基于微带传输的雪崩三极管Marx电路皮秒脉冲发生器

摘要

本发明的目的是为冲激脉冲辐射天线提供一种高输出电压、高重复频率、输出电压可调皮秒级窄脉冲信号源，结构简单且工作稳定可靠。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于微带传输的雪崩三极管Marx电路皮秒脉冲发生器，包括电路单元T1～Tn、直流电源、触发信号产生与控制模块和步进电机；所述触点x被固定在步进电机的转轴上；所述触点1～n‑1分布在步进电机的转轴四周；当步进电机的转轴的转轴旋转时，所述触点x被带动旋转，并依次与所述触点1～n‑1中的每一个触点接触。

说明书

技术领域

属于生物电磁技术领域，主要涉及一种基于微带传输理论的雪崩三极管Marx电路皮秒脉冲发生器。

背景技术

由于电场脉冲对细胞结构和功能的影响及其对生物体的治疗作用等方面具有巨大的应用潜力，因此其逐渐成为生物电磁技术领域的一个研究热点。

脉冲宽度为皮秒级的电场脉冲(以下简称“皮秒脉冲”)信号具有丰富的超宽带频谱、很高的时间分辨率和空间分辨率、信号失真小，是冲激脉冲辐射天线理想的信号源。

皮秒脉冲信号源根据其产生方式可以分为两类：一类是选择空气开关作为开关进而通过前沿陡化和尾部削切技术得到高压皮秒脉冲的脉冲源，另一类则是利用快闭合固态开关作为开关直接产生具有ps脉宽的脉冲信号的脉冲源。

第一种高压皮秒脉冲源，即选择空气开关作为开关进而通过前沿陡化和尾部削切技术而得到高压皮秒脉冲的脉冲源，其优点在于空气开关击穿电压高，适用于制作输出幅值较高的皮秒级脉冲信号源，但是缺点是重复频率低、稳定性差，不能满足对重复频率要求较高的应用的需求。

而利用快闭合固态开关作为开关直接产生具有ps脉宽的脉冲信号的脉冲源，其优点则在于重复频率高、信号稳定性好，刚好可弥补气体开关无法进一步提高重复频率的不足，但其仍存在输出幅值较低的缺点，无法满足一些要求高电压输出的实验研究的需要。

皮秒脉冲信号能否顺利产生与电路中所使用的开关种类及性能密切相关。目前可以用于产生皮秒级窄脉冲的开关器件有隧道二极管、阶跃恢复二极管、雪崩晶体管等器件。其中，隧道二极管和阶跃恢复二极管所产生的脉冲，虽可以产生脉宽为皮秒级别的脉冲，但所产生脉冲的幅值较小，一般仅为几百毫伏的量级。而选择雪崩晶体管作为开关制作的脉冲源，产生的脉冲不仅脉宽可以达到皮秒级别的要求，而且幅值亦可提高至几百伏，但仍无法满足皮秒脉冲生物效应研究所需的幅值(一般为上千伏)，且其输出的电压不可调节。因此，如何研制出输出幅值更高且可实现幅值可调的皮秒级脉冲源，是一个亟待解决的且具有十分重要的现实意义的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为冲激脉冲辐射天线提供一种高重复频率、高输出电压且输出电压可调皮秒级窄脉冲信号源，结构简单，工作稳定可靠。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于微带传输的雪崩三极管Marx电路皮秒脉冲发生器，其特征在于:包括电路单元T1～Tn、直流电源、和步进电机；

其中：

电路单元T1包括雪崩三极管Q1、电阻R11、电感Lz11、电容Cz11、电容Cz12、电容C1、电感Lz12和双掷开关K1，其中，电感Lz11、电感Lz12是考虑微带传输理论情况下微带传输线的等效杂散电感，电容Cz11、电容Cz12考虑微带传输理论情况下微带传输线的等效杂散电容；

雪崩三极管Q1的发射极接地；

雪崩三极管Q1的集电极串联电阻R11后，连接总线；总线连接直流电源的正极，直流电源的负极接地；

雪崩三极管Q1的集电极依次串联电感Lz11、电容C1和电感Lz12后，连接双掷开关K1的不动端；

电容Cz11的一端连接在电感Lz11和电容C1之间、另一端与雪崩三极管Q1的发射极共地连接；

电容Cz12的一端连接在电感Lz12和开关K1之间不动端、另一端与雪崩三极管Q1的发射极共地连接；

双掷开关K1的动端分别为端子a1和端子b1；端子a1连接触点1；

电路单元Ti包括雪崩三极管Qi、电阻R1i、电阻R2i、电感Lzi1、电容Czi1、电容Czi2、电容Ci、电感Lzi2和双掷开关Ki；i＝2、3、……n-1，其中，电感Lzi1、电感Lzi2是考虑微带传输理论情况下微带传输线的等效杂散电感，电容Czi 1、电容Czi2考虑微带传输理论情况下微带传输线的等效杂散电容；

雪崩三极管Qi的基极连接端子b(i-1)；雪崩三极管Qi的发射极串联电阻R2i后，与雪崩三极管Q1的发射极共地连接；

雪崩三极管Qi的集电极串联电阻R1i后，连接总线；

雪崩三极管Qi的集电极依次串联电感Lzi1、电容Ci和电感Lzi2后，连接双掷开关Ki的不动端；

电容Czi1的一端连接在电感Lzi1和电容Ci之间、另一端与雪崩三极管Qi的发射极共地连接；

电容Czi2的一端连接在电感Lzi2和开关Ki的不动端之间、另一端与雪崩三极管Q1的发射极共地连接；

双掷开关Ki的动端分别为端子ai和端子bi；端子ai连接触点i；

电路单元Tn包括雪崩三极管Qn、电阻R1n、电阻R2n、电感Lzn1、电容Czn1、电容Czn2、电容Cn、电感Lzn2、双掷开关Kn和电阻RL，其中，电感Lzn1、电感Lzn2是考虑微带传输理论情况下微带传输线的等效杂散电感，电容Czn1、电容Czn2考虑微带传输理论情况下微带传输线的等效杂散电容；

雪崩三极管Qn的基极连接端子b(n-1)；雪崩三极管Qn的发射极串联电阻R2n后，与雪崩三极管Q1的发射极共地连接；

雪崩三极管Qn的集电极串联电阻R1n后，连接总线；

雪崩三极管Qn的集电极依次串联电感Lzn1、电容Cn和电感Lzn2后，连接双掷开关Kn的不动端；

电容Czn1的一端连接在电感Lzn1和电容Cn之间、另一端与雪崩三极管Qn的发射极共地连接；

电容Czn2的一端连接在电感Lzn2和开关Kn的不动端之间、另一端与雪崩三极管Q1的发射极共地连接；

双掷开关Kn的动端分别为端子an和端子bn；端子an连接触点n；

所述触点1～n-1中的任意一个触点均可与触点x连接；

所述电路单元T1～Tn中：

若有1个单元被接入，则T1～Tn单元对应的双掷开关K1～Kn均连接端子a1～an；触点1连接触点x；

若有e个(1＜e＜n)单元被接入，则T1～T(e-1)单元对应的双掷开关K1～K(e-1)均连接端子b1～b(e-1)，则Te～Tn单元对应的双掷开关Ke～Kn均连接端子ae～an；触点e连接触点x；

若有n个单元被接入，则单元T1～Tn对应的双掷开关K1～Kn均连接端子b1～bn；触点1～n-1可以均不与触点x连接；

雪崩三极管Q1的基极与发射极之间注入触发信号；

端子bn和接地极之间输出脉冲信号。

进一步，所述触点x被固定在步进电机的转轴上；所述触点1～n-1分布在步进电机的转轴四周；当步进电机的转轴旋转时，所述触点x被带动旋转，并依次与所述触点1～n-1中的每一个触点接触。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

1)本发明充分利用了雪崩三极管的雪崩效应产生皮秒级别脉冲，在雪崩导通瞬间，电流呈“雪崩”式迅速增长，从而获得具有陡峭前沿的波形，成形后得到极短脉冲；当给雪崩三极管的集电结施加强电场时，集电结区的载流子即被强电场加速，当加速载流子与晶格发生碰撞，即产生新的电子-空穴对，这些新的电子-空穴对又被电场加速，并和晶格发生碰撞，再次产生新的电子-空穴对，如此重复上述过程，流过集电结的电流便迅速增长，从而形成晶体管的雪崩效应；当一次雪崩击穿发生后，如果结反向偏压继续增大，由于雪崩效应，会导致很大的电流发生二次击穿，一旦二次击穿发生，强大的集电极电流迅速改变集电结内的电场分布，即使V_CE下降，集电极电流仍然继续上升，晶体管呈现负输出阻抗特性，此时仅需很小的维持电压，仍然能得到很大的集电极电流；雪崩三极管在雪崩区形成负阻特性，负阻区处于BV_CEO与BV_CBO之间，当电流再继续加大时，则会出现二次击穿现象，当负载线很陡时，则不会与二次击穿曲线相交，这时就不会获得二次负阻区的加速，基于微带传输理论的雪崩三极管Marx电路皮秒脉冲发生器利用雪崩三极管的二次负阻区加速作用，来达到产生皮秒级别脉冲的目的。

2)本发明中采用Marx电路，Marx电路中设置有依次级联的起始雪崩单元和多级雪崩单元，每一级雪崩单元中均设置有雪崩三极管和雪崩电容，雪崩单元中的雪崩电容采用并联充电、串联放电的结构。这种结构的特点是不需要极高的偏置电压，无论采用级联多少，都只需偏置单管电压，在放电时雪崩电容相互串联，减小了线路等效放电电容，使得每级可以采用相对较大的雪崩电容，并最终使得本信号发生器的电压较高。

3)本发明通过采用多级雪崩晶体管的电路级联，实现了输出脉冲电压的大幅提高。以14级雪崩晶体管的级联为例，输出脉冲电压可达1200V，脉冲前沿小于150ps，脉冲宽度窄至550ps，脉冲重复频率可达0～10kHz可调。

4)本发明通过采用小型步进电机，利用其运动牵引导线移动，改变Marx主电路中的级数，实现电压不连续性可调，部分突破了雪崩晶体管产生的脉冲输出电压不可调的局限。

5)本发明通过中加入控制模块，其电路原理如图所示，可以用于调控触发脉冲信号的脉宽、重复频率、个数以及小型步进电机的运动，实现脉冲源更加自由地控制。

本发明不仅实现了一种皮秒级的高输出电压脉冲源，更大的现实意义在于提供了一种设计方式，通过更多级雪崩晶体管级联的方案可实现更大输出电压的皮秒级别脉冲信号源的研制，通过小型步进电机以及控制模块可以实现电压不连续性可调，部分突破了雪崩晶体管产生的脉冲输出电压不可调的局限，从而可满足在生物电磁领域研究及应用的需求。

附图说明

图1为本发明的等效电路图；

图2为本发明的控制流程图；

图3为工作流程图；

图4为步进电机与触点x的位置示意图；

图5为确定脉冲个数、重复频率后，通过控制键盘输入控制系统，基于FPGA设计的控制系统控制触发信号的个数与重复频率，形成的单个触发信号的波形图；

图6为10kHz重复频率的触发信号波形图；

图7为负载上产生一个皮秒脉冲波形图；

图8为图1虚线框部分的放大图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

一种基于微带传输的雪崩三极管Marx电路皮秒脉冲发生器，包括电路单元T1～Tn、直流电源；n＞14。

其中：

电路单元T1包括雪崩三极管Q1、电阻R11、电感Lz11、电容Cz11、电容Cz12、电容C1、电感Lz12和双掷开关K1，其中，电感Lz11、电感Lz12是考虑微带传输理论情况下微带传输线的等效杂散电感，电容Cz11、电容Cz12考虑微带传输理论情况下微带传输线的等效杂散电容；

雪崩三极管Q1的发射极接地；

雪崩三极管Q1的集电极串联电阻R11后，连接总线；总线连接直流电源的正极，直流电源的负极接地；

雪崩三极管Q1的集电极依次串联电感Lz11、电容C1和电感Lz12后，连接双掷开关K1的不动端；

电容Cz11的一端连接在电感Lz11和电容C1之间、另一端与雪崩三极管Q1的发射极共地连接；

电容Cz12的一端连接在电感Lz12和开关K1之间不动端、另一端与雪崩三极管Q1的发射极共地连接；

双掷开关K1的动端分别为端子a1和端子b1；端子a1连接触点1；

电路单元Ti包括雪崩三极管Qi、电阻R1i、电阻R2i、电感Lzi1、电容Czi1、电容Czi2、电容Ci、电感Lzi2和双掷开关Ki；i＝2、3、……n-1，其中，电感Lzi1、电感Lzi2是考虑微带传输理论情况下微带传输线的等效杂散电感，电容Czi 1、电容Czi2考虑微带传输理论情况下微带传输线的等效杂散电容；

雪崩三极管Qi的基极连接端子b(i-1)；雪崩三极管Qi的发射极串联电阻R2i后，与雪崩三极管Q1的发射极共地连接；

雪崩三极管Qi的集电极串联电阻R1i后，连接总线；

雪崩三极管Qi的集电极依次串联电感Lzi1、电容Ci和电感Lzi2后，连接双掷开关Ki的不动端；

电容Czi1的一端连接在电感Lzi1和电容Ci之间、另一端与雪崩三极管Qi的发射极共地连接；

电容Czi2的一端连接在电感Lzi2和开关Ki的不动端之间、另一端与雪崩三极管Q1的发射极共地连接；

双掷开关Ki的动端分别为端子ai和端子bi；端子ai连接触点i；

电路单元Tn包括雪崩三极管Qn、电阻R1n、电阻R2n、电感Lzn1、电容Czn1、电容Czn2、电容Cn、电感Lzn2、双掷开关Kn和电阻RL，其中，电感Lzn1、电感Lzn2是考虑微带传输理论情况下微带传输线的等效杂散电感，电容Czn1、电容Czn2考虑微带传输理论情况下微带传输线的等效杂散电容；

雪崩三极管Qn的基极连接端子b_n-1；雪崩三极管Qn的发射极串联电阻R2n后，与雪崩三极管Q1的发射极共地连接；

雪崩三极管Qn的集电极串联电阻R1n后，连接总线；

雪崩三极管Qn的集电极依次串联电感Lzn1、电容Cn和电感Lzn2后，连接双掷开关Kn的不动端；

电容Czn1的一端连接在电感Lzn1和电容Cn之间、另一端与雪崩三极管Qn的发射极共地连接；

电容Czn2的一端连接在电感Lzn2和开关Kn的不动端之间、另一端与雪崩三极管Q1的发射极共地连接；

双掷开关Kn的动端分别为端子an和端子bn；端子an连接触点n；

所述触点1～n-1中的任意一个触点均可与触点x连接；

所述电路单元T1～Tn中：

结合工作流程图(图2和3)，有14个单元被接入，则T1～T13单元对应的双掷开关K1～K13均连接端子b1～b13，则T14～Tn单元对应的双掷开关K14～Kn均连接端子a14～an；触点14连接触点x；

此后，确定脉冲个数、重复频率，通过控制键盘输入控制系统，基于FPGA设计的控制系统会控制触发信号的个数与重复频率，单个触发信号的波形图如图4所示。值得说明的是，因为驱动雪崩三极管需要触发信号的上升时间和下降时间足够短，且触发信号的电压幅值至少为5V。因此，在触发控制电路，FPGA芯片产生高水平的方波3.3V，5ns的上升时间和下降时间，10ns～50ns可调的脉冲宽度，重复频率0～10kHz可调，放大器被用于将3.3V的触发信号增大至5V。10kHz重复频率的触发信号波形图如图6所示。

雪崩三极管Q1的基极与发射极之间注入触发信号；

端子bn和接地极(雪崩三极管Q1发射极接地处)之间输出脉冲信号。实施例中，在负载R_L上产生的皮秒脉冲波形图如图7所示。

实施例2

本实施例主要技术方案同实施例1，进一步的，参见图4，所述触点x被固定在步进电机的转轴上；所述触点1～n-1分布在步进电机的转轴四周；当步进电机的转轴旋转时，所述触点x被带动旋转，并依次与所述触点1～n-1中的每一个触点接触。本实施例用到的主要部件如下：