1 kV/800 kHz亚纳秒脉冲发生器设计*

石小燕**,梁勤金,郑强林

(中国工程物理研究院 应用电子学研究所 高功率微波技术重点实验室，四川 绵阳621900)



1 kV/800 kHz亚纳秒脉冲发生器设计*

石小燕**,梁勤金,郑强林

(中国工程物理研究院 应用电子学研究所 高功率微波技术重点实验室，四川 绵阳621900)

提出了以雪崩管作为主开关利用Marx线路来产生高重频高压窄脉冲的方法。分析了雪崩管电路特性，提出了Marx线路下高重频运行时器件的设计要求及印制电路板(PCB)布线设计建议。研制了一台高重频高压亚纳秒脉冲源发生器装置，该装置结构紧凑，在50 Ω负载系统下，能输出幅度为1 kV、重复频率为800 kHz、脉宽为500 ps的脉冲。在常温风冷下，该设备可长时间稳定运行。

亚纳秒脉冲发生器；高重频；高压窄脉冲；Marx线路；雪崩管

1　引　言

近年来，随着脉冲源的发展，其应用范围逐渐扩展(譬如快速移动目标的测速测距要求、组网雷达干扰、高平均功率准分子激光、感应式回旋加速器等)，脉冲重复周期的重要性日益显现。脉冲的重复周期通常决定系统的工作速率和效益，因此，高重复频率脉冲功率的产生已成为脉冲功率技术领域里的一个重要课题。

高重复频率脉冲源的主要特点是工作次数多和脉冲间隔时间短。一般可以通过各类开关器件和储能元件构成的脉冲电路产生，作为产生高重频的超宽带脉冲所用的开关只能是半导体开关。纵观各类开关，能直接产生上百kHz高压纳秒脉冲的开关器件只有几种，即金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)、绝缘栅型双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、雪崩管、俄罗斯研制的以快速离子化开关(Fast Ionization Dynistors,FID)和漂移阶跃恢复二极管(Drift Step Recovery Diode，DSRD)为代表的离子类开关，以及磁开关等。其中，磁开关前沿及脉宽都在数十ns以上，重频也限制在几十kHz以下；MOSFET类的脉冲发生器电路，其脉冲重频可达MHz[1-2]，但脉冲波形较宽在数十至数百ns，且电路比较复杂，多管工作时，每管需要单独驱动电路；FID类的脉冲发生器，其重频可达MHz，脉冲宽度在几百ps至上百ns，前沿在几百ps至几ns，该类电路驱动要求较高，要求具有快速前沿的高压脉冲[3-5]，但该产品为实验室产品，虽有脉冲源设备研制，但无该开关器件上市。基于以上原因，本文提出了一种线路简洁、驱动简单、以雪崩管器件为开关的高重频脉冲发生器电路设计，研制了高重复频率脉冲源的实验装置，可输出800 kHz重复频率、幅度1 kV以上、脉宽为几百ps的超宽带脉冲。

2　雪崩管电路分析

图1中Rc可以近似地看为雪崩三级管的静态负载电阻。雪崩管工作时，VCC首先给雪崩管加压至Vcex，Vcex电压一般接近集电极击穿电压，此时雪崩三级管处于截止状态。根据图1可以写出雪崩晶体管电路的方程为

(1)

式中：i为通过雪崩三级管的总电流；IA为流过负载的雪崩电流；iR为通过静态负载电阻Rc的电流；C2为雪崩电容；UC(0)为电容C初始电压；RL为输出动态负载电阻；Rc为集电极电阻；τ为雪崩时间。

图1雪崩管基本电路

Fig.1 Basic avalanche transistor circuit

从式(1)可以求解出在雪崩过程中动态负载线的方程式为

(2)

因雪崩电路中，Rc远大于RL，因此雪崩电流IA比静态电流iR大得多，于是式(2)可以简化成

(3)

雪崩管工作时，首先给雪崩管加压至接近集电极击穿电压VCC，但是此时集电极电流iR小于晶体管发生雪崩的维持电流IH。此时，若给基-射结一个正向触发脉冲，将促使集电极电流大于IH，与此同时，雪崩管发生雪崩效应，管中的电流以极快的速度增加，集电极电压迅速下降，下降速度在纳秒甚至亚纳秒级别，由于电容电压不能突变，因此，在负载上得到一个前沿为纳秒级别的电压跳变，其下降规律按动态负载线运行，如图2所示。晶体管发生雪崩效应，IC电流以极快的速度增加，集电极电压下降至暂稳态B点，接着电容C通过RL和晶体管放电，工作点沿BC变化直到维持雪崩状态电流的不足。随后，晶体管截止，工作点降至D点;电容C再次充电，工作点在动态曲线上移动，这就完成了一个工作周期。

图2雪崩管工作曲线

Fig.2 Avalanche transistor′s operation process

3　高重频脉冲源电路设计

一般来说，具有较低击穿电压的晶体管具有更快的雪崩上升时间和较高的脉冲重复周期，但所获得的脉冲幅度较低。因此，为了获得足够高的脉冲电压，需要使用电压倍增线路。此处采用Marx发生器作为电压倍增线路。其线路示意图见图3。工作时，储能电容器C1～Cn先并联充电，然后通过雪崩开关Q1～Qn串联放电，从而使电压倍增来获得更高的脉冲电压输出。理想情况下，在负载RL上可获得nVcc的脉冲幅度。实际情况下，由于雪崩管、储能电容及充电回路的损耗，负载上获得的脉冲幅度都低于nVcc。

图3Marx发生器示意图

Fig.3 Circuit diagram of the Marx generator

在高重频下运行的Marx电路必须考虑两个问题，即雪崩管的损耗问题和储能电容的充电问题。

在脉冲作用下，单个雪崩管的损耗依据以下公式计算[6]：

式中：Cn、Vno、f分别表示为第n极(n=1，2，3…)的储能电容、输出电压、雪崩管触发重复频率。

在电路发生雪崩过程中，瞬时功率很高，可达千瓦级，可是因为雪崩时间很小，所以单次触发雪崩电路的平均功耗不大。当开关工作在高重频下，开关损耗急剧增加。对于单个器件来说，高重频下不足以承当如此大的功耗，因此每级需要多个器件并联，在图3中体现为单个开关变成多个开关的并联。由于雪崩器件的差异，并联时要考虑各管的均流问题。

高重频下电容的充电时间τ=1/f≈3(Rc+Re)·C。要获得高重频纳秒脉冲，电容C要求足够小，但是脉冲的幅度受电容C值的影响，在一定范围内，C值越大脉冲幅值越大。平衡两者关系，一般取C值在100 pF以下。在高重频下，Rc、Re值最大值只能取几kΩ。由于放电脉冲具有大量的高频信号，为了减小消耗在充电回路上的能量损耗，充电电容C应选低损耗高频电容，Rc、Re应选择大功率微波电阻。

此外，高重频脉冲发生器的PCB结构也是非常重要的设计。除了考虑微带线的功率容量，在PCB设计中最主要的因素是微带线的阻抗设计，整个Marx线路阻抗从第一级开始呈现递增，直至与输出阻抗匹配。微带线的结构可以根据微带线阻抗公式计算[7]，由于微带线辐射损耗较大，设计应遵循尽可能保证电路器件参数的情况下，尽量减小脉冲电流通过路线的PCB覆铜面积。

4　实验装置

根据高重频脉冲源设计准则，我们设计了一台高重频纳秒脉冲源发生器实验装置。该装置采用24级Marx电路。PCB采用低损耗双面覆铜印制板，印制板固定在散热器上，设备通过风冷散热。采用锂电池供电，质量约7 kg。设备尺寸约为330 mm×250 mm×120 mm。图4为高重频纳秒脉冲源装置外形图，该装置包括一个触发按钮、设备电源开关和脉冲输出端口。该设备可产生800 kHz、1 kV以上、脉冲半高宽500 ps超宽带脉冲。该装置在800 kHz时，连续运行30 min无故障。图5为装置输出脉冲波形图。

图4高重频纳秒脉冲源实验装置

Fig.4 Experimental setup of high repeat frequency narrow pulser

(a)重复频率的电压输出波形

(b)电压输出波形

图5实验装置输出脉冲波形

Fig.5 Output waveforms from the experimental setup

5　结　论

高重频高压纳秒脉冲的产生需要高压快开关。本项目采用目前的商业产品雪崩管与Marx电路结合产生高重频高压纳秒脉冲。根据高重频特性对Marx线路进行了分析改进，给出了Marx线路的器件及PCB设计建议，并在此基础上研制了一台Marx脉冲发生器实验装置。该装置在风冷情况下，可以产生重复频率为800 kHz、脉冲幅度大于1 kV、脉冲半高宽约500 ps的脉冲输出。该装置经验证，在800 kHz重复频率时能稳定可靠地运行。该装置小巧轻便，可适用于多种应用场合。

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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，四川双流人，1996年于四川大学获学士学位，现为高级工程师，主要从事脉冲功率产生及应用研究；

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年于山东大学获学士学位，现为研究员，主要从事高功率微波产生及应用研究；

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

郑强林(1983—)，男，四川广元人，2013年于电子科技大学获硕士学位，现为助理研究员，主要从事微波源设计及高功率微波源应用研究；

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年于燕山大学获硕士学位，现为研究员，主要从事机械结构设计及各种力学结构分析。

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

中国工程物理研究院科学技术发展基金资助项目(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,郑强林.1 kV/800 kHz亚纳秒脉冲发生器设计[J].电讯技术，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