一种高可靠大功率纳秒窄脉冲产生电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高可靠大功率窄脉冲产生电路，该电路采用宽频带射频变压器将触发信号同步馈入Marx电路级联的各个雪崩三级管基级和发射级之间；在触发脉冲产生电路和触发脉冲整形电路之间设置有保护电路，在触发脉冲整形电路和Marx电路之间设置有隔离电路，其中：所述保护电路用于保护所述触发脉冲产生电路；所述隔离电路用于保护所述触发脉冲整形电路；并且在Marx电路中采用高压大阻值充电电阻。本发明电路在产生大峰值功率(大于30kW)，纳秒级窄脉冲(小于8ns，10％～10％)的情况下，解决了现有技术中雪崩三极管易失效、输出的大功率纳秒脉冲易损坏触发脉冲产生电路等问题，有效地提高了电路的可靠性。
【专利说明】一种高可靠大功率纳秒窄脉冲产生电路【技术领域】
[0001]本发明涉及超宽带微波探测【技术领域】，尤其是一种可应用于探地雷达发射机的高可靠大功率纳秒脉冲产生电路。
【背景技术】
[0002]大幅度纳秒窄脉冲在探地雷达、高速摄影、光通信、大功率激光器阵列驱动以及超声探测等领域广泛应用。
[0003]采用Marx电路产生大功率纳秒脉冲是目前探地雷达发射机中常用的方法之一。基于Marx电路的探地雷达发射机一般由触发脉冲产生电路、触发脉冲整形电路、Marx电路、供电电路四部分组成。触发脉冲产生电路一般为数字集成电路，用于产生触发Marx电路工作的触发信号。触发脉冲整形电路用于对触发脉冲产生电路输出的触发信号进行整形，产生上升沿更快的触发脉冲信号。Marx电路将多个雪崩三极管级联，利用并行充电串行放电的原理产生大功率的窄脉冲。Marx电路中的雪崩三极管静态时集电结高压反偏在雪崩点附近，在整形后的触发信号的作用下发生雪崩，输出几百伏、上千伏甚至几千伏的大功率窄脉冲信号，输出脉冲幅度的大小主要取决于级联的雪崩三极管的个数，输出脉冲的宽度取决于雪崩三极管之间电容值的大小。供电电路用于为触发脉冲产生电路和触发脉冲整形电路提供低压直流供电，为Marx电路提供高压直流供电。
[0004]在实际工程应用中，由于以下原因，上述窄脉冲产生电路一般可靠性(工作时间)比较低，首先是因为雪崩三极管静态工作点位于击穿点附近，并且雪崩的次数是有限的，工作点的不合理设置将会严重地影响雪崩三极管的寿命；其次是因为雪崩三极管的参数存在着较大的离散型，同样的电路和同样的静态工作点并不能适应级联电路中的每一个雪崩三极管，尤其对于大功率窄脉冲产生电路中级联的雪崩三极管个数较多的情况；第三是由于电路工作在高压状态·，对于大功率窄脉冲产生电路，输出窄脉冲峰值电压高达上千伏甚至几千伏，即使在平均功率很小的情况下，瞬间高电压可能会导致电路中的元器件失效。本发明提出一种高可靠大功率窄脉冲产生电路，解决了现有技术中雪崩三极管易失效、输出的大功率纳秒脉冲易损坏触发脉冲广生电路等问题，有效地提闻了电路的可罪性。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明提出一种结构上基于雪崩三极管Marx电路的高可靠大功率纳秒窄脉冲产生电路，在产生大峰值功率(大于30kW)，纳秒级窄脉冲(小于8ns，10%~10% )的情况下，解决现有技术中雪崩三极管易失效、输出的大功率纳秒脉冲易损坏触发脉冲产生电路等问题，提高电路的可靠性。
[0006]本发明提出的一种高可靠性大功率纳秒窄脉冲产生电路包括:触发脉冲产生电路、触发脉冲整形电路、Marx电路和供电电路，该电路采用宽频带射频变压器将触发信号同步馈入Marx电路级联的各个雪崩三级管基级和发射级之间；并且在在所述触发脉冲产生电路和所述触发脉冲整形电路之间还设置有保护电路，在所述触发脉冲整形电路和所述Marx电路之间还设置有隔离电路，其中:
[0007]所述触发脉冲产生电路用于产生触发所述Marx电路工作的脉冲信号；
[0008]所述触发脉冲整形电路用于对所述触发脉冲产生电路产生的触发信号进行调理，以产生幅度和沿特性满足所述Marx电路要求的触发信号；
[0009]所述Marx电路用于产生大功率纳秒窄脉冲信号；
[0010]所述保护电路用于保护所述触发脉冲产生电路；
[0011]所述隔离电路用于保护所述触发脉冲整形电路；
[0012]所述供电电路分别与所述触发脉冲产生电路、所述触发脉冲整形电路和所述Marx电路连接，为所述触发脉冲产生电路、所述触发脉冲整形电路和所述Marx电路供电。
[0013]本发明提出的高可靠大功率纳秒级窄脉冲产生电路，在产生大峰值功率(大于30Kw)，纳秒级窄脉冲(小于8ns，10%?10% )的情况下电路工作可靠性高，可广泛应用于探地雷达、高速摄影、光通信、大功率激光器阵列驱动以及超声探测等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为现有基于Marx电路的窄脉冲产生电路框图；
[0015]图2为本发明提出的基于Marx电路的窄脉冲产生电路框图；
[0016]图3为现有的Marx电路；
[0017]图4为本发明提出的Marx电路。
[0018]图5为在12级雪崩三极管级联的情况下，采用本发明的电路产生的窄脉冲波形。【具体实施方式】
[0019]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0020]图1为现有基于Marx电路的窄脉冲产生电路框图，图2为本发明提出的基于Marx电路的窄脉冲产生电路框图，图中，实线框表示本发明与现有技术相同的电路，虚线框表示两者不同的电路。
[0021]如图1和图2所示，本发明提出的高可靠性大功率窄脉冲产生电路区别于现有的窄脉冲产生电路，本发明在触发脉冲产生电路与触发脉冲整形电路之间设置了保护电路，该保护电路采用快恢复高压二极管保护电路，并在触发脉冲整形电路与Marx电路之间设置了隔离电路，该隔离电路采用了电阻网络衰减电路，有效地保护了触发脉冲产生电路和触发脉冲整形电路，提高了电路的可靠性，尤其对于大功率纳秒窄脉冲发生电路。
[0022]具体地，如图2所示，本发明提出的高可靠性大功率纳秒窄脉冲产生电路包括:触发脉冲产生电路、保护电路、触发脉冲整形电路、隔离电路、Marx电路和供电电路，其中:
[0023]所述触发脉冲产生电路用于产生触发Marx电路工作的脉冲信号；
[0024]所述触发脉冲整形电路用于对触发脉冲产生电路产生的触发信号进行调理，产生幅度和沿特性满足Marx电路要求的触发信号；
[0025]所述Marx电路用于产生大功率的纳秒窄脉冲信号；
[0026]所述保护电路连接在所述触发脉冲产生电路和所述触发脉冲整形电路之间，所述保护电路采用快恢复高压二极管保护电路，用于保护触发脉冲产生电路，其中，所述保护电路的二极管的反向恢复时间trr小于所述Marx电路输出的大功率纳秒窄脉冲信号的宽度；
[0027]所述隔离电路连接在所述触发脉冲整形电路和所述Marx电路之间，所述隔离电路采用电阻网络衰减电路，用于保护触发脉冲整形电路，对于所述隔离电路，其衰减量一方面要保证整形后的触发信号能够达到Marx电路触发信号的要求，另一方面要有效地隔离Marx电路输出的大功率纳秒窄脉冲信号，阻止该信号到达触发信号整形电路，从而损伤触发信号整形电路；
[0028]所述供电电路分别与所述触发脉冲产生电路、所述触发脉冲整形电路和所述Marx电路连接，为所述触发脉冲产生电路、所述触发脉冲整形电路和所述Marx电路供电。
[0029]以3级雪崩三极管电路的情况为例，图3为现有的Marx电路，图4为本发明提出的Marx电路，本发明提出的Marx电路在触发信号的馈送方式上区别于现有的Marx电路，如图4所示，本发明提出的Marx电路采用阻抗比为1: 4的宽频带射频变压器将所述触发脉冲整形电路整形后的快沿触发脉冲信号同步馈送到所述Marx电路级联的各级雪崩三极管的基级和发射级之间，从而保证了各级雪崩三极管工作状态的一致性，提高了电路的可靠性；所述宽频带射频变压器的工作频带与整形后的触发脉冲的带宽相匹配，以保证触发信号的快沿特性，同时，所述宽频带射频变压器要选择合适的阻抗比，以减小Marx电路输出的大幅度纳秒窄脉冲耦合到触发信号整形电路中的信号，进一步保护触发脉冲整形电路。另外，本发明提出的Marx电路的充电电阻Rl?R5采用高压大阻值电阻，阻值R等于发射机工作的脉冲重复周期PRT除以6倍Marx电路中的储能电容C，即R = PRT/(6C)，耐压值大于Marx电路输出的大幅度纳秒窄脉冲信号的电压幅度。
[0030]具体地，所述Marx电路由多级雪崩三极管电路和多个储能电容组成，每级雪崩三极管电路包括:雪崩三极管，充电电阻以及宽带射频变压器，其中:
[0031]首级雪崩三极管电路中，雪崩三极管的集电极通过一个充电电阻接到高压电源上，发射级接地；宽带射频变压器的次边跨接在雪崩三极管的基级和发射级之间，原边的一端与触发脉冲整形电路的输出端相连接，另一端接地。
[0032]除首级雪崩三极管电路外，其余各级雪崩三极管电路均由两个充电电阻、一个雪崩三极管和一个射频变压器组成，其中，雪崩三极管的集电极通过一个充电电阻接到高压电源上，发射级通过一个充电电阻接地，射频变压器的次边跨接在雪崩三极管的基级和发射级之间，原边的一端与触发脉冲整形电路的输出端相连接，另一端接地。
[0033]各级雪崩三极管电路通过一个储能电容相连，该储能电容的一端连接前级雪崩三极管电路中雪崩三极管的集电极，另一端连接后级雪崩三极管电路中雪崩三极管的发射级。
[0034]末级雪崩三极管电路通过一个储能电容与负载相连，具体地，储能电容的一端连接末级雪崩三极管电路中雪崩三极管的集电极，另一端连接负载。
[0035]以3级雪崩三极管电路的情况为例，如图4所示，电阻R1、雪崩三极管Ql和宽带射频变压器Tl组成首级电路，电阻R2、电阻R3、雪崩三极管Q2和宽带射频变压器T2组成第二级电路，电阻R4、电阻R5、雪崩三极管Q3和宽带射频变压器T3组成第三级电路。
[0036]首级电路中，Ql的集电极通过Rl接到高压电源上,发射级接地，Tl的次边跨接在Ql的基级和发射级之间，原边的一端与触发脉冲整形电路的输出端相连接，另一端接地。[0037]第二级电路中，Q2的集电极通过R3接到高压电源上，发射级通过R2接地，T2的次边跨接在Q2的基级和发射级之间，原边的一端与触发脉冲整形电路的输出端相连接，另一端接地。
[0038]第三级电路中，Q3的集电极通过R5接到高压电源上，发射级通过R4接地，T3的次边跨接在Q3的基级和发射级之间，原边的一端与触发脉冲整形电路的输出端相连接，另一端接地。
[0039]首级电路和第二级电路之间通过储能电容Cl相连，Cl的一端连接首级电路中Ql的集电极，另一端连接第二级电路中Q2的发射级；第二级电路和第三级电路之间通过储能电容C2相连，C2的一端连接第二级电路中Q2的集电极，另一端连接第三级电路中Q3的发射级；第三级通过储能电容C3与负载相连，即C3的一端连接第三级电路中Q3的集电极，另
一端连接负载。
[0040]图5为在12级雪崩三极管级联的情况下，采用本发明的电路产生的幅度为1242V，峰值功率为30.85kW，脉冲宽度5.25ns的窄脉冲波形。该电路经过了 6个月热循环试验没有出现失效，连续可靠工作时间大于一年。
[0041]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种高可靠性大功率纳秒窄脉冲产生电路，该电路包括:触发脉冲产生电路、触发脉冲整形电路、Marx电路和供电电路，其特征在于，该电路在所述触发脉冲产生电路和所述触发脉冲整形电路之间还设置有保护电路，在所述触发脉冲整形电路和所述Marx电路之间还设置有隔离电路，其中: 所述触发脉冲产生电路用于产生触发所述Marx电路工作的脉冲信号； 所述触发脉冲整形电路用于对所述触发脉冲产生电路产生的触发信号进行调理，以产生幅度和沿特性满足所述Marx电路要求的触发信号； 所述Marx电路用于产生大功率纳秒窄脉冲信号； 所述保护电路用于保护所述触发脉冲产生电路； 所述隔离电路用于保护所述触发脉冲整形电路； 所述供电电路分别与所述触发脉冲产生电路、所述触发脉冲整形电路和所述Marx电路连接，为所述触发脉冲产生电路、所述触发脉冲整形电路和所述Marx电路供电。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述保护电路采用快恢复高压二极管保护电路，其二极管的反向恢复时间trr小于所述Marx电路输出的大功率纳秒窄脉冲信号的览度。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述隔离电路采用电阻网络衰减电路。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述隔离电路的衰减量一方面要保证整形后的触发信号能够达到所述Marx电路触发信号的要求，另一方面要有效地隔离所述Marx电路输出的大功率纳秒窄脉冲信号，以阻止该信号到达所述触发信号整形电路从而损伤所述触发信号整形电路。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述Marx电路包括多级雪崩三极管电路和多个储能电容，其中: 首级雪崩三极管电路包括:一个雪崩三极管，一个充电电阻和一个宽带射频变压器；其中，雪崩三极管的集电极通过充电电阻接到高压电源上，发射级接地；宽带射频变压器的次边跨接在雪崩三极管的基级和发射级之间，原边的一端与触发脉冲整形电路的输出端相连接，另一端接地； 除首级雪崩三极管电路外，其余各级雪崩三极管电路均包括两个充电电阻、一个雪崩三极管和一个射频变压器；其中，雪崩三极管的集电极通过一个充电电阻接到高压电源上，发射级通过一个充电电阻接地，射频变压器的次边跨接在雪崩三极管的基级和发射级之间，原边的一端与触发脉冲整形电路的输出端相连接，另一端接地； 各级雪崩三极管电路通过一个储能电容相连，该储能电容的一端连接前级雪崩三极管电路中雪崩三极管的集电极，另一端连接后级雪崩三极管电路中雪崩三极管的发射级； 末级雪崩三极管电路中雪崩三极管的集电极通过一个储能电容与负载相连。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述充电电阻采用高压大阻值电阻。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述充电电阻的阻值R为发射机工作的脉冲重复周期PRT除以6倍Marx电路中的储能电容C，即R = PRT/(6C)。
8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述充电电阻的耐压值大于所述Marx电路输出的大幅度纳秒窄脉冲信号的电压幅度。
9.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，采用宽频带射频变压器将触发信号同步馈入Marx电路级联的各个雪崩三级管基级和发射级之间。
10.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述宽频带射频变压器的工作频带与整形后的触发脉冲的带宽相匹配，以保证触发信号的快沿特性。
11.根据权利要求 5所述的电路，其特征在于，所述宽带射频变压器的阻抗比为1: 4。
【文档编号】H03K3/02GK103633964SQ201310060902
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年2月27日 优先权日:2013年2月27日
【发明者】张群英, 方广有, 管洪飞, 周斌, 纪奕才 申请人:中国科学院电子学研究所