CN106941346B - 基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器 - Google Patents

基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器 Download PDF

Info

Publication number
CN106941346B
CN106941346B CN201710260488.5A CN201710260488A CN106941346B CN 106941346 B CN106941346 B CN 106941346B CN 201710260488 A CN201710260488 A CN 201710260488A CN 106941346 B CN106941346 B CN 106941346B
Authority
CN
China
Prior art keywords
transmission line
denoted
line
voltage
microstrip transmission
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710260488.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106941346A (zh
Inventor
米彦
卞昌浩
万佳仑
彭文成
李盼
姚陈果
李成祥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing University
Original Assignee
Chongqing University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing University filed Critical Chongqing University
Priority to CN201710260488.5A priority Critical patent/CN106941346B/zh
Publication of CN106941346A publication Critical patent/CN106941346A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106941346B publication Critical patent/CN106941346B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H03K3/57—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a semiconductor device

Landscapes

  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于Blumlein脉冲形成线和传输线变压器的高频纳秒脉冲发生器结构。发生器结合了Blumlein传输线容易形成高频纳秒窄脉冲的特点和传输线变压器高频特性好的特点。发生器采用模块化结构设计，每个模块由Blumlein产生初级脉冲经传输线变压器放大后输出至负载，多个模块级联可以进行输出，增大了电压放大倍数，提高了输出功率。同时因为使用模块化设计，也减小了传输线变压器的阻抗变比，更加适用于小阻抗负载。设计中使用微带线进行传输线设计，可以根据负载大小进行阻抗匹配设计，同时大大减小了发生器的尺寸，实现了紧凑型设计。同时发生器使用MOS管作为开关，方便发生器的控制，并实现幅值、频率方便可调。

Description

基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳 秒脉冲发生器
技术领域
本发明涉及生物电磁技术领域,具体是一种固态纳秒脉冲发生器。
背景技术
脉冲功率技术已经被广泛应用于医学、军事、材料、环境等多个方面，其中纳秒脉冲电场治疗肿瘤技术成为新的研究热点。研究发现在微秒脉冲电场作用下，肿瘤细胞的细胞膜上会产生可逆或不可逆电穿孔，可配合药物或者直接对肿瘤细胞进行杀伤。当脉宽减小至纳秒级别、场强增加至MV/m时，脉冲电场产生的细胞生物学效应与微妙脉冲的穿孔效应截然不同，在纳秒脉冲电场作用下，会在细胞器结构上对细胞产生影响而不在细胞膜上产生大的穿孔，能够诱导肿瘤细胞的凋亡使得肿瘤组织缩小甚至消失，同时避免炎症、溃疡等副作用，对于肿瘤治疗有重要意义。为了研究纳秒脉冲对肿瘤细胞的作用机理，需要进行微观单细胞实验，进而需要一种能够产生高频纳秒脉冲的脉冲电场发生器。
在多种纳秒脉冲的产生方法中，Blumlein传输线和传输线变压器在高压纳秒脉冲的产生中获得了广泛的应用。其中Blumlein传输线能够方便的形成纳秒量级脉宽的电脉冲，波形具有很高的保真度，可以作为初级脉冲的产生方式。同时相对于传统的变压器，传输线变压器具有频带宽的特点，可以对输入的纳秒脉冲进行不失真放大。
但是，现有技术中，使用均为多级的传输线变压器设计，输入输出阻抗变比很大，输出阻抗大，不适用于小负载。并且使用同轴电缆设计传输线变压器时，发生器体积大、重量大，不适合紧凑型发生器的趋势。
发明内容
本发明的目的是解决输入输出阻抗变比很大、输出阻抗大，以及发生器不紧凑的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器：
如图1所示，本发明公开的单级发生器包括：一个单级Blumlein传输线和一个二级传输线变压器，以及MOS管开关电路S1、MOS管开关电路S2、高压直流电源和充电电阻R。
所述单级Blumlein传输线由微带传输线T1和微带传输线T2组成。所述二级传输线变压器由微带传输线t1和微带传输线t2组成。
所述微带传输线T1的两端分别记为A端和a端，其金属线的两端分别记为AJ端和aj端，其接地板的两端分别记为AB端和ab端。
所述微带传输线T2的两端分别记为B端和b端，其金属线的两端分别记为BJ端和bj端，其接地板的两端分别记为BB端和bb端。
所述微带传输线t1的输入端记为C端、输出端记为c端，其金属线的两端分别记为CJ端和cj端，其接地板的两端分别记为CB端和cb端。
所述微带传输线t2的输入端记为D端、输出端记为d端，其金属线的两端分别记为DJ端和dj端，其接地板的两端分别记为DB端和db端。
C端和D端为二级传输线变压器的输入端。
所述高压直流电源包括电极I和电极II。
电极I串联充电电阻R后，形成接入MOS管开关电路S1的端子，这一个端子与AJ端的通断，是通过MOS管开关电路S1来控制的。
电极II连接微带传输线T1和微带传输线T2的接地板。
电极II与AJ端的通断，是通过MOS管开关电路S2来控制的。
aj端连接微带传输线t1和微带传输线t2的接地板。
bj端连接CJ端和DJ端。
cb端和dj端连接在一起。
cj端和db端之间接入负载ZL。
Blumlein传输线中每条传输线的特征阻抗为Z0，电长度为τ1，传输线变压器中每条传输线的阻抗为Z1，电长度为τ2，负载阻抗为ZL，当ZL＝2Z1＝8Z0时，整个系统阻抗匹配，脉冲形成过程如下：
开关S1闭合、S2断开，高压直流电源通过充电电阻R对Blumlein传输线进行充电至电源电压U0。之后在t＝0时开关S1断开、S2闭合，Aj端被强迫接地，产生一个幅值为-U0的电压波向远离A端方向传播，在t＝τ1时到二级传输线变压器的输入端，入射波在此处产生折反射，一个幅值为-U0/2的电压波反射回T1传输线，同时一个幅值为-U0/2的电压波入射至T2传输线，此时会在变压器输入端产生一个幅值为U0的电压。在经过几次折反射后会在传输线变压器的输入端产生一个幅值为充电电压U0、脉宽为2τ1的脉冲。
如图2所示，本发明公开的n级发生器包括：n个单级Blumlein传输线和n个二级传输线变压器，以及MOS管开关电路S1i、MOS管开关电路S2i、高压直流电源和充电电阻Ri。n为大于或等于2的自然数。i＝1、2……n。
第i个单级Blumlein传输线由微带传输线T1i和微带传输线T2i组成。第i个二级传输线变压器由微带传输线t1i和微带传输线t2i组成。
所述微带传输线T1i的两端分别记为Ai端和ai端，其金属线的两端分别记为AJi端和aji端，其接地板的两端分别记为ABi端和abi端。
所述微带传输线T2i的两端分别记为Bi端和bi端，其金属线的两端分别记为BJi端和bji端，其接地板的两端分别记为BBi端和bbi端。
所述微带传输线t1i的输入端记为Ci端、输出端记为ci端，其金属线的两端分别记为CJi端和cji端，其接地板的两端分别记为CBi端和cbi端。
所述微带传输线t2i的输入端记为Di端、输出端记为di端，其金属线的两端分别记为DJi端和dji端，其接地板的两端分别记为DBi端和dbi端。
Ci端和Di端为第i个二级传输线变压器的输入端。
所述高压直流电源包括电极I和电极II。
电极I并联充电电阻Ri后，形成接入MOS管开关电路S1i的端子，该端子与AJi端的通断，是通过入MOS管开关电路S1i来控制的。
电极II连接微带传输线T1i和微带传输线T2i的接地板。
电极II与AJi端的通断，是通过MOS管开关电路S2i来控制的。
aji端连接微带传输线t1i和微带传输线t2i的接地板。
bji端连接CJi端和DJi端。
cbi端和dji端连接在一起。dbk端与cjk+1端连接，k＝1、2……n-1
cj1端和dbn端之间接入负载ZL。
Blumlein传输线中每条传输线的特征阻抗为Z0，电长度为τ1，传输线变压器中每条传输线的阻抗为Z1，电长度为τ2，负载阻抗为ZL，当ZL＝2nZ1＝8nZ0时，整个系统阻抗匹配，脉冲形成过程如下：
开关S1i闭合、S2i断开，高压直流电源通过充电电阻Ri对Blumlein传输线进行充电至电压U0 。之后在t＝0时开关S1i断开、S2i闭合，Aji端被强迫接地，产生一个幅值为-U0 的电压波向远离Ai端方向传播，在t＝τ1时到第i个二级传输线变压器的输入端，入射波在此处产生折反射，一个幅值为-U0/2的电压波反射回T1i传输线，同时一个幅值为-U0/2的电压波入射至T2i传输线，此时会在变压器输入端产生一个幅值为U0的电压。在经过几次折反射后会在传输线变压器的输入端产生一个幅值为2nU0、脉宽为2τ1的脉冲。
值得说明的是，现有的传输线一般有两种实现方式，即同轴电缆和微带线。但是因为同轴电缆只有几个特定的阻抗值，所以无法与特定负载进行阻抗匹配。同时若使用同轴电缆，当脉宽较宽时所需同轴电缆尺寸较大，会使得发生器体积增大，不符合发生器紧凑化的趋势。使用微带线作传输线的方式可以解决上述问题，通过改变微带线的宽度、介质、高度可以方便的改变传输线的特征阻抗，达到与负载阻抗匹配的目的。同时可以使用多层PCB板及蛇形走线的方式增加传输线的长度，使得发生器结构紧凑，体积大大减小。
本发明中，所公开的拓扑结构使用Blumlein传输线结合传输线变压器进行模块化设计，在每个模块中使用Blumlein产生初级脉冲，之后使用一个二级的传输线变压器对初级脉冲进行放大输出，多个模块之间可以进行级联输出，提高输出功率，减小输入输出阻抗变比。同时，使用这种组合设计可以保证阻抗不匹配时主脉冲波形不变。使用微带线设计所用到的传输线，减小了发生器尺寸，实现紧凑型设计。同时使用MOS管作为开关，实现脉宽、频率可调。本次设计中提出的拓扑结构产生的高压、高频纳秒脉冲将有利于纳秒脉冲治疗肿瘤技术的研究。
附图说明
图1为单级发生器理原理图。
图2为n级发生器理原理图。
图3为单级发生器理想输出波形。
图4为n级发生器理想输出波形。
图5为微带线结构示意图图。
图6为PCB型微带传输线俯视图。
图7为固态开关控制信号流程图。
图8为开关控制时序图。
图9为发生器测试平台。
图10为不同充电电压下负载波形。
图11为充电电压为1000V时负载波形。
图12为充电电压为1000V时负载波形。
图13为充电电压为1000V时不同级数下负载波形。
图14为充电电压为1000V时不同负载下输出波形。
图15为二级传输线变压器中的次级线。
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PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器：
如图1所示，本发明公开的单级发生器包括：一个单级Blumlein传输线和一个二级传输线变压器，以及MOS管开关电路S1、MOS管开关电路S2、高压直流电源和充电电阻R。
所述单级Blumlein传输线由微带传输线T1和微带传输线T2组成。所述二级传输线变压器由微带传输线t1和微带传输线t2组成。
所述微带传输线T1的两端分别记为A端和a端，其金属线的两端分别记为AJ端和aj端，其接地板的两端分别记为AB端和ab端。
所述微带传输线T2的两端分别记为B端和b端，其金属线的两端分别记为BJ端和bj端，其接地板的两端分别记为BB端和bb端。
所述微带传输线t1的输入端记为C端、输出端记为c端，其金属线的两端分别记为CJ端和cj端，其接地板的两端分别记为CB端和cb端。
所述微带传输线t2的输入端记为D端、输出端记为d端，其金属线的两端分别记为DJ端和dj端，其接地板的两端分别记为DB端和db端。
C端和D端为二级传输线变压器的输入端。
所述高压直流电源包括电极I和电极II。
电极I串联充电电阻R后，形成接入MOS管开关电路S1的端子，这一个端子与AJ端的通断，是通过MOS管开关电路S1来控制的。
电极II连接微带传输线T1和微带传输线T2的接地板。
电极II与AJ端的通断，是通过MOS管开关电路S2来控制的。
aj端连接微带传输线t1和微带传输线t2的接地板。
bj端连接CJ端和DJ端。
cb端和dj端连接在一起。
cj端和db端之间接入负载ZL。
Blumlein传输线中每条传输线的特征阻抗为Z0，电长度为τ1，传输线变压器中每条传输线的阻抗为Z1，电长度为τ2，负载阻抗为ZL，当ZL＝2Z1＝8Z0时，整个系统阻抗匹配，脉冲形成过程如下：
开关S1闭合、S2断开，高压直流电源通过充电电阻R对Blumlein传输线进行充电至电源电压U0。之后在t＝0时开关S1断开、S2闭合，Aj端被强迫接地，产生一个幅值为-U0的电压波向远离A端方向传播，在t＝τ1时到二级传输线变压器的输入端，入射波在此处产生折反射，一个幅值为-U0/2的电压波反射回T1传输线，同时一个幅值为-U0/2的电压波入射至T2传输线，此时会在变压器输入端产生一个幅值为U0的电压。在经过几次折反射后会在传输线变压器的输入端产生一个幅值为充电电压U0、脉宽为2τ1的脉冲。
由于传输线变压器输入端并联，在前面产生的电压波会分别沿着两条传输线向负载方向传播。电压波在经过τ2时间后到达负载端，在负载端存在电压波的折反射，折反射系数分别为：
其中α1为反射系数，β1为折射系数。因此当一个幅值为U0的电压波在传输线变压器端输入时，负载上的电压幅值为4ZLU0/(2Z1+ZL)，因为阻抗匹配，所以负载上的电压为2U0。同时，当电压波到达负载端时，每条传输线中有一个幅值为(ZL-2Z1)U0/(2Z1+ZL)的电压波向着远离负载的方向传播，因为阻抗匹配所以这个电压波幅值为0，即电路中不再有电压波的折反射。最终在负载上形成一个幅值为2U0、脉宽为2τ1的脉冲。单级发生器的理想输出波形如图3所示。
值得说明的是，本发明(包括实施例1和2)的传输线全部使用微带线的形式实现。如图5所示是一个微带线的基本结构，其中主要包含导带、介质基板和接地板三个部分。微带线具有两个重要的参数，分别是特性阻抗Z和电长度τ。通过改变导带宽度、介质基片类型可以方便的改变微带线的特性阻抗。
在准静态TEM传输模式下，微带线特性阻抗Z的近似求解公式(在0.05<w/h<20,εγ＜16范围内，精度优于1％)：
其中，w是微带线导带的宽度，h是介质基板的高度，εeff为等效介电常数。等效介电常数εeff的计算公式为：
式中，εr为介质基板相对介电常数。
公式(3)(4)给出了在已知微带传输线的物理尺寸情况下，求解微带线特性阻抗Z的方法。但在设计过程中，一般需要先确定微带线的特性阻抗Z，进而确定微带线的尺寸。在已知微带线阻抗Z的情况下，微带线的物理尺寸的计算公式如下：
其中：
微带传输线相速度计算公式为：
微带传输线导带长度L计算公式：
式中，c为光速(3×108m/s)。L为微带传输线导体带长度，m。
在本次设计中，选取FR4作为介质基板材料，其相对介电常数为4.4，介质基板的厚度为1.6mm。发生器中Blumlein传输线中的每条传输线特性阻抗为25Ω，传输线变压器中每条传输线的特性阻抗为100Ω，这样可以实现传输线间的阻抗匹配。设计发生器的输出脉宽为20ns，所以Blumlein传输线中每条传输线的电长度为10ns。设计传输线变压器中每条传输线的电长度为20ns。两种传输线的参数如表1所示，其中MSL-1为Blumlein传输线中的传输线，MSL-2代表传输线变压器中的传输线。整个的微带线设计使用印制电路板(PCB)实现。整个PCB设计的俯视图如图6所示，在图中上方为Blumlein传输线，下方为传输线变压器。在设计中使用弯曲走线方式，减小了走线所占的面积，从而减小了整个发生器的体积。
表1 微带传输线参数表
为了实现发生器高频纳秒脉冲的要求，需要一种能够工作在高频下的固态功率开关。本发明(包括实施例1和2)选用了IXYS公司的DE475开关，搭配能够提供大驱动电流的驱动芯片IXRFD631。因为需要每个单元模块中的开关同步导通，所以使用FPGA来产生多路同步的触发信号。整个控制回路如图7所示，用FPGA产生并行同步的控制信号，控制信号通过光纤传递至驱动芯片的输入端，进而驱动MOS管工作。控制信号使用光纤进行传递，可以隔离高压电路对低压控制电路的影响，使系统稳定工作。每个单元模块使用两组开关，一组为充电开关S1，一组为放电开关S2，每组开关由两个MOS管串联而成。两组开关导通时序如图8所示：在放电开关闭合之前，充电开关断开，减小了流过放电开关的电流，降低了开关压力，同时也减小了电源的输出功率。
实施例2：
如图2所示，本发明公开的n级发生器包括：n个单级Blumlein传输线和n个二级传输线变压器，以及MOS管开关电路S1i、MOS管开关电路S2i、高压直流电源和充电电阻Ri。n为大于或等于2的自然数。i＝1、2……n。
第i个单级Blumlein传输线由微带传输线T1i和微带传输线T2i组成。第i个二级传输线变压器由微带传输线t1i和微带传输线t2i组成。
所述微带传输线T1i的两端分别记为Ai端和ai端，其金属线的两端分别记为AJi端和aji端，其接地板的两端分别记为ABi端和abi端。
所述微带传输线T2i的两端分别记为Bi端和bi端，其金属线的两端分别记为BJi端和bji端，其接地板的两端分别记为BBi端和bbi端。
所述微带传输线t1i的输入端记为Ci端、输出端记为ci端，其金属线的两端分别记为CJi端和cji端，其接地板的两端分别记为CBi端和cbi端。
所述微带传输线t2i的输入端记为Di端、输出端记为di端，其金属线的两端分别记为DJi端和dji端，其接地板的两端分别记为DBi端和dbi端。
Ci端和Di端为第i个二级传输线变压器的输入端。
所述高压直流电源包括电极I和电极II。
电极I并联充电电阻Ri后，形成接入MOS管开关电路S1i的端子，该端子与AJi端的通断，是通过入MOS管开关电路S1i来控制的。
电极II连接微带传输线T1i和微带传输线T2i的接地板。
电极II与AJi端的通断，是通过MOS管开关电路S2i来控制的。
aji端连接微带传输线t1i和微带传输线t2i的接地板。
bji端连接CJi端和DJi端。
cbi端和dji端连接在一起。dbk端与cjk+1端连接，k＝1、2……n-1
cj1端和dbn端之间接入负载ZL。
Blumlein传输线中每条传输线的特征阻抗为Z0，电长度为τ1，传输线变压器中每条传输线的阻抗为Z1，电长度为τ2，负载阻抗为ZL，当ZL＝2nZ1＝8nZ0时，整个系统阻抗匹配，脉冲形成过程如下：
开关S1i闭合、S2i断开，高压直流电源通过充电电阻Ri对Blumlein传输线进行充电至电压U0 。之后在t＝0时开关S1i断开、S2i闭合，Aji端被强迫接地，产生一个幅值为-U0 的电压波向远离Ai端方向传播，在t＝τ1时到第i个二级传输线变压器的输入端，入射波在此处产生折反射，一个幅值为-U0/2的电压波反射回T1i传输线，同时一个幅值为-U0/2的电压波入射至T2i传输线，此时会在变压器输入端产生一个幅值为U0的电压。在经过几次折反射后会在传输线变压器的输入端产生一个幅值为2nU0、脉宽为2τ1的脉冲。
在整个系统中，各个模块使用同一个高压直流电源供电。在脉冲形成期间，每个单元模块中开关S1、S2同步作用，各单元模块中的Blumlein传输线同步产生初级脉冲。在每个单元模块中初级脉冲经过传输线变压器向负载端传输。当各条传输线的脉冲传输至负载端时，在负载端产生折反射，折反射系数分别为：
其中αn为反射系数，βn为折射系数。因此当各条传输线上一个幅值为U0的电压波同时传输到负载端时，负载上的电压幅值为4nZLU0/(2nZ1+ZL)，因为阻抗匹配，所以负载上的电压为2nU0。同时，当电压波到达负载端时，每条传输线中有一个幅值为(ZL-2nZ1)U0/(2nZ1+ZL)的电压波向着远离负载的方向传播，因为阻抗匹配所以这个电压波幅值为0，即电路中不再有电压波的折反射。最终在负载上形成一个幅值为2nU0、脉宽为2τ1的脉冲。n级发生器的理想输出波形如图4所示。由发生器的原理分析可以看出在阻抗匹配时，传输线变压器输入端的脉冲电压幅值与负载电压幅值之比为1:2n，变压器输入端端阻抗与负载阻抗之比为1:4n。而普通的传输线变压器若要在阻抗匹配的情况下实现1:2n的输入输出电压比，输入端阻抗与负载阻抗的阻抗比为1:4n2。所以这种拓扑结构与普通的传输线变压器相比，在实现相同电压比的情况下，能够大大的减小输出阻抗，使发生器更适用于小阻抗负载，适用范围更广。此外，因为使用了模块化设计，所以可以更容易调节输出电压。
关于技术效果的测试：
依照实施例2拓扑结构(图2)搭建了一个两级的脉冲发生器。依据测试要求搭建了测试平台，测试了在阻抗匹配和阻抗不匹配两种情况下的负载波形，并对负载波形进行了讨论分析。
(一)测试系统
搭建如图9所示的发生器测试平台。实验所用的电源为天津东文DW-P102-40ACEO型高压直流电源，可以提供1000V、40mA的高压直流。示波器使用力科的WAVEPRO7Zi-A示波器，带宽4-GHz。探头使用力科的PPE5kV高压探头，带宽400MHz，满足测试精度要求。
(二)发生器性能测试
1、负载阻抗匹配测试
在阻抗匹配时，负载ZL阻抗为400欧姆，使用无感电阻作为负载进行测试。
(1)不同充电电压下的负载波形
不同电场强度下的生物作用效果，需要发生器具有不同电压等级的输出。本专利中测试了发生器在不同充电电压下的输出波形。当充电电压分别为400V、600V、800V、1000V时，负载波形如图10所示。在充电电压为1000V时，波形的展开图如图11所示。由图10，可以看出随着充电电压的上升，负载波形幅值也升高。在不同充电电压下，负载波形除幅值变化外，波形基本保持一致。由图11可以看出脉冲的上升沿和下降沿均为10ns左右，半高宽约20ns，符合设计要求。
(2)高频下负载波形
高频纳秒脉冲作用下的生物学效应，需要发生器能够输出高频的纳秒脉冲。本专利测试了在充电电压为1000V，频率为10kHz时的输出波形，如图12所示。在高频情况下，发生器能够稳定输出。
(3)不同级数下负载波形
为了测试发生器的在不同级数下的性能，验证发生器的拓扑结构，对发生器进行了一级和两级单元模块情况下的输出测试。在充电电压为1000V，并且阻抗匹配时，测试结果如图13所示。两个波形主脉冲除幅值外在波形上基本相同。在单级发生器情况下，主脉冲电压效率为70％左右，在两级发生器下，主脉冲电压效率大约为60％。
(4)负载阻抗不匹配测试
为了检验发生器在负载端阻抗不匹配时的性能，在两级单元模块情况下，测试了负载的输出波形。当充电电压为1000V，负载分别为200欧、400欧(阻抗匹配)、600欧时，负载波形如图14所示。当负载为600欧时，负载波形幅值相对于阻抗匹配时升高，反之，当负载为200欧时，输出波形幅值下降。但在不同负载下，输出波形的主脉冲波形除幅值外始终保持一致。
测试结论：
结合发生器性能测试的结果，本节主要针对测试中阻抗匹配时发生器的效率问题和阻抗不匹配时的波形问题进行了如下分析：
1、关于阻抗匹配时发生器的效率问题
由图13可以看出，充电电压为1000V时，单级发生器的输出峰值电压为期望值的70％左右。两级发生器的输出电压峰值为期望值的60％左右，这可能是由于以下几个原因造成：首先，传输线本身存在介质损耗，这主要与传输线的宽度以及介质的相对介电常数有关，这些损耗是固定存在的，并且传输线变压器的线宽只有0.63mm，会产生很大的损耗。其次，传输线变压器中存在次级线的问题，在脉冲形成过程期间，次级线会与负载分压，并且对负载波形产生影响。
这里以二级传输线变压器为例进行分析：如图15所示，传输线变压器中存在两条短路路径，当电压波到达输出端时，会在短路路径中会有一个反射波沿着远离负载的方向传播，当到达传输线变压器输入端时，由于次级线在输入端短路，反射系数为-1，电压波被全部反射回来，在两倍的次级线电长度之后最终作用到负载上面。因为次级线的存在会改变传输线变压器输出端的折反射系数，次级线与负载分压，造成电压幅值的下降，并且入射到次级线的电压波最终会作用在负载上面，造成波形的震荡。但是由于采用了弯曲走线的方式，次级线并不规则，难以确定次级线的阻抗，因此难以确定他对脉冲波形的具体影响。
2、阻抗不匹配时的波形问题
如图14所示，负载阻抗不匹配时，输出波形主脉冲形状并不会发生改变，只是电压幅值会有调整。这可以根据脉冲形成期间的波过程进行分析。下面以一级发生器进行分析：如图1所示，在脉冲形成过程中，当一个幅值为V的电压波在传输线变压器端输入时，负载上的电压幅值为4ZLU0/(2Z1+ZL)，当阻抗匹配时，输出电压幅值为2U0，当负载升高时，电压幅值升高，负载下降时，电压幅值下降。同时，当电压波到达负载端时，每条传输线中有一个幅值为(ZL-2Z1)U0/(2Z1+ZL)的电压波向着远离负载的方向传播，当到达Blumlein的输出端时，由于该点阻抗匹配，所有的电压波均馈入Blumlein的两条传输线，在经过几次折反射之后会重新馈入传输线变压器，但此时主脉冲已经形成，因此虽然阻抗不匹配时存在折反射，但是不会对主脉冲产生波形上的影响。
综上所述，本专利提出了一种基于Blumlein传输线和传输线变压器的模块化设计的新型拓扑结构来产生高频纳秒脉冲。其公开的拓扑结构结合了Blumlein传输线和传输线变压器的优势，在保证电压变比的情况下，减小了输入输出阻抗的变比。在发生器的设计中使用了微带线作为传输线，可以方便的与负载进行阻抗匹配，并且大大提高了系统的紧凑性。在开关方面使用了MOS管，方便系统产生高频窄脉冲，并实现系统的全固态设计。验证过程中，搭建了两级模块发生器验证了所提出的设计方案。搭建的发生器可以用来进行高频纳秒脉冲治疗肿瘤技术的微观机理研究。

Claims (2)

1.一种基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器，其特征在于，一个单级发生器包括：一个单级Blumlein传输线和一个二级传输线变压器，以及MOS管开关电路S1、MOS管开关电路S2、高压直流电源和充电电阻R；
所述单级Blumlein传输线由微带传输线T1和微带传输线T2组成；所述二级传输线变压器由微带传输线t1和微带传输线t2组成；
所述微带传输线T1的两端分别记为A端和a端，其金属线的两端分别记为AJ端和aj端，其接地板的两端分别记为AB端和ab端；
所述微带传输线T2的两端分别记为B端和b端，其金属线的两端分别记为BJ端和bj端；
所述微带传输线t1的输入端记为C端、输出端记为c端，其金属线的两端分别记为CJ端和cj端；其接地板的两端分别记为CB端和cb端；
所述微带传输线t2的输入端记为D端、输出端记为d端，其金属线的两端分别记为DJ端和dj端，其接地板的两端分别记为DB端和db端；
C端和D端为二级传输线变压器的输入端；
所述高压直流电源包括电极I和电极II；
电极I串联充电电阻R后，形成接入MOS管开关电路S1的端子，这一个端子与AJ端的通断，是通过MOS管开关电路S1来控制的；
电极II连接微带传输线T1和微带传输线T2的接地板；
电极II与AJ端的通断，是通过MOS管开关电路S2来控制的；
aj端连接微带传输线t1和微带传输线t2的接地板；
bj端连接CJ端和DJ端；
cb端和dj端连接在一起；
cj端和db端之间接入负载ZL；
Blumlein传输线中每条传输线的特征阻抗为Z0，电长度为τ1，传输线变压器中每条传输线的阻抗为Z1，电长度为τ2，负载阻抗为ZL，当ZL＝2Z1＝8Z0时，整个系统阻抗匹配，脉冲形成过程如下：
开关S1闭合、S2断开，高压直流电源通过充电电阻R对Blumlein传输线进行充电至电源电压U0；之后在t＝0时开关S1断开、S2闭合，AJ端被强迫接地，产生一个幅值为-U0的电压波向远离A端方向传播，在t＝τ1时到二级传输线变压器的输入端，入射波在此处产生折反射，一个幅值为-U0/2的电压波反射回T1传输线，同时一个幅值为-U0/2的电压波入射至T2传输线，此时会在变压器输入端产生一个幅值为U0的电压；在经过几次折反射后会在传输线变压器的输入端产生一个幅值为充电电压U0、脉宽为2τ1的脉冲。
2.一种基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器，其特征在于，一个n级发生器包括：n个单级Blumlein传输线和n个二级传输线变压器，以及MOS管开关电路S1i、MOS管开关电路S2i、高压直流电源和充电电阻Ri；n为大于或等于2的自然数；i＝1、2……n；
第i个单级Blumlein传输线由微带传输线T1i和微带传输线T2i组成；第i个二级传输线变压器由微带传输线t1i和微带传输线t2i组成；
所述微带传输线T1i的两端分别记为Ai端和ai端，其金属线的两端分别记为AJi端和aji端；
所述微带传输线T2i的两端分别记为Bi端和bi端，其金属线的两端分别记为BJi端和bji端；
所述微带传输线t1i的输入端记为Ci端、输出端记为ci端，其金属线的两端分别记为CJi端和cji端；其接地板的两端分别记为CBi端和cbi端
所述微带传输线t2i的输入端记为Di端、输出端记为di端，其金属线的两端分别记为DJi端和dji端；其接地板的两端分别记为DBi端和dbi端
Ci端和Di端为第i个二级传输线变压器的输入端；
所述高压直流电源包括电极I和电极II；
电极I并联充电电阻Ri后，形成接入MOS管开关电路S1i的端子，该端子与AJi端的通断，是通过入MOS管开关电路S1i来控制的；
电极II连接微带传输线T1i和微带传输线T2i的接地板；
电极II与AJi端的通断，是通过MOS管开关电路S2i来控制的；
aji端连接微带传输线t1i和微带传输线t2i的接地板；
bji端连接CJi端和DJi端；
cbi端和dji端连接在一起；dbk端与cjk+1端连接，k＝1、2……n-1
cj1端和dbn端之间接入负载ZL；
Blumlein传输线中每条传输线的特征阻抗为Z0，电长度为τ1，传输线变压器中每条传输线的阻抗为Z1，电长度为τ2，负载阻抗为ZL，当ZL＝2nZ1＝8nZ0时，整个系统阻抗匹配，脉冲形成过程如下：
开关S1i闭合、S2i断开，高压直流电源通过充电电阻Ri对Blumlein传输线进行充电至电压U0；之后在t＝0时开关S1i断开、S2i闭合，AJi端被强迫接地，产生一个幅值为-U0的电压波向远离Ai端方向传播，在t＝τ1时到第i个二级传输线变压器的输入端，入射波在此处产生折反射，一个幅值为-U0/2的电压波反射回T1i传输线，同时一个幅值为-U0/2的电压波入射至T2i传输线，此时会在变压器输入端产生一个幅值为U0的电压；在经过几次折反射后会在传输线变压器的输入端产生一个幅值为2nU0、脉宽为2τ1的脉冲。
CN201710260488.5A 2017-04-20 2017-04-20 基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器 Active CN106941346B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710260488.5A CN106941346B (zh) 2017-04-20 2017-04-20 基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710260488.5A CN106941346B (zh) 2017-04-20 2017-04-20 基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106941346A CN106941346A (zh) 2017-07-11
CN106941346B true CN106941346B (zh) 2019-09-24

Family

ID=59464237

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710260488.5A Active CN106941346B (zh) 2017-04-20 2017-04-20 基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106941346B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108540007A (zh) * 2018-04-09 2018-09-14 重庆大学 一种极性可调的模块化高重频纳秒脉冲发生器
EP3667912A1 (en) * 2018-12-14 2020-06-17 ABB Schweiz AG Transmission line-based short pulse generator with energy recovery
CN109999340A (zh) * 2019-04-29 2019-07-12 杭州睿笛生物科技有限公司 一种负载自适应纳秒脉冲产生装置
CN111464067B (zh) * 2020-03-17 2021-07-06 重庆大学 高频极短电子枪栅极调控脉冲电源系统
CN111900955B (zh) * 2020-07-09 2022-08-09 西安交通大学 一种多路高压脉冲同步触发系统及方法
CN113783555B (zh) * 2021-08-19 2024-01-30 重庆大学 一种基于电感储能形成线的纳秒短脉冲功率调制拓扑结构及调制方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102158117A (zh) * 2011-03-24 2011-08-17 浙江大学 基于传输线变压器耦合多开关驱动变阻线的脉冲功率系统
CN204928617U (zh) * 2015-07-16 2015-12-30 中国科学院光电研究院 一种纳秒脉冲电源
CN105281716A (zh) * 2015-09-15 2016-01-27 重庆大学 一种基于层叠Blumlein带状线型高压纳秒脉冲发生器

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7884504B2 (en) * 2008-03-03 2011-02-08 General Electric Company Transmission line based high voltage pulse generator

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102158117A (zh) * 2011-03-24 2011-08-17 浙江大学 基于传输线变压器耦合多开关驱动变阻线的脉冲功率系统
CN204928617U (zh) * 2015-07-16 2015-12-30 中国科学院光电研究院 一种纳秒脉冲电源
CN105281716A (zh) * 2015-09-15 2016-01-27 重庆大学 一种基于层叠Blumlein带状线型高压纳秒脉冲发生器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"A Multiparameter Adjustable, Portable High-Voltage Nanosecond Pulse Generator Based on Stacked Blumlein Multilayered PCB Strip Transmission Line";Yan Mi等;《IEEE Transactions on Plasma Science》;20160616;第44卷(第10期);2022-2029 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN106941346A (zh) 2017-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106941346B (zh) 基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器
Huiskamp et al. Fast pulsed power generation with a solid-state impedance-matched Marx generator: Concept, design, and first implementation
CN102427346A (zh) 一种纳秒级上升沿高压方波脉冲发生器
US8598813B2 (en) High voltage RF opto-electric multiplier for charge particle accelerations
CN106787924A (zh) 一种高电压长脉宽准方波脉冲发生器
CN102931948B (zh) 一种快开关与Blumlein线一体化的高压亚纳秒脉冲源
US8004120B2 (en) High power bipolar pulse generators
CN103746595A (zh) 一种高功率长脉冲功率源
CN108540007A (zh) 一种极性可调的模块化高重频纳秒脉冲发生器
US5656873A (en) Transmission line charging
CN111082784B (zh) 一种基于双路Marx相切的全固态纳秒脉冲发生器
CN110890876B (zh) 雪崩三极管串并结构Marx电路高频高压皮秒脉冲发生器及应用
Roh et al. Analysis of output pulse of high voltage and nanosecond Blumlein pulse generator
CN106656112A (zh) 一种多路叠加型高压纳秒脉冲源
Yao et al. High-voltage subnanosecond pulsed power source with repetitive frequency based on Marx structure
CN114665845B (zh) 一种基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源
CN206564577U (zh) 一种多路叠加型高压纳秒脉冲源
US11218182B2 (en) Systems and methods for generating radio frequency signals
CN103269214B (zh) 一种方波触发的薄膜电容Blumlein型脉冲形成系统
Tyo et al. Differentially fed high-power microwave antennas using capacitively coupled hyperband inverters
CN203708133U (zh) 一种高功率长脉冲功率源
Tyo et al. Frequency and bandwidth agile pulser for use in wideband applications
CN204993280U (zh) 一种管式纳秒级高压陡脉冲源
Wijetunga et al. Electrical modeling of pulsed power systems for biomedical applications
Gundersen et al. Nanosecond pulse generator using a fast recovery diode

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant