一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物电磁技术领域，具体设计一种基于串联层叠 Blumlein微带传输 线高压纳秒发生器。
【背景技术】
[0002] 脉冲电场因其能够靶向肿瘤组织并杀灭肿瘤细胞却不影响正常组织及细胞而逐 渐成为生物电磁领域的研究热点。研究证明，脉冲电场根据场强与脉宽的不同组合能够对 细胞及组织产生不同的效应。特别的，当脉冲宽度降低至ns级，电场强度提高到MV/cm时， 此时的脉冲电场能够对细胞核等细胞内部产生一系列功能性的改变，从而诱导细胞发生程 序性死亡。因此，需要研制能够产生不同参数纳秒脉冲电场的高压纳秒脉冲发生器并研究 纳秒电场对细胞的影响。
[0003] 传输线不同于Marx发生器，因其既是能量存储单元又是方波形成单元，同时具有 结构相对简单，易于实现纳秒脉冲的特点而成为常用纳秒脉冲发生器之一。通常情况下同 轴线的传输时延为5ns/m，因此，为在Blumlein传输线的匹配负载两端获取IOOns方波脉冲 输出则至少需要采用2根长度为IOm的同轴线组成Blumlein传输线系统。这种情况决定 了传统Blumlein传输线系统的方波输出脉宽主要由同轴线物理长度决定，为获取不同脉 宽的方波脉冲则需要配置多套不同长度的同轴线，因此系统特别庞大，此外，采用双开关的 协同作用来改变脉冲宽度对系统的触发信号提出了更高的要求，加大了设计难度，同时也 增加了损耗。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的之一是为克服上述困难，提供一种基于串联层叠 Blumlein微带传 输线高压纳秒发生器，该装置通过对Blumlein型传输线充电，通过开关引入电压波，产生 波的折反射在负载两端形成电压差从而形成输出脉冲电压。该装置利用4层PCB微带传输 线代替传统的同轴传输线并且设为空间层叠结构从而可以实现较小面积下的可层叠微带 传输线设计，研制了具有紧凑型、便携式、轻量化的高压纳秒脉冲发生器并用于生物医学实 验。
[0005] 为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于串联层叠 Blumlein微 带传输线高压纳秒发生器，实质上是一种利用通信行业中常用的微带传输线，也就是传输 线的平面形式形成波的折反射从而在匹配的负载上面产生脉冲电场，同时为了形成一个方 波，需要根据实际负载对相应的传输线微带阻抗进行设计。
[0006] -种基于串联层叠 Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，其特征在于，包括电源 系统、开关组、控制电路和Blumlein微带传输线。
[0007] 所述电源系统，包括高压直流电源和充电电阻。
[0008] 所述开关组，包括+15VDC/DC隔离模块、+15VDC/+5VDC转换模块、光纤接收器、驱 动芯片和MOSFETs串并联开关组（205)。
[0009] 所述控制电路，包括信号发生器、光纤驱动器、光纤发射器和光纤。
[0010] 所述高压直流电源的正极通过导线与充电电阻的一端连接，充电电阻的另一端包 括两条并联支路，一条支路与层叠 Blumlein微带传输线的第一微带传输线铜带的首端连 接，负载串联在第一微带传输线铜带的末端与第二微带传输线铜带的末端之间，第二微带 传输线铜带的首端悬空，微带传输线的地极与高压直流电源地极连接。另一条支路通过导 线与开关组的MOSFETs串并联开关组的漏极D连接，MOSFETs串并联开关组的地极S连接 到高压直流电源的地极。
[0011] 所述信号发生器的信号输出端与光纤驱动器的输入端连接，信号发生器加工产生 的脉冲控制信号传输给光纤驱动器。光纤驱动器的输出端与光纤发射器的输入端连接，传 输光纤发射器根据光纤驱动器输出的驱动信号进行电/光转换。光纤发射器的输出端与光 纤接收器的输入端通过光纤连接，实现光信号的传输。光纤输入端接入光纤发射器的信号 输出端，光纤的多条输出则可以对多个MOSFET开关同时控制，从而提高同步性。
[0012] 所述驱动芯片的电源端通过导线与隔离模块的输出端连接，隔离模块的电源输入 端与15V电压线连接，隔离模块为驱动芯片供电。驱动芯片的输出端与所述MOSFETs串并 联开关组的栅极G连接，驱动芯片给MOSFETs串并联开关组提供高达30A的电流驱动。驱 动芯片的信号输入端与光纤接收器的信号输出端连接，驱动芯片接收来自光纤接收器的电 信号。所述光纤接收器的电源输入端通过导线与转换模块的输出端连接，转换模块的电源 端与15V电源线连接，转换模块将15V电压转换为5V电压给光纤接收器供电。
[0013] MOSFETs串并联开关组则主要用来将串联层叠 Blumlein微带传输线的铜带接 地，也就是形成波过程，因此MOSFETs串并联开关组的漏极同样需要接在充电电阻之后，与 Blumlein微带传输线PCB板的输入端口同时相连，形成两条并联支路。同时高压直流电源、 Blumlein微带传输线和MOSFETs串并联开关组接地需要连在一起。
[0014] 所述Blumlein微带传输线（4)为多块PCB微带传输线板串联层叠形成，每块PCB 微带传输线板为表面微带线，结构包括顶层布线层、底层布线层以及中间两层接地层，顶层 布线层以及底层布线层的布线方式均采用导体带状蜿蜒设计，导体介质为铜，层与层之间 通过绝缘介质隔离。所述Blumlein微带传输线包括第一微带传输线（401)和第二微带传输 线（402)，各自包含顶层布线层、底层布线层以及中间两层接地层，分别对称布置在PCB微 带传输线板的左、右半平面，中间通过绝缘介质FR-4将第一微带传输线（401)和第二微带 传输线（402)隔开。顶层布线层的左右两个铜带末端与底层布线层的左右两个铜带末端在 对应位置均有过孔，中间两层接地层也通过PCB四周的过孔连接，不需要铜柱，过孔直接起 电气连接作用。顶层布线层的铜带首端为接线口，底层布线层的铜带首端为负载接线处。
[0015] 铜柱将所有PCB微带传输线板的铜带、接地串联，绝缘柱则根据需要用在必要的 位置起固定作用。
[0016] 所述MOSFETs串并联开关组包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中 第一开关和第三开关的地极均接地，第一开关的漏极与第二开关的地极连接形成A节点， 第三开关的漏极与第四开关的地极连接形成B节点，A节点与B节点利用导线串联连接。第 二开关的漏极与第四开关的漏极并联，形成MOSFETs串并联开关组的漏极D。四个开关的栅 极G利用导线串联，形成MOSFETs串并联开关组的栅极G。
[0017] 进一步的，所述高压电源模块将220V交流电转换为最高电压IOkV的直流电压，最 大直流电流为240mA。
[0018] 进一步的，所述Blumlein微带传输线是一种自行设计的脉冲形成单元，每块P⑶ 板采用两层铜带两层接地的4层结构，同时铜带采用蜿蜒设计，因此能够在一块PCB板的正 反面布置尽可能长的铜带，同时在每块PCB板四周开孔，利用铜柱不仅能够将每块PCB板接 地连在一起，同时还能起支撑作用，最终实现PCB板的串联层叠，达到改变传输线总长度的 目的，从而改变脉冲宽度。对于不需要电气连接的部位则可以用绝缘柱进行支撑。
[0019] 本发明采用以上技术方案后，主要具有如下的有益效果：
[0020] 1、本发明中利用MOSFETs开关组能够实现快速的脉冲上升沿，因此能够较为容易 地产生50ns脉宽的电压波，同时工作频率相对于火花开关也大大提高，根据直流电源功率 的大小能够计算出不同的工作频率，容易达到上千赫兹。
[0021] 2、本发明中利用Blumlein微带传输线代替传统的同轴传输线，能够在很小的空 间内形成较长的脉宽，整个装置体积小，重量轻，携带方面，易于拆卸，同时Blumlein微带 传输线能够根据实际负载进行特别的阻抗设计，而传统的同轴传输线只能在某几个固定值 之间选择，因此应用范围大大提高。
[0022] 3、本发明中对Blumlein微带传输线PCB板进行特殊设计，利用微带传输线的PCB 板可层叠构结构的优势，在较小空间内达到了快速方便地改变输出脉宽的目的。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的原理框图；
[0024] 图2为本发明的电路原理图；
[0025] 图3为本发明的开关组工作原理图；
[0026] 图4为本发明的开关组串并联原理图；
[0027] 图5为本发明的控制信号原理图；
[0028] 图6为实例1的Blumlein微带传输线的正面图；
[0029] 图7为实例1的Blumlein微带传输线的背面图；
[0030] 图8为实例1的Blumlein微带传输线的侧视图；
[0031] 图9为实例1的Blumlein微带传输线PCB板层叠示意图；
[0032] 图中：1为电源系统，2为开关组，3为控制电路，4为Blumlein微带传输线，101为 高压直流电源，102为充电电阻，201为隔离模块，202为转换模块，203为光纤接收器，204为 驱动芯片，205为MOSFETs串并联开关组，205-1为第一开关，205-2为第二开关，205-3为第 三开关，205-4为第四开关，401为Blumlein微带传输线第一微带传输线，402为Blumlein 第二微带传输线，5为模拟负载。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅 限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯 用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0034] 如图1~9所示，一种基于串联层叠 Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，主要 包括电源系统1、开关组2、开关控制信号3、Blumlein微带传输线4、负载电阻5。
[0035] 所述的电源系统，包括高压直流电源101、充电电阻102。所述的高压直流电源101 为市购模块，其输出的最高电压幅值10kV、最大电流幅值240mA直流电。所述充电电阻102 为市购元件，其阻值为50kQ，额定功率为100W，用于限制高压电源模101的充电电流幅值。 所述高压电源模块101的正极通过导线与充电电阻102的一端连接，充电电阻102的另一 端有两条支路并联，一条支路与层叠 Blumlein微带传输线4的第一微带传输线401铜带首 端连接，铜带末端连接负载5-端。此处负载必须是特定的阻值的电阻或者是生物组织，本 发明中以20欧姆为例，需要根据实际应用中不同情况而选择。负载5另一端连接到第二微 带传输线402铜带末端，而第二微带传输线402铜带首端悬空，微带传输线4的地极与高压 直流电源101地极连接形成第一条支路回路。另一条支路通过导线与开关组2的MOSFETs 串联开关组205的漏极D连接，通过开关组205的地极S连接到高压直流电源101地极而 形成回路。
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