CN107727980A - 一种用于浪涌防护器件超宽带脉冲注入测试的测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防护器件响应测试领域，提出一种用于浪涌防护器件超宽带脉冲注入测试的测试系统。提出的一种用于超宽带脉冲注入测试的测试系统具有用以为待测试器件提供脉冲信号的高压亚纳秒脉冲源；高压亚纳秒脉冲源采用50级的MARX电路，为待测试器件提供上升前沿180ps，幅值3100V，半高宽300ps的脉冲信号；高压亚纳秒脉冲源的输出端连接在测试夹具的一端；测试夹具的另一端通过衰减器、同轴线连接示波器；高压亚纳秒脉冲源、同轴线、测试夹具和示波器的特性阻抗相同，均为50Ω。本发明保证了脉冲源输出的高频测试信号在传输过程中波形的不失真和测试过程中的准确性，可实现不同脉冲电压幅值下防护器件的响应测试。

Description

一种用于浪涌防护器件超宽带脉冲注入测试的测试系统

技术领域

本发明涉及防护器件响应测试领域，尤其是涉及一种用于浪涌防护器件超宽带脉冲注入测试的测试系统。

背景技术

近年来，强电磁脉冲对电子信息设备安全构成了严峻威胁，对其防护技术的研究已经引起了广泛重视。超宽带属于强电磁脉冲的一种，随着脉冲功率技术的发展，超宽带脉冲源功率不断增大，其在电子信息设备电缆上耦合的传导骚扰是设备面临的重要威胁之一；使用浪涌防护器件是防止传导骚扰损伤的一种有效手段，防护器件在超宽带脉冲下的响应特性如何，决定了其浪涌防护特性。

超宽带属于高功率微波的一种，相对于雷电、核电磁脉冲等强电磁脉冲，超宽带具有更快的时域上升前沿，通常已达亚纳秒量级；目前防护器件在雷电及纳秒前沿电磁脉冲下的响应测试方法已较为成熟，而针对亚纳秒量级的超宽带脉冲响应，目前尚无相关的测试方法和规范，防护器件在超宽带脉冲注入下的响应性能也缺乏有效的试验检验。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于浪涌防护器件超宽带脉冲注入测试的测试系统,在于解决目前缺乏防护器件超宽带脉冲响应测试系统的问题。

为了实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于浪涌防护器件超宽带脉冲注入测试的测试系统，所述的测试系统具有用以为待测试器件提供脉冲信号的高压亚纳秒脉冲源；所述的高压亚纳秒脉冲源采用50级的MARX电路，为待测试器件提供上升前沿180ps，幅值3100V，半高宽300ps的脉冲信号；所述的高压亚纳秒脉冲源的输出端通过可调衰减器连接在测试夹具的一端；所述测试夹具的另一端通过衰减器、同轴线连接示波器；高压亚纳秒脉冲源、同轴线、测试夹具和示波器的特性阻抗相同，均为50Ω。

所述的高压亚纳秒脉冲源由50组雪崩三极管与电容组合而成；50组MARX电路的电容分别串接在雪崩三极管集电极的管脚上，并通过电阻接地；其中第一组MARX电路雪崩三极管的基极连通触发信号，将50组MARX电路的电容在第一组MARX电路中的雪崩三极管连通触发信号后由并联转换为串联，使50组MARX电路的雪崩三极管相继雪崩后，在最后一组MARX电路的电容右端得到脉冲幅值为50倍E_C的瞬间电压脉冲，50个所述的电容串联后经过两电阻对地放电，电势将迅速凋落，从而形成快速凋落的脉冲后沿；

对于n级雪崩三级管构成的MARX电路，当三极管全部导通后，n个充电电容串联放电，为简化分析，假设n级充电电容取相同值C ₀ ，则C=C ₀ /n，放电回路寄生电感为L ₀ ；考虑电容串联起来对负载R _L 放电，可列回路方程如下：

（1）

经整理得：

（2）

其中u _c (t)为电容上电压，等效电路初始条件：i(0)=0，u _c (0)=u ₀ ，u₀为各级雪崩电容上的初始放电电压叠加和，u ₀ ≈n·V _CC ；

如果L ₀ 很大，则，电路处于振荡放电状态，负载电阻上产生振荡衰减的电压信号，这种情况应该避免；

因此，忽略L ₀ 时，由公式（2）可得负载上的电压为：

（3）

式中，R _L C是电路的时间常数，用表示；其中为整个放电回路的时间常数，其取值为：

（4）

其中，n为MARX电路级数，R _L 为负载电阻，C ₀ 为每一级的充电电容，r为每级传输过程中的等效电阻，主要由三极管导通后的等效电阻和电容接触电阻组成，取值为3Ω；

式（3）表达式忽略了脉冲的前沿，当时，，据此得出脉冲半高宽与充电电容的关系；

此处设计半高宽t=500ps，可求得

（5）

公式（3）忽略了电路中杂散电感的影响，杂散电感的存在会导致脉冲波形展宽，因此设计电容C应小于公式（5）的计算结果；综合考虑以上因素，该脉冲源的每级充电电容C设计为100pF，采用高压贴片电容；

脉冲源电路中充电电阻采用3.3kΩ的贴片电阻；电路板材选用1mm厚的F4B-2高频板材，为保证阻抗匹配，将电路板的特性阻抗设定为50Ω；公式（6）为微带线的特性阻抗计算公式；

（6）

式中为板材的介电常数， w为板材厚度，取1mm，可求得微带线宽度h=2.7mm；

脉冲源的触发信号由外部触发电路注入，采用方波信号发生器提供TTL正电平触发信号，方波脉冲上升沿为20ns，可产生单脉冲或高重频TTL信号。

本发明提供的一种用于浪涌防护器件超宽带脉冲注入测试的测试系统，将整个测试系统不同装置的特性阻抗均设计为50Ω，保证了脉冲源输出的高频测试信号在传输过程中波形的不失真；保证了测试过程中的准确性；测试系统中的高压亚纳秒脉冲源和同轴测试夹具分别起到了模拟超宽带脉冲输出和在高频电路中夹持器件的作用，通过可调衰减器的应用，可实现不同脉冲电压幅值下防护器件的响应测试。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中高压亚纳秒脉冲源的电路图。

图中：1、示波器，2、同轴线，3、衰减器，4、测试夹具、5、SMA接头，6、可调衰减器，7、高压亚纳秒脉冲源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种浪涌防护器件超宽带脉冲注入测试的测试系统，所述的测试系统具有用以为待测试器件提供脉冲信号的高压亚纳秒脉冲源7；所述的高压亚纳秒脉冲源7采用50级的MARX电路，为待测试器件提供上升前沿180ps，幅值3100V，半高宽300ps的脉冲信号；所述的高压亚纳秒脉冲源7的输出端通过可调衰减器6连接在测试夹具4的一端；可调衰减器用以调节作用到测试器件两端的电压，可研究测试器件在不同幅值脉冲电压下的响应;所述测试夹具4的另一端通过衰减器3、同轴线2连接示波器1，高压亚纳秒脉冲源产生的超宽带脉冲信号经过同轴线传输作用到待测试器件两端，待测试器件管脚两端的残压值经衰减后在示波器上显示高压亚纳秒脉冲源7、同轴线2、测试夹具4和示波器1的特性阻抗相同，均为50Ω；为较为准确地测量上升沿为180ps的脉冲，所用示波器的带宽应大于2GHz，此处采用示波器的带宽为4GHz；该实施例中所述的测试夹具4采用专利号为2016204826960，名称为“一种多节渐变同轴式元件高压快脉冲响应测试夹具”的结构，在此不做过多说明。

如图2所示：所述的超宽带脉冲源电路，采用MARX电路实现，其工作原理可概括为“电容器并联充电，而后串联放电”。为模拟超宽带脉冲，该信号源的设计指标为具有百ps级的上升沿、kV级的电压幅值。脉冲源的MARX级数设计为50级，由电容并联变成电容串联是靠一组开关来达到，该开关为FMMT415型雪崩三极管，其动作时间为亚纳秒级。

触发信号由基极注入后，首先引起三极管T1的雪崩击穿，于是C2左端电势等于C1右端电压。此时，在C2右端可得2倍于E_C的瞬间电压，而此突增的电压施加于三极管T2集电极上，会引起三极管T2集电极和射极之间的电压差远大于U_CE击穿电压，这将使T2的雪崩过程进一步加速，引发雪崩击穿。以此类推，T3~T50三极管会相继雪崩，最终在C50右端得到理想条件下脉冲幅值达近50倍E_C的瞬间电压脉冲，电容C1~C50串联后只经过两电阻对地放电，电势将迅速凋落，从而形成快速凋落的脉冲后沿。

脉冲源的等效负载R _L1 为50Ω，使用多级MARX电路时，设定每级充电电压为300V，为了减小放电回路时间常数，电容通常在nF量级以下，这样的小电容充电电荷量有限且易于释放。此处设计脉冲源上升沿为200ps，半高宽为500ps，脉冲电压峰值大于3kV。脉冲电路所用的充电电容是一个重要参数，根据拟输出的脉冲波形要求，在经验公式的基础上进行选择。

对于n级雪崩三级管构成的MARX电路，当三极管全部导通后，n个充电电容串联放电，为简化分析，假设n级充电电容取相同值C ₀ ，则C=C ₀ /n，放电回路寄生电感为L ₀ 。考虑电容串联起来对负载R _L 放电，可列回路方程如下：

（1）

经整理得：

（2）

其中u _c (t)为电容上电压，等效电路初始条件：i(0)=0，u _c (0)=u ₀ ，u₀为各级雪崩电容上的初始放电电压叠加和，u ₀ ≈n·V _CC 。

如果L ₀ 很大，则，电路处于振荡放电状态，负载电阻上产生振荡衰减的电压信号，这种情况应该避免。

因此，忽略L ₀ 时，由公式（2）可得负载上的电压为：

（3）

式中，R _L C是电路的时间常数，用表示。其中为整个放电回路的时间常数，其取值为：

（4）

其中，n为MARX电路级数，R _L 为负载电阻，C ₀ 为每一级的充电电容，r为每级传输过程中的等效电阻，主要由三极管导通后的等效电阻和电容接触电阻组成，近似取值为3Ω。

式（3）表达式忽略了脉冲的前沿，当时，，据此可以估计脉冲半高宽与充电电容的关系。

此处设计半高宽t=500ps，可求得

（5）

公式（3）忽略了电路中杂散电感的影响，杂散电感的存在会导致脉冲波形展宽，因此设计电容C应小于公式（5）的计算结果。综合考虑以上因素，该脉冲源的每级充电电容C设计为100pF，采用高压贴片电容。

脉冲源电路中充电电阻采用3.3kΩ的贴片电阻。电路板材选用1mm厚的F4B-2高频板材，为保证阻抗匹配，将电路板的特性阻抗设定为50Ω。公式（6）为微带线的特性阻抗计算公式。

（6）

式中为板材的介电常数，，w为板材厚度，取1mm，可近似求得微带线宽度h=2.7mm。

脉冲源的触发信号由外部触发电路注入，采用方波信号发生器提供TTL正电平触发信号，方波脉冲上升沿约20ns，可产生单脉冲或高重频TTL信号。脉冲源在重复频率工作下输出功率较大，电路板会有明显的发热。为解决该问题，采用在电路板背面敷设散热片、加装风扇等手段尽量减少电路过热造成的不利影响。

本发明上述的实施例只是用来帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来讲，在不脱离本发明原理的前提下还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种浪涌防护器件超宽带脉冲注入测试的测试系统，其特征在于：所述的测试系统具有用以为待测试器件提供脉冲信号的高压亚纳秒脉冲源；所述的高压亚纳秒脉冲源采用50级的MARX电路，为待测试器件提供上升前沿180ps，幅值3100V，半高宽300ps的脉冲信号；所述的高压亚纳秒脉冲源的输出端通过可调衰减器连接在测试夹具的一端；所述测试夹具的另一端通过衰减器、同轴线连接示波器；高压亚纳秒脉冲源、同轴线、测试夹具和示波器的特性阻抗相同，均为50Ω。

2.如权利要求1所述的一种浪涌防护器件超宽带脉冲注入测试的测试系统，其特征在于：所述的高压亚纳秒脉冲源由50组雪崩三极管与电容组合而成；50组MARX电路的电容分别串接在雪崩三极管集电极的管脚上，并通过电阻接地；其中第一组MARX电路雪崩三极管的基极连通触发信号，将50组MARX电路的电容在第一组MARX电路中的雪崩三极管连通触发信号后由并联转换为串联，使50组MARX电路的雪崩三极管相继雪崩后，在最后一组MARX电路的电容右端得到脉冲幅值为50倍E_C的瞬间电压脉冲，50个所述的电容串联后经过两电阻对地放电，电势将迅速凋落，从而形成快速凋落的脉冲后沿；

对于n级雪崩三级管构成的MARX电路，当三极管全部导通后，n个充电电容串联放电，为简化分析，假设n级充电电容取相同值C ₀ ，则C=C ₀ /n，放电回路寄生电感为L ₀ ；考虑电容串联起来对负载R _L 放电，可列回路方程如下：

（1）

经整理得：

（2）

其中u _c (t)为电容上电压，等效电路初始条件：i(0)=0，u _c (0)=u ₀ ，u₀为各级雪崩电容上的初始放电电压叠加和，u ₀ ≈n·V _CC ；

如果L ₀ 很大，则，电路处于振荡放电状态，负载电阻上产生振荡衰减的电压信号，这种情况应该避免；

因此，忽略L ₀ 时，由公式（2）可得负载上的电压为：

（3）

式中，R _L C是电路的时间常数，用表示；其中为整个放电回路的时间常数，其取值为：

（4）

其中，n为MARX电路级数，R _L 为负载电阻，C ₀ 为每一级的充电电容，r为每级传输过程中的等效电阻，主要由三极管导通后的等效电阻和电容接触电阻组成，取值为3Ω；

式（3）表达式忽略了脉冲的前沿，当时，，据此得出脉冲半高宽与充电电容的关系；

此处设计半高宽t=500ps，可求得

（5）

公式（3）忽略了电路中杂散电感的影响，杂散电感的存在会导致脉冲波形展宽，因此设计电容C应小于公式（5）的计算结果；综合考虑以上因素，该脉冲源的每级充电电容C设计为100pF，采用高压贴片电容；

脉冲源电路中充电电阻采用3.3kΩ的贴片电阻；电路板材选用1mm厚的F4B-2高频板材，为保证阻抗匹配，将电路板的特性阻抗设定为50Ω；公式（6）为微带线的特性阻抗计算公式；

（6）

式中为板材的介电常数， w为板材厚度，取1mm，可求得微带线宽度h=2.7mm；

脉冲源的触发信号由外部触发电路注入，采用方波信号发生器提供TTL正电平触发信号，方波脉冲上升沿为20ns，可产生单脉冲或高重频TTL信号。