MOSFET开关协同作用，引入相关“截波”策略，使得发生器负载R2在一定范围内可调，扩展了Blumlein型传输线使用范围，并且在R2≫Z1+Z2情况下，负载两端输出方波脉冲幅值约为充电电压的2倍。

综上所述，本文作者设计的纳秒脉冲发生器由于采用4层PCB结构的微带传输线极大缩小了系统面积，有利于满足生物医学用小型化、紧凑型要求；且多参数可调，尤其结合相关“截波”技术可以实现方波脉冲宽度可调；此外，通过S1和S2的协同作用使得发生器在负载R2一定范围内可调，满足生物医学试验中细胞实验与动物组织试验中负载阻抗从几十欧姆到几百欧姆的变化，因此具有更好的通用性。

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收稿日期2015-02-03 改稿日期2015-03-17

High-Voltage Nanosecond Pulse Generator Based on Non-balanced Blumlein Type Multilayered Microstrip Transmission Line

MiYan1ZhangYanyuan1，2ChuYidao1YaoChenguo1LiChengxiang1

(1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2.Changshou Power Supply Company Chongqing City Power Company of State Grid Chongqing 401220 China)

For the requirement of the small and compact nanosecond pulse generator in biomedical field，the unbalanced Blumlein type multilayered microstrip transmission lines and the solid-state switching technology are combined to develop a high-voltage nanosecond pulse generator.Wave propagation analysis is used to explain the principle of the system when forming a square wave.Besides，the control timing sequenceof the related solid-state switches and the cutting-offwave strategy are adopted，so as to realize the adjustable 50～100 ns square wave pulse widths.The principle of the variable load impedance inthe unbalanced Blumlein type multilayered microstrip transmission line system is also interpreted.And a small testingsystem is established to testify the performance of the generator.The testing nanosecond pulse generator，with an amplitude of 0～2 kV，pulse width arrange from 50 ns to 100 ns，rising time about 20 ns and repetition frequency of 0～1 kHz，outputs the square pulse on the 50 Ω resistor load.Moreover，the nanosecond pulse voltage output is about twice as the charging voltage when a 500 Ω resistor is used as the load.

Nanosecond pulse generator，unbalanced Blumlein type transmission line，multilayered microstrip transmission lines，solid-state switch

国家创新研究群体基金(5321063)和国家自然科学基金(51107154、51477022)资助项目。

2014-12-08 改稿日期2015-02-28

TM315

米 彦 男，1978年生，副教授，博士生导师，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断及高电压新技术。

张晏源 男，1987年生，硕士研究生，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断及高电压新技术。