高功率全固态微波纳秒级脉冲源的设计与应用

第26卷第6期 国 防 科 技 大 学 学 报 JOURNALOFNATIONALUNIVERSITYOFDEFENSETECHNOLOGY VoI.26No.62004文章编号：1001-2486（2004）06-0038-06

高功率全固态微波纳秒级脉冲源的设计与应用

梁步阁，朱 畅，张光甫，袁乃昌

（国防科技大学电子科学与技术学院，湖南长沙 410073）*

摘 要：基于雪崩三极管雪崩效应，研制出了一种数千伏、纳秒级脉冲源。其为全固态微波PCB电路

结构形式，利用数字电路产生可控重频触发信号，脉冲全底宽度400ps~2ns可调，重频1k~1000kHz可调，脉冲幅度360~2600V可调，峰值功率可达135kW。详细讲述了电路设计、器件选择以及重要电路结构。针对高压窄脉冲引起的特殊问题，提出了新颖的欠电荷充电法以及有效的梳状PCB（印刷电路板）结构。电路性能优良、稳定可靠，已投入超宽带目标探测实验系统应用。

关键词：纳秒；脉冲源；雪崩效应；欠电荷；梳状PCB；超宽带

中图分类号：TN958 文献标识码：A

TheDesignofHigh-powerNanosecondPulserBasedon

MicrowavePCBandItsApplication

LIANGBu-ge，ZHUChang，ZHANGGuang-fu，YUANNai-chang

（CoIIegeofEIectronicScienceandEngineering，NationaIUniv.ofDefenseTechnoIogy，Changsha410073，China）

Abstract：BasedontheavaIancheeffect，akindofkiIo-voItnanosecondpuIsershasbeendesigned，byusingmicrowavePCB（printedcircuitboard）.ItstriggersignaIwithtunabIerepetitionrateisgivenbyadigitaIcircuit.ThefuIIwidthofthepuIseistunabIebetween400psand2ns.ItsvoItagerangesfrom360to2600V.Andthepeakpowerreaches135kW.ThedesignofthesepuIsersisdiscussedindetaiI，incIudingthecircuitdesign，thecomponentseIection，andtheimportantphysicaIIayout.AnoveImethod，caIIeddeficit-chargemethod，andacombPCBIayoutarebroughtforward，aimingatsoIvingthespeciaIprobIemscausedbythehigh-powerbutuItra-narrowpuIser.BeingusedintheimpuIseradartestsystem，thecircuitperformanceisexceIIentandstabIe.

Keywords：nanosecond；puIser；avaIancheeffect；deficit-chargemethod；combPCB；UWB

超宽带通信、超宽带雷达等宽带系统近年来一直是电子学领域的研究热点。而这些系统均要求有纳秒级甚至是皮秒级快沿窄脉冲源。其波形、稳定度、频谱分量等指标也终将对整套系统实现的可行性产生决定性影响。其设计成为整个宽带通信或者雷达系统中的一项关键性技术。目前美国、俄

［1］罗斯在超宽带系统研究方面投入较大，在技术上也积累出很大优势。我国宽带系统研究近年来也

发展较快，但是关于脉冲源设计的相关资料仍较难见到，几乎没有较为详尽系统的设计类文献。

文章自行分析设计出系列纳秒级脉冲源，其各项指标均达到了国际先进水平。目前已应用于脉冲体制超宽带目标探测试验系统中。

1 方案设计

比较经典的火花隙击穿放电方法可以产生较大功率脉冲，目前国际上已可以做到100吉瓦量级。但是基于火花隙击穿放电原理，很难将脉冲重频稳定度、波形一致性、重频上限等指标（GW）

做得很高。而这些对超宽带目标探测识别是非常不利，甚至无法忍受的。因而，我们采用了全固态微波电路进行设计。利用雪崩三极管的雪崩效应产生纳秒级脉冲，用数字电路产生可控重频触发信号。整体框图如图1所示。

*收稿日期：2004-06-06

基金项目：国家863高技术资助项目

作者简介：梁步阁（1979—），男，博士生。

Avalanche

Trigger PulseCircuit

图1 脉冲源框图

Fig.1 Diagramofpulser Antenna/Loa6

!"雪崩电路设计

脉冲源基于雪崩管雪崩级联放电效应工作，雪崩电路设计成为脉冲源设计技术的关键。

!.#"设计基本原理

2.1.1 雪崩效应理论

一般晶体三极管的输出特性有四个区域：饱和区、线性区、截止区与雪崩区。对于NPN型晶体管，当基极电流为正时（IB>0），基射结正偏，此时处于线性区或饱和区。当基极电流为负时（IB<0），

当集电极电流IC随UCE和-IB急剧变基射结反偏，一般为截止区。此时，逐渐增加集电极电压UCE，

化时，则进入雪崩区。集电极电压很高时，阻挡层中电子被强电场加速，从而获得很大能量，它们与附近的晶格碰撞时产生新的电子、空穴时，新产生的电子、空穴又分别被强电场加速而重复上述过程，于是结电流便“雪崩”式迅速增长，这就是晶体管的雪崩倍增效应。

下面对雪崩管的动态过程进行分析。在雪崩管的动态过程中，工作点的移动相当复杂，现结合典型的雪崩电路（图2）进行简要分析。

图2 雪崩晶体管电路图3 雪崩管雪崩击穿曲线 Fig.2 CircuitofavalanchetransistorFig.3 Avalancheeffectcurveoftransistor在电路中近似地将雪崩管静态负载电阻认为是RC，当基极未触发时，基极处于反偏，雪崩管截止。根据图2列出电路方程为：

{i=iR+iA

UCE=EC-iRRC

UCE=U（C0）-1

C（1） i6t-iR0AAtAL

iA为雪崩电流，U（为电容C的初始式中，i为通过雪崩管的总电流，iR为通过静态负载RC的电流，C0）

C为雪崩电容，tA为雪崩时间。电压，RL为动态负载电阻，

从（1）式可求解出雪崩过程动态负载线方程式为：

UCE=U（C0）-1

C (tA

0i+U-ECUCE-EC6t-i+CERLRCRC)()（2）

RC为几千欧到几十千欧，而RL则为几十欧（本文均为50!），因此在实际的雪崩管电路中，

雪崩时雪崩电流iA比静态电流iR大得多，所以i iA。于是（2）式可简化为：RC RL。

UCEl=U（C0）-C idt-iR

0taL（3）

可进一步改写成

UCE:E'C-iRL

l式中，E'C=U（C0）-C称为动态电源。 idt，

0ta（4）

式（3）和式（4）表明雪崩状态下，动态负载线是可变的，雪崩管在雪崩区形成负阻特性。负阻区处于BVCEO与BVCBO之间。当电流再继续加大时，则会出现二次击穿现象，如图3所示。

图3中，电阻负载线ae贯穿了两个负阻区。若加以适当的推动，工作点a会通过负阻区交点6到达c，由于雪崩管的推动能力相当强，c点通常不能被封锁，因而通过第二负阻区交点i而推向e点。工作点从a到e一共经过两个负阻区，即电压或电流信号经过两次正反馈的加速，因此，所获得的信号的电压或电流的幅度相当大，其速度也相当快。

当负载很陡时，如图3中负载线a'6'所示，它没有与二次击穿曲线相交而直接推进到饱和区，这时就不会获得二次负阻区的加速。

2.l.2 MARX电路工作机理

本文系列脉冲源电路大体上均呈MARX电路结构。所谓MARX电路，就是多管由电源并联充电，然后串联向负载放电。MARX电路结构由于其并联充电、串联放电机理，所以具有突出优点，可以以较低的电源电压得到较高的输出脉冲，其幅度可以远高于电源电压。设计中研究了MARX电路充放电机理以及脉冲形成机理，下面简单介绍分析过程。

图4 MARX电路示意图图5 雪崩级联电路梳状PCB结构 Fig.4 MARXcircuitFig.5 CombPCBlayoutforavalancheseries图4为一5级MARX电路，触发脉冲加入前，各雪崩管截止，但已处于临界雪崩状态。Cl~C5各电容均充有直流偏置电源电压EC。

触发脉冲加入后，首先引起Tl雪崩击穿，于是C2左端电势等于Cl右端电势，即约等于E（均指C

对地电势，下同），记 …… 此处隐藏：7552字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……