CN110391799A - 一种皮秒级脉冲发生装置 - Google Patents
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Abstract
一种皮秒级脉冲发生装置，属于脉冲功率技术领域。本发明提供的皮秒级脉冲发生装置，包括若干个高速开关电路串行级联，并且和储能电容器间隔设置，通过等长度传输线或延时器实现触发信号分配器同步触发高速开关电路。通过上述技术手段，加快了获得脉冲的上升过程，同时相比传统脉冲级联电路也有效减少了时间延迟，保证时域脉冲在皮秒级范围内精确叠加。本发明能够在保持脉冲上升时间达到皮秒量级(10ps)的同时，通过脉冲级联方式获得高功率(高达千伏)的脉冲幅度。本发明装置得到的脉冲信号由于持续时间短，脉冲幅度高，信号带宽大，将其用于超宽带通讯和定位领域、以及探地雷达等领域，可满足毫米级高精度定位或高分辨率雷达探测的特殊应用需求。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，特别涉及一种皮秒级脉冲发生装置。
背景技术
超短脉冲发生装置，可以用于产生无载波的时域脉冲，由于上升时间极短，脉冲信号拥有高达10GHz的带宽。这种超宽带时域脉冲以其信息容量大，分辨力高，保密性强等优点，广泛用于超宽带探地雷达、超宽带通讯与定位等领域。从某种程度上来讲，超短脉冲的形成技术已成为许多宽带应用中的核心技术。
产生超短脉冲源的种类很多，按所用高速开关电路器件不同，可以分为水银浸润开关脉冲源、隧道二极管脉冲源、雪崩三极管脉冲源和光电转换器件脉冲源等。水银浸润开关脉冲源可获得波形良好的矩形脉冲，且具有幅度高、对称性好的特点，但由于使用条件苛刻(必须垂直放置)，同时由于机械惯性的存在，有触发响应慢，重复性差的缺点，重复频率比较低。隧道二极管脉冲源工作速度很高，脉宽可达几十皮秒，缺点是脉冲幅度有限，通常为几百毫伏量级。雪崩三极管作为高速开关器件做成的脉冲源，具有重复性好的特点，重复频率高，且单级幅度可以达到百伏量级，脉冲宽度则可小于百皮秒。雪崩三极管脉冲源一般需要采用电脉冲作为触发信号，触发精度会限制其在需要精确控制脉冲产生时间的领域应用。
根据电磁波传输理论，时域脉冲形式的电磁波在通过一段空间、一段电路以及一定厚度的介质层，都会发生时间延迟。真空中的传播速度为光速，即每传输0.3毫米延迟1皮秒，而传输线路中传播速度慢于光速，随介电常数不同，减慢的程度不同，传播路径越长、传播介质的介电常数越大，则时间延迟量越大，通常每传输0.2毫米延迟1皮秒。普通电路板上的线路长度远远大于毫米量级，当需要产生皮秒级脉冲时，线路长度已经不能忽视，例如10mm的线路长度将延迟50皮秒。电路中的时间延迟会影响输出脉冲，因此，必须设计精确的脉冲产生电路，控制信号的时间延迟精度，保持脉冲前沿的陡峭度，才能有效的保持时间信息传递准确性，从而保证获取信息的高精度。
现有的超短脉冲发生装置，一般采用单个高速开关电路产生纳秒至百皮秒级脉冲，脉冲幅度较小，进一步提高脉冲幅度通常使用级联(Marx电路)方式，顺序触发高速开关电路，电路本身的时间延迟量较大，使级联后产生的输出脉冲的上升时间变长和脉冲变宽，无法达到皮秒级的时间精度。可见，传统脉冲发生装置，无法满足毫米级高精度定位或高分辨率雷达探测的特殊要求。
发明内容
针对现有超短脉冲发生装置的时间精度亟待提高的需求，本发明提供一种基于同步触发工作方式的皮秒级脉冲发生装置，实现多路高速开关电路的同步触发，显著减少了时间延迟和上升时间，进而保证时域脉冲在皮秒级范围内精确叠加，获得上升沿陡峭的高幅度时域脉冲。
为了实现上述目的，本发明具体采用如下技术方案：
技术方案一：
一种皮秒级脉冲发生装置，包括触发信号分配器、触发线、储能电容器和高速开关电路；若干个高速开关电路串行级联，并且和储能电容器间隔设置，触发信号分配器通过多段等长的触发线分别与对应高速开关电路相连，使其产生的多路触发信号同步触发后端的高速开关电路。
进一步地，高速开关电路与储能电容器间隔设置在一段圆弧上串行级联，所述触发信号分配器设置在所述圆弧的圆心处，使得高速开关电路断开期间，储能电容器并联充电。
本发明通过等长的触发线实现同时触发高速开关电路，储能电容器串联放电产生高幅度的高速脉冲，触发信号分配器通过等长度的触发线同时触发多个高速开关电路，使得产生脉冲的时间相同，从而同时叠加为皮秒级脉冲。
技术方案二：
一种皮秒级脉冲发生装置，包括触发信号分配器、触发线、延时器、储能电容器和高速开关电路；若干个高速开关电路串行级联，并且和储能电容器间隔设置，触发信号分配器通过多段触发线和具有不同延时量的延时器分别与对应高速开关电路相连，同步触发后端的高速开关电路。
进一步地，触发信号分配器与触发线为并联或者串联方式连接。
所述两个技术方案中高速开关电路包括隧道二极管、雪崩晶体管、阶跃恢复二极管，其中而雪崩晶体管输出脉冲幅度较高。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供的皮秒级脉冲发生装置，通过等长度传输线或延时器，实现同时触发高速开关电路，加快了获得脉冲的上升过程，波形具有陡直的前沿，得到极短脉冲，同时相比传统脉冲级联电路也有效减少了时间延迟，保证时域脉冲在皮秒级范围内精确叠加。本发明能够在保持脉冲上升时间达到皮秒量级(10ps)的同时，通过脉冲级联方式获得高功率(高达千伏)的脉冲幅度。本发明装置得到的脉冲信号由于持续时间短，脉冲幅度高，信号带宽大，将其用于超宽带通讯和定位领域、以及探地雷达等领域，可满足毫米级高精度定位或高分辨率雷达探测的特殊应用需求，有利于实现毫米级高精度定位或高分辨率探测。
附图说明
图1是本发明提供的第一种皮秒级脉冲发生装置结构的示意图。
图2是本发明提供的第二种皮秒级脉冲发生装置结构的示意图。
图3是本发明提供的第三种皮秒级脉冲发生装置结构的示意图。
图4是传统脉冲级联电路(Marx电路)的工作原理示意图。
图5是传统多级级联脉冲的时间叠加原理示意图。
图6是传统四级级联矩形脉冲的叠加关系原理示意图。
图7是本发明提供的第二种皮秒级脉冲发生装置具体实施方式之一，其中，高速开关电路1用雪崩晶体三级管来实现。
图8是本发明提供的第二种皮秒级脉冲发生装置具体实施方式之二，其中，高速开关电路1用雪崩晶体三级管来实现，延时器5在电路板上蚀刻不同长度的弯曲微带线来实现。
图9是本发明提供的第二种皮秒级脉冲发生装置具体实施方式之三，其中，高速开关电路1用雪崩晶体三级管来实现，延时器5用不同长度的同轴电缆来实现。
图中：1是高速开关电路，2是储能电容器，3是触发线，4是触发信号分配器，5是延时器。
具体实施方式
为了使得所属领域技术人员能够更加清楚本发明方案及原理，下面结合附图和具体实施例进行详细描述：
如图1所示为本发明提供的第一种皮秒级脉冲发生装置，包括触发信号分配器4、触发线3、储能电容器2和高速开关电路1；若干个高速开关电路1串行级联，并且与储能电容器2间隔设置在一段圆弧上，触发信号分配器4设置在所述圆弧的圆心处，并通过多段等长即电长度是平面或空间是相等的的触发线3分别与对应高速开关电路相连。在高速开关电路1断开期间，储能电容器2并联充电，在高速开关电路1闭合期间，触发信号分配器4产生的多路触发信号经过等长的触发线3，同步触发后端的高速开关电路，使其产生脉冲的时间相同，保证多路同时叠加为皮秒级脉冲，得到高幅度的高速超短脉冲。
如图2所示为本发明提供的第二种皮秒级脉冲发生装置，包括触发信号分配器4、触发线3、延时器5、储能电容器2和高速开关电路1；若干个高速开关电路1串行级联，并且与储能电容器2间隔设置；触发线3连接触发信号分配器4和高速开关电路1，并且触发线3通过并联方式与触发信号分配器4相连，即触发信号分配器4通过多段长度不同的触发线3和具有不同延时量的延时器5分别与对应高速开关电路相连。在高速开关电路1断开期间，储能电容器2并联充电，在高速开关电路1闭合期间，触发信号分配器4产生的多路触发信号经过不等长度的触发线3和不同延时量的延时器5，同步触发后端的高速开关电路，使其产生脉冲的时间相同，保证多路同时叠加为皮秒级脉冲，得到高幅度的高速超短脉冲。
如图3所示为本发明提供的第二种皮秒级脉冲发生装置，包括触发信号分配器4、触发线3、延时器5、储能电容器2和高速开关电路1；若干个高速开关电路1串行级联，并且与储能电容器2间隔设置；触发线3连接触发信号分配器4和高速开关电路1，并且触发线3通过串联方式与触发信号分配器4相连，即触发信号分配器4先通过同一段触发线3再分为多段并行的触发线3，每段触发线3通过具有不同延时量的延时器5分别与对应高速开关电路相连。在高速开关电路1断开期间，储能电容器2并联充电，在高速开关电路1闭合期间，触发信号分配器4产生的单路触发信号经过多段并行的触发线3和具有不同延时量的延时器5，同步触发后端的高速开关电路，使其产生脉冲的时间相同，保证多路同时叠加为皮秒级脉冲，得到高幅度的高速超短脉冲。
下面结合附图进一步详细说明现有技术存在的问题以及本发明的解决手段：
根据电磁理论，电磁波通过一段空间、一段电路以及一定厚度的介质层，都会发生时间延迟，传播路径长度越长、介电常数越大，则时间延迟量越大。
如图4所示，普通脉冲级联电路(Marx电路)，将高速开关电路K与储能电容器C沿直线串联，触发脉冲来临时，第一个开关先闭合，使第二个开关达到触发条件，从而顺序闭合后级所有开关，在负载上产生叠加脉冲波形。
如图5所示，设电路板上多级级联电路的级间距离为d，各级间距相等，各级雪崩脉冲幅度均为U0，则脉冲传输单级距离所需的时间为：
其中，为传输线中的电磁波速，c为真空中的光速。
由于出现了Δt的雪崩时间差，使相邻两级雪崩管产生的脉冲不是同时达到最大值，此时，n级级联的雪崩电路的合成脉冲电压幅度：
U≤nU0
对于n级级联的雪崩电路，若各级脉冲形状为标准矩形脉冲，脉冲宽度为τ，级间距离带来的脉冲延迟时间为Δt，则合成脉冲幅度为：
如图6所示，反映了四级级联矩形脉冲的叠加关系，当Δt＝0时，U＝4U0；当Δt＝τ/4时，U＝4U0；Δt＝τ/2时，U＝2U0；Δt＝τ时，U＝U0。同时，时间延迟带来的叠加错位，更会使上升时间延长，导致难以产生高幅度皮秒级脉冲。
矩形脉冲的分析只是一种理想的情况，多级级联的脉冲电路可能产生的是类似高斯脉冲，脉冲峰值点具有尖锐的顶部，脉冲边沿有一个较长的上升和下降的过程，实际的脉冲电压受时间延迟影响后的叠加关系要更加复杂。本发明在电路设计中，采用多个高速开关电路串行级联，提出了一种并行同步触发的工作方式，有效减少了时间延迟，保证时域脉冲在皮秒级范围内精确叠加，同时级联的高速开关电路同步触发，也加快了获得脉冲的上升过程，从而达到降低脉冲宽度、获得皮秒级脉冲的目的。
在实际设计本发明提供的皮秒级脉冲发生装置时，先根据需求选择高速开关电路类型，需要级联的电路级数，确定电路板布局形式、尺寸、各级触发点位置，设计合适的传输线类型，确定触发信号分配器位置，通过传输线长度或配合延时器，使各级触发脉冲信号可以同时到达自身的触发点，组合成一个整体的皮秒级脉冲发生装置。下面以第二种皮秒级脉冲发生装置的结构为例给出如下具体实施方式：
实施例1：
如图7所示，本实施例提供的皮秒级脉冲发生装置包括1个触发信号分配器4、5条触发线3、4个延时器5、4个储能电容器2和5个高速开关电路1，本实施例中高速开关电路1用雪崩晶体三级管来实现；雪崩晶体三级管串行级联，并且与储能电容器2间隔分布于直线上，触发线3连接触发信号分配器4和雪崩晶体三级管，触发线3的电长度不相等，但通过串联的延时器调节到总时延相等；各路触发线3通过并联方式与触发信号分配器4相连。
实施例2：
如图8所示，本实施例提供的皮秒级脉冲发生装置与实施例1的不同之处在于，所述延时器5在电路板上蚀刻不同长度的弯曲微带线来实现。
实施例3：
如图8所示，本实施例提供的皮秒级脉冲发生装置与实施例1的不同之处在于，所述延时器5用不同长度的同轴电缆来实现。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种皮秒级脉冲发生装置，其特征在于，包括触发信号分配器(4)、触发线(3)、储能电容器(2)和高速开关电路(1)；若干个高速开关电路(1)串行级联，并且和储能电容器(2)间隔设置，触发信号分配器(4)通过多段等长的触发线(3)分别与对应高速开关电路相连，使其产生的多路触发信号同步触发后端的高速开关电路(1)。
2.根据权利要求1所述的一种皮秒级脉冲发生装置，其特征在于，所述高速开关电路(1)与储能电容器(2)间隔设置在一段圆弧上串行级联，所述触发信号分配器(4)设置在所述圆弧的圆心处。
3.根据权利要求1所述的一种皮秒级脉冲发生装置，其特征在于，所述高速开关电路(1)包括隧道二极管、雪崩晶体管或者阶跃恢复二极管。
4.一种皮秒级脉冲发生装置，包括触发信号分配器(4)、触发线(3)、延时器(5)、储能电容器(2)和高速开关电路(1)；若干个高速开关电路(1)串行级联，并且和储能电容器(2)间隔设置，触发信号分配器(4)通过多段触发线(3)和具有不同延时量的延时器(5)分别与对应高速开关电路相连，同步触发后端的高速开关电路(1)。
5.根据权利要求4所述的一种皮秒级脉冲发生装置，其特征在于，触发线(3)与触发信号分配器(4)采用并联方式连接。
6.根据权利要求4所述的一种皮秒级脉冲发生装置，其特征在于，触发线(3)与触发信号分配器(4)采用串联方式连接。
7.根据权利要求4所述的一种皮秒级脉冲发生装置，其特征在于，所述高速开关电路(1)包括隧道二极管、雪崩晶体管或者阶跃恢复二极管。
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