梯状脉冲形成线，多级阶梯状脉冲形成线的输入端并联设置至少两只半绝缘砷化镓雪崩开关。半绝缘砷化镓雪崩开关可为同面结构、异面结构和体结构形式。脉冲产生装置的电路为2级阶梯状脉冲形成线，也可为其它的电容、传输线的脉冲产生电路形式。工作时，半绝缘砷化镓雪崩开关由光脉冲触发导通，每只开关以固定的重复频率工作。各并联的半绝缘砷化镓雪崩开关在时间上顺次导通。如果时间间隔为单只开关工作的时间周期除以开关联数量，本发明基于半绝缘砷化镓雪崩开关的脉冲产生装置输出脉冲的重复频率为单只开关重复频率乘以并联开关数量。
[0031]如果要提高亚纳秒脉冲的脉冲电压，可通过增大半绝缘砷化镓雪崩开关的厚度或增加阶梯状脉冲形成线的级数实现。如果要提高亚纳秒脉冲的重复频率，可通过增加并联的半绝缘砷化镓雪崩开关的数量实现。实际中，要优化半绝缘砷化镓雪崩开关和阶梯状脉冲形成线输入端的连接结构以保证装置输出脉冲的前沿接近半绝缘砷化镓雪崩开关的导通时间。
[0032]下面结合附图2-3对本发明的一个实施例进行详细描述。
[0033]高重复频率、高电压、亚纳秒前沿的脉冲产生装置，5 Ω传输线13、25Ω传输线I 14及25Ω传输线II 15组成2级阶梯状脉冲形成线，半绝缘砷化镓雪崩开关I 16、半绝缘砷化镓雪崩开关II 17在阶梯状形成线的输入端并联连接。半绝缘砷化镓雪崩开关由半绝缘砷化镓衬底7、阴极金属层8、阳极金属层9、钝化保护层10、通光孔11和电极引线12组成。每只开关工作的重复频率为1kHz，两只开关工作的时间间隔为0.5ms，则在负载输脉冲的重复频率脉冲为2kHz。
[0034]图2是一种体结构的半绝缘砷化镓雪崩开关，在半绝缘砷化镓衬底7上面制备阴极金属层8，另一端制备阳极金属层9。阴极金属层7制备成圆形，且位于开关芯片的中心。阴极金属层7的中心刻蚀一个通光孔11，用于触发光脉冲注入。阴极金属层7未覆盖的砷化镓材料上制备高绝缘强度的钝化保护层11。阳极金属层9直接与电路连接，阴极金属层8通过引线12与外电路连接。
[0035]图3是基于半绝缘砷化镓雪崩开关和2级阶梯状形成线的亚纳秒前沿脉冲产生电路。在2级阶梯状脉冲形成线中，传输线对应阻抗分别为5、25、25Ω，传输线电气长度均为t，负载21为50 Ω。两只半绝缘砷化镓雪崩开关并联于5 Ω传输线13的初始端。5 Ω传输线13、25Ω传输线I 14及25 Ω传输线II 15充电至V。，两只半绝缘砷化镓雪崩开关闭合后，负载输出双极脉冲，负脉冲电压为-5%/3，正脉冲电压为5%/6，正、负极脉冲的宽度均为2t，负脉冲前沿取决于半绝缘GaA雪崩开关的导通时间和回路寄生电感。
[0036]工作过程:C。被充电后，多通道数字延迟触发器18输出一路脉冲触发金属-氧化物-半导体场效应晶体管(M0SFET)，M0SFET导通后，C。经PT和D向传输线充电至V。，传输线的电气长度均为1.0ns。待5Ω传输线13、25Ω传输线I 14及25 Ω传输线II 15充电完成后，多通道数字延迟触发器18输出第二路脉冲触发激光二极管模块I 19，激光二极管模块I 19产生的激光脉冲触发半绝缘砷化镓雪崩开关I 16导通，对应在50 Ω负载21上输出宽度4ns的双极脉冲。延迟0.5ms时间后，传输线13-15再次被充电，多通道数字延迟触发器18输出第三路脉冲触发激光二极管模块20，激光二极管模块20输出的光脉冲触发半绝缘砷化镓雪崩开关II 17，在负载21上输出另一个双极脉冲。两只半绝缘砷化镓雪崩开关对应产生的双极脉冲时间间隔为0.5msο每只半绝缘砷化镓雪崩开关的工作重复频率为1kHz，则负载21输出的脉冲重复频率为2kHz。随着半绝缘砷化镓雪崩开关厚度的增大或阶梯状脉冲形成线级数的增加、并联半绝缘砷化镓雪崩开关数量的增加，可进一步提高输出亚纳秒前沿脉冲的电压和重复频率。
【主权项】
1.一种高重复频率、高电压、亚纳秒前沿的脉冲产生装置，其特征在于:包括多级阶梯状脉冲形成线，所述多级阶梯状脉冲形成线的输入端并联设置至少两只半绝缘砷化镓雪崩开关，各半绝缘砷化镓雪崩开关在时间上顺次导通。2.根据权利要求1所述的高重复频率、高电压、亚纳秒前沿的脉冲产生装置，其特征在于: 所述半绝缘砷化镓雪崩开关的数量为2只，所述多级阶梯状脉冲形成线的级数为2级。3.根据权利要求1或2所述的高重复频率、高电压、亚纳秒前沿的脉冲产生装置，其特征在于: 所述半绝缘砷化镓雪崩开关为同面结构、异面结构或体结构。4.根据权利要求3所述的高重复频率、高电压、亚纳秒前沿的脉冲产生装置，其特征在于: 所述半绝缘砷化镓雪崩开关为体结构，体结构的半绝缘砷化镓雪崩开关包括半绝缘砷化镓衬底，所述半绝缘砷化镓衬底的一侧覆盖有阳极金属层，与阳极金属层相对的半绝缘砷化镓衬底的另一侧的中心设置有圆形阴极金属层，在圆形阴极金属层的周围设置钝化区域，所述圆形阴极金属层的中心还开设有通光孔，阴极金属层上连接引线。5.基于权利要求1-4之任一权利要求所述的高重复频率、高电压、亚纳秒前沿的脉冲产生装置，其特征在于:包括以下步骤: 1)将多只半绝缘砷化镓雪崩开关并联于阶梯状脉冲形成线的输入端，各并联的半绝缘砷化镓雪崩开关在时间上顺次导通，时间间隔为单只开关工作的时间周期除以开关联数量; 2)给阶梯状脉冲形成线充电； 3)充电完成后，触发其中一只半绝缘砷化镓雪崩开关导通，阶梯状脉冲形成线对应在负载输出双极脉冲； 4)再次给阶梯状脉冲形成线充电； 5)充电完成后，触发另外一只半绝缘砷化镓雪崩开关导通，相邻两只半绝缘砷化镓雪崩开关的导通时间间隔为单只开关工作的时间周期除以开关联数量，阶梯状脉冲形成线对应在负载输出另一双极脉冲； 6)重复步骤4)与5)，多只半绝缘砷化镓雪崩开关交替工作对应阶梯状脉冲形成线输出多个双极脉冲。
【专利摘要】本发明涉及一种高重复频率、高电压、亚纳秒前沿的脉冲产生装置及方法，脉冲产生装置包括多级阶梯状脉冲形成线，多级阶梯状脉冲形成线的输入端并联设置至少两只半绝缘砷化镓雪崩开关，各半绝缘砷化镓雪崩开关在时间上顺次导通；工作时，半绝缘砷化镓雪崩开关由光脉冲触发导通，每只开关以固定的重复频率工作。各并联的半绝缘砷化镓雪崩开关在时间上顺次导通。如果时间间隔为单只开关工作的时间周期除以开关联数量，本发明基于半绝缘砷化镓雪崩开关的脉冲产生装置及方法可实现高重复频率、高输出电压和亚纳秒脉冲前沿的脉冲输出。
【IPC分类】H03K4/02
【公开号】CN105375905
【申请号】CN201510833941
【发明人】胡龙, 苏建仓, 丁臻捷, 浩庆松, 袁雪林, 方旭, 樊亚军
【申请人】西北核技术研究所
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年11月25日