CN114665845A - 一种基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子电路领域，涉及脉冲信号源的设计，具体提供一种基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源，用脉冲源的峰值输出功率；本发明基于M级Marx电路设计得到高电压触发电路，由高电压触发电路产生的高电压触发信号经过功率分配器等分后作为K路脉冲产生电路的输入，有效提高单路脉冲幅值的同时降低单路脉冲抖动，K路脉冲产生电路输出的K路脉冲经过功率合成器合成后大大提升脉冲源的峰值输出功率；同时，由于单路脉冲抖动降低，即电路的一致性提升，使得K路脉冲经过功率合成后能够得到更高峰值功率的脉冲信号，即进一步提升脉冲源的峰值输出功率；另外，本发明高峰值功率脉冲源具有操作简单、尺寸小等优点，有利于模块发展。

Description

一种基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源
技术领域
本发明属于电子电路领域，涉及脉冲信号源设计，具体提供一种基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源。
背景技术
在超宽带系统中，超快速开关响应、低触发抖动、长寿命、高重频、高稳定性的冲激脉冲信号源的设计与研发一直占据着重要地位；同时，高峰值功率脉冲源也是诸如高功率微波、大电流点火装置、高功率微波储能系统、生物电磁学等装置或系统的“瓶颈”技术。如今，高峰值功率脉冲源向着更高的输出功率、更快的上升沿、更高的重复频率、紧凑化、小型化、固态化、模块化以及组合化等方向发展。
目前，产生高峰值功率脉冲的固态电路形式主要包括：雪崩晶体管串联电路、1×N级Marx电路(MBC)以及M×N级Marx电路(MBCs)三种；其中，雪崩晶体管串联电路需要很高的偏置电压，单管的损坏可能造成整个电路的失效，故目前采用这样电路形式的较为少见；M×N级Marx电路虽然可以产生较高的电压，但是前几级失效率较高，上升沿时间较长，体积较大；相比于雪崩晶体管串联电路和M×N级Marx电路，1×N级电路具有可靠性好，上升沿较快，体积较小等优势，被认为是一种具有潜力的高峰值脉冲产生技术。但是，传统的1×N级Marx电路受到雪崩晶体管功率容量的限制，同时较高的触发抖动也限制了脉冲合成的效果，最终限制了脉冲源输出脉冲的幅值；为了进一步提高峰值输出功率，本发明提出了一种基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源，用以进一步提高高峰值功率脉冲源的峰值输出功率；本发明通过触发电路提供高电压触发信号，基于高电压触发能够提高单路峰值功率、进而提升脉冲源的峰值输出功率；同时，基于高电压触发能够降低单路触发抖动，即提高了电路的一致性，使得功率合成能够进一步提高脉冲源的峰值输出功率；最终得到功率损耗小、幅值高、抖动小、上升沿快的高峰值功率脉冲；另外，本发明高峰值功率脉冲源具有尺寸较小、便于控制的优点，有利于模块化发展。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源，包括：触发电路、K路功率分配器、K个脉冲产生电路及K路功率合成器；其特征在于，数字触发信号输入至触发电路，由触发电路输出高电压触发信号，高电压触发信号经K路功率分配器等比例分配至K个脉冲产生电路，K个脉冲产生电路的输出经K路功率合成器合成后输出高峰值功率脉冲；
所述触发电路包括：RC微分电路、雪崩晶体管、变压器及M级Marx电路；其中，数字触发信号通过RC微分电路输入至雪崩晶体管的基极，雪崩晶体管的集电极通过限流电阻Rt,2连接低电压直流稳压电源，雪崩晶体管的发射极接地；变压器的原边连接于雪崩晶体管的集电极与发射极、且变压器的原边与雪崩晶体管的集电极之间连接电容Ct,2，变压器的副边连接M级Marx电路。
进一步的，所述M级Marx电路中，第1级Marx电路由雪崩晶体管Qt,2、限流电阻Rt,3、电容Ct,3、限流电阻Rt,4构成，雪崩晶体管Qt,2的集电极通过限流电阻Rt,3连接高电压直流电源(260V)电源，雪崩晶体管Qt,2的发射极通过限流电阻Rt,4接地，雪崩晶体管Qt,2的基极与发射极连接变压器的副边，电容Ct,3一端连接雪崩晶体管Qt,2的集电极、另一端接地；
第m级Marx电路(m＝2,3,...,M)由雪崩晶体管Qt,m+1、限流电阻Rt,2m+1、电容Ct,m+2、限流电阻Rt,2m+2构成，雪崩晶体管Qt,m+1的集电极通过限流电阻Rt,2m+1连接高电压直流电源(260V)，雪崩晶体管Qt,m+1的发射极与基极相连、并通过限流电阻Rt,2m+2接地，电容Ct,m+2一端连接雪崩晶体管Qt,m+1的集电极、另一端连接雪崩晶体管Qt,m的发射极；
第M级Marx电路中雪崩晶体管Qt,M+1的集电极引出触发电路输出端。
进一步的，所述K个脉冲产生电路采用相同结构，包括：限流电阻Rg,1及N级Marx电路；其中，第1级Marx电路由雪崩晶体管Qg,1、限流电阻Rg,2、电容Cg,1、限流电阻Rg,3构成，雪崩晶体管Qg,1的集电极通过限流电阻Rg,2连接高电压直流电源(260V)，雪崩晶体管Qg,1的发射极与基极相连、并通过限流电阻Rg,3接地，电容Cg,1一端连接雪崩晶体管Qt,m+1的集电极、另一端引出脉冲产生电路输入端；限流电阻Rg,1一端连接脉冲产生电路输入端、另一端接地；
第n级Marx电路(n＝2,3,...,N)由雪崩晶体管Qg,n、限流电阻Rg,2n、电容Cg,n、限流电阻Rg,2n+1构成，雪崩晶体管Qg,n的集电极通过限流电阻Rg,2n连接高电压直流电源(260V)，雪崩晶体管Qg,n的发射极与基极相连、并通过限流电阻Rg,2n+1接地，电容Cg,n一端连接雪崩晶体管Qg,n的集电极、另一端连接雪崩晶体管Qg,n-1的发射极；
第N级Marx电路中雪崩晶体管Qg,N的发射极引出脉冲产生电路输出端。
进一步的，所述K路功率分配器输出端到K个脉冲产生电路输入端的路径长度相等，K个脉冲产生电路输出端到K路功率合成器输入端的路径长度相等。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源，基于高电压触发与功率合成实现高峰值功率皮秒级脉冲源设计；首先，基于M级Marx电路设计得到高电压触发电路，由高电压触发电路产生的高电压触发信号经过功率分配器等分后作为K路脉冲产生电路的输入，有效提高单路脉冲幅值的同时降低单路脉冲抖动，K路脉冲产生电路输出的K路脉冲经过功率合成器合成后大大提升脉冲源的峰值输出功率；同时，由于单路脉冲抖动降低，即电路的一致性提升，使得K路脉冲经过功率合成后能够得到更高峰值功率的脉冲信号，即进一步提升脉冲源的峰值输出功率；另外，本发明高峰值功率脉冲源具有操作简单、尺寸小等优点，有利于模块发展。
附图说明
图1为本发明中基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源的原理框图。
图2为本发明实施例中触发电路的电路图。
图3为本发明实施例中脉冲生成电路的电路图。
图4为本发明实施例中26级触发电路输出波形。
图5为本发明实施例中四路功率合成器输出端波形。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行进一步详细说明。
本实施例提供一种基于高电压触发和功率合成的高峰值功率皮秒级脉冲源，如图1所示，包括：触发电路、K路功率分配器、K个脉冲产生电路、K路功率合成器以及电源；更为具体的讲：
所述触发电路如图2所示，包括：RC微分电路、雪崩晶体管Qt,1、变压器及M级Marx电路；其中，RC微分电路由电容Ct,1与电阻Rt,1构成，数字方波触发信号通过电容Ct,1输入至雪崩晶体管Qt,1的基极，电阻Rt,1一端连接于雪崩晶体管Qt,1的基极、另一端接地；所述雪崩晶体管Qt,1的集电极通过限流电阻Rt,2连接低电压直流电源(12V)，所述雪崩晶体管Qt,1的发射极接地；
所述变压器的原边连接于雪崩晶体管Qt,1的集电极与发射极，且变压器的原边与雪崩晶体管Qt,1的集电极之间连接电容Ct,2；所述变压器的副边连接M级Marx电路；
所述M级Marx电路中，第1级Marx电路由雪崩晶体管Qt,2、限流电阻Rt,3、电容Ct,3、限流电阻Rt,4构成，雪崩晶体管Qt,2的集电极通过限流电阻Rt,3连接高电压直流电源(260V)电源，雪崩晶体管Qt,2的发射极通过限流电阻Rt,4接地，雪崩晶体管Qt,2的基极与发射极连接变压器的副边，电容Ct,3一端连接雪崩晶体管Qt,2的集电极、另一端接地；260V电源、限流电阻Rt,3、电容Ct,3组成第1级Marx电路的充电回路；
第m级Marx电路(m＝2,3,...,M)由雪崩晶体管Qt,m+1、限流电阻Rt,2m+1、电容Ct,m+2、限流电阻Rt,2m+2构成，雪崩晶体管Qt,m+1的集电极通过限流电阻Rt,2m+1连接高电压直流电源(260V)，雪崩晶体管Qt,m+1的发射极与基极相连、并通过限流电阻Rt,2m+2接地，电容Ct,m+2一端连接雪崩晶体管Qt,m+1的集电极、另一端连接雪崩晶体管Qt,m的发射极；260V电源、限流电阻Rt,2m+1、电容Ct,m+2、限流电阻Rt,2(m-1)+2组成第m级Marx电路的充电回路；
第M级Marx电路中雪崩晶体管Qt,M+1的集电极引出触发电路输出端至负载RLt；
在触发电路中，当数字输入信号为低电平时，晶体管Qt,1处于截止状态，在每一级Marx电路中，充电回路对电容进行充电；当输入信号由低电平到高电平跃变时，电阻Rt,1和电容Ct,1构成RC微分电路对输入信号进行整形，产生一个尖脉冲信号，当尖脉冲信号输入到晶体管Qt,1的基极时，Qt,1处于饱和导通状态，Ct,2、Qt,1与变压器原边构成放电回路，并在变压器副边感应出一个脉冲信号，该脉冲信号触发使得雪崩晶体管Qt,2导通；雪崩晶体管Qt,2导通使电容Ct,3、Ct,4由原来的并联状态变为串联状态，Qt,3集电极上的电压为两倍的电源电压(260V)，雪崩晶体管Qt,3发生雪崩击穿，后级雪崩晶体管随之依次雪崩击穿，电容Ct,3至Ct,M+2依次串联对负载RLt放电，此时在触发电路输出端产生一个高峰值功率的脉冲输出。
触发电路的输出端与四路功率分配器的输入端口相连接，功分器的每个输出端口都与一路脉冲产生电路相连接，四路脉冲产生电路完全一样，而且触发电路输出端到每个脉冲产生电路的输入端路径长度相等。
所述脉冲产生电路如图3所示，包括：限流电阻Rg,1及N级Marx电路；其中，第1级Marx电路由雪崩晶体管Qg,1、限流电阻Rg,2、电容Cg,1、限流电阻Rg,3构成，雪崩晶体管Qg,1的集电极通过限流电阻Rg,2连接高电压直流电源(260V)，雪崩晶体管Qg,1的发射极与基极相连、并通过限流电阻Rg,3接地，电容Cg,1一端连接雪崩晶体管Qg,1的集电极、另一端连接脉冲产生电路输入端；限流电阻Rg,1一端连接脉冲产生电路输入端、另一端接地；260V电源、限流电阻Rg,2、电容Cg,1、限流电阻Rg,1组成第1级Marx电路的充电回路；
第n级Marx电路(n＝2,3,...,N)由雪崩晶体管Qg,n、限流电阻Rg,2n、电容Cg,n、限流电阻Rg,2n+1构成，雪崩晶体管Qg,n的集电极通过限流电阻Rg,2n连接高电压直流电源(260V)，雪崩晶体管Qg,n的发射极与基极相连、并通过限流电阻Rg,2n+1接地，电容Cg,n一端连接雪崩晶体管Qg,n的集电极、另一端连接雪崩晶体管Qg,n-1的发射极；260V电源、限流电阻Rg,2n、电容Cg,n、限流电阻Rg,2(n-1)+1组成第n级Marx电路的充电回路；
第N级Marx电路中雪崩晶体管Qg,N的集电极引出脉冲产生电路输出端至负载RLg；
在脉冲产生电路中，输入信号为低电平时，雪崩晶体管Qg,1处于截止状态；当输入信号由低电平向高电平跃变时，雪崩晶体管Qg,1导通，雪崩晶体管Qg,1导通使得电容Cg,1和电容Cg,2由并联状态变为串联状态，雪崩晶体管Qg,2集电极上的电压为两倍的电源电压，雪崩晶体管Qg,2发生雪崩击穿，后级雪崩晶体管随之依次雪崩击穿；电容Cg,1至Cg,N依次串联对负载RLg放电，此时在脉冲产生电路输出端产生一个高峰值功率的脉冲输出。
每个脉冲产生电路的输出端与四合一功率合成器的输入端一一相连接，而且每个脉冲产生电路的输出端到每个功率合成器的输入端口的路径长度相等；四合一功率合成器输出高峰值功率脉冲。
本发明提供一种基于高电压触发和功率合成的高峰值功率皮秒级脉冲源，为了提高功率合成的效率和稳定性，本实施例采用Wilkinson合路器对Marx信号源进行功率合成；具体而言，采用26级的Marx脉冲源作为触发电路、触发电路输出的脉冲波形如图4所示，采用40级的Marx脉冲源作为脉冲生成电路，通过同轴线调节信号的延迟，通过四路功率合成器进行功率合成，最终得到了一个幅度为8.76kV、半峰值脉宽为740ps，上升沿为180ps的高压脉冲，如图5所示，其中，四路合成效率为99.4％。另外，需要说明的是，本实施例中，采用26级的Marx脉冲源作为触发电路、采用40级的Marx脉冲源作为脉冲生成电路仅仅为示例，根据实际应用需求，采用任意级数的Marx脉冲源作为触发电路以及脉冲生成电路也能够实现本实施例中产生高峰值功率脉冲的相同效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源，包括：触发电路、K路功率分配器、K个脉冲产生电路及K路功率合成器；其特征在于，数字触发信号输入至触发电路，由触发电路输出高电压触发信号，高电压触发信号经K路功率分配器等比例分配至K个脉冲产生电路，K个脉冲产生电路的输出经K路功率合成器合成后输出高峰值功率脉冲；
所述触发电路包括：RC微分电路、雪崩晶体管、变压器及M级Marx电路；其中，数字触发信号通过RC微分电路输入至雪崩晶体管的基极，雪崩晶体管的集电极通过限流电阻Rt,2连接低电压直流稳压电源，雪崩晶体管的发射极接地；变压器的原边连接于雪崩晶体管的集电极与发射极、且变压器的原边与雪崩晶体管的集电极之间连接电容Ct,2，变压器的副边连接M级Marx电路。
2.按权利要求1所述基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源，其特征在于，所述M级Marx电路中，第1级Marx电路由雪崩晶体管Qt,2、限流电阻Rt,3、电容Ct,3、限流电阻Rt,4构成，雪崩晶体管Qt,2的集电极通过限流电阻Rt,3连接高电压直流电源(260V)，雪崩晶体管Qt,2的发射极通过限流电阻Rt,4接地，雪崩晶体管Qt,2的基极与发射极连接变压器的副边，电容Ct,3一端连接雪崩晶体管Qt,2的集电极、另一端接地；
第m级Marx电路(m＝2,3,...,M)由雪崩晶体管Qt,m+1、限流电阻Rt,2m+1、电容Ct,m+2、限流电阻Rt,2m+2构成，雪崩晶体管Qt,m+1的集电极通过限流电阻Rt,2m+1连接高电压直流电源(260V)，雪崩晶体管Qt,m+1的发射极与基极相连、并通过限流电阻Rt,2m+2接地，电容Ct,m+2一端连接雪崩晶体管Qt,m+1的集电极、另一端连接雪崩晶体管Qt,m的发射极；
第M级Marx电路中雪崩晶体管Qt,M+1的集电极引出触发电路输出端。
3.按权利要求1所述基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源，其特征在于，所述K个脉冲产生电路采用相同结构，包括：限流电阻Rg,1及N级Marx电路；其中，第1级Marx电路由雪崩晶体管Qg,1、限流电阻Rg,2、电容Cg,1、限流电阻Rg,3构成，雪崩晶体管Qg,1的集电极通过限流电阻Rg,2连接高电压直流电源(260V)，雪崩晶体管Qg,1的发射极与基极相连、并通过限流电阻Rg,3接地，电容Cg,1一端连接雪崩晶体管Qg,1的集电极、另一端连接脉冲产生电路输入端；限流电阻Rg,1一端连接脉冲产生电路输入端、另一端接地；
第n级Marx电路(n＝2,3,...,N)由雪崩晶体管Qg,n、限流电阻Rg,2n、电容Cg,n、限流电阻Rg,2n+1构成，雪崩晶体管Qg,n的集电极通过限流电阻Rg,2n连接高电压直流电源(260V)，雪崩晶体管Qg,n的发射极与基极相连、并通过限流电阻Rg,2n+1接地，电容Cg,n一端连接雪崩晶体管Qg,n的集电极、另一端连接雪崩晶体管Qg,n-1的发射极；
第N级Marx电路中雪崩晶体管Qg,N的发射极引出脉冲产生电路输出端。
4.按权利要求1所述基于高电压触发和功率合成的高峰值功率脉冲源，其特征在于，所述K路功率分配器输出端到K个脉冲产生电路输入端的路径长度相等，K个脉冲产生电路输出端到K路功率合成器输入端的路径长度相等。
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