所述开关组2包括+15VDC/DC隔离模块20U+15VDC/+5VDC转换模块202、光纤接 收器203、驱动芯片204和MOSFETs串并联开关组205。所述隔离模块201的输入端与15V 电源线连接，输出端与驱动芯片204的电源端连接，隔离模块201将电路板与供电电源隔离 并为驱动芯片供电。所述+15VDC/+5VDC转换模块202输入端与15V电源线连接，输出端与 光纤接收器203的电源端连接，将15V电压转换为5V电压给光纤接收器203供电。所述光 纤接收器203的输出端与驱动芯片204的输入端连接，接收控制光信号并转换为电信号出 入到驱动芯片204。所述驱动芯片204选用型号为IXYS公司的IXRFD630,驱动芯片204则 给MOSFETs串并联开关组205提供高达30A的电流驱动，所述MOSFETs串并联开关组205 选用IXYS公司生产的DE475-102N2IA型。根据工作电压、电流等级的需要，MOSFETs串并 联开关组205为4个开关采用串并联的方式连接构成，如图4所示。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S均接 地，第一开关的漏极D与第二开关的地极S连接形成A节点，第三开关的漏极D与第四开关 的地极S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D与第四开 关的漏极D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。信号同时控制4个MOSFET开关。
[0037] 所述控制电路包括信号发生器301、光纤驱动器302、光纤发射器303和光纤304。 所述信号发生器301的信号输出端与光纤驱动器302的输入端连接，信号发生器301加工 产生的脉冲控制信号传输给光纤驱动器302。光纤驱动器302的输出端与光纤发射器303的 输入端连接，传输光纤发射器303根据光纤驱动器302输出的驱动信号进行电/光转换。光 纤发射器303的输出端与光纤接收器203的输入端通过光纤304连接，实现光信号的传输。 电路控制流程为：信号发生器301产生的TTL方波脉冲控制信号接入光纤驱动器302,控制 光纤驱动器302输出驱动信号使光纤发射器303根据控制信号实现电/光转换，最终将控 制电路的电信号转换为光信号传输至后续电路的光纤接收器203。所述信号发生器301选 用的型号为Tektronix公司的AFG3000C光纤驱动器302选用的型号为DS75451，所述光纤 发射器303选用的型号为HFBR1522。
[0038] 所述Blumlein微带传输线4为4层PCB微带传输线，包括第一微带传输线401和 第二微带传输线402设计为空间层叠的形式，第一块PCB板与第二块PCB板串联，通过层叠 的数量来达到改变输出脉宽的目的。微带传输线的阻抗根据实际需要进行设计，这里将每 条微带传输线的阻抗设为?ο Ω，单块Blumlein型传输线输出方波的脉宽τ选为50ns，介 质基板厚度为〇. 33mm，覆铜厚度为loz，即0. 035mm。采用介电常数ε 4.5的FR-4作为 介质基板材料，利用下述公式，得到所需的参数见下表。
[0044] 而微带传输线波的传播速度由等效介电常数ε #决定，导体带长度取决于波速Vp 和传播时间τ
[0049] 其中c为真空下的光速（3*10sm/s)，ε rff为微带传输线介质基板的有效介电常数； \为介质基板相对介电常数；τ /2为电磁波通过单根微带传输线所需时间。得到具体参 数如下表：
[0051] 为在较小面积内布置3. 7m长的导体带，设计了如图6、图7所示的微带传输线导体 带轨迹，整块板大小为270*230mm，蜿蜒线为导体带（材质为裸铜），左端第一条导体带正面 首端为接线口，末端通过过孔与背面的导带末端连接，而背面导体带首端为负载接线处；导 体带转向处均进行了圆弧过渡处理，避免直角过渡引起的电场畸变以及电磁波传播过程中 的波损耗等。如图7所示，其中顶层布线层与第一层接地层构成第一层微带线，第二层接地 层与底层铜带构成第二层微带线。
[0052] 多层PCB电路结构截面如图8所示，设计时考虑了对称化结构，顶层和底层为 导体铜带所在层，各自长度设计长度的一半，两层通过过孔串联。由于其铜厚尺寸山= 2*0. 035mm = 0. 07mm，所以 FR4 介质层厚度为 t2= 0. 4mm_2*0. 035mm = 0. 33mm，电路板厚 度：所加工的微带传输线共有4层相当于2块0. 4mm双层板且铜厚为Ioz (即0. 035mm)的 PCB板压制而成，但是应当注意是两个接地铜板压合在一起，形成第2、3层。
[0053] 为了在较小空间内实现串联层叠结构，如图9所示，第一块PCB板与第二块PCB板 之间根据具体电路通过铜柱或者绝缘柱进行连接以达到串联的目的，通过改变总的串联微 带传输线的长度以达到改变脉冲宽度的目的。
[0054] 以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在 阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变 化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
【主权项】
1. 一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，其特征在于，包括电源系 统（1)、开关组（2)、控制电路⑶和Blumlein微带传输线（4); 所述电源系统（1)，包括高压直流电源（101)和充电电阻（102); 所述开关组（2)包括+15VDC/DC隔离模块（201)、+15VDC/+5VDC转换模块（202)、光纤 接收器（203)、驱动芯片（204)和MOSFETs串并联开关组（205); 所述控制电路（3)包括信号发生器（301)、光纤驱动器（302)、光纤发射器（303)和光 纤（304); 所述Blumlein微带传输线（4)包括第一微带传输线（401)和第二微带传输线（402); 传输线的布线方式为关于对称轴对称布置，第一微带传输线（401)和第二微带传输线 (402)内的铜带互相隔离，共同接地； 所述高压直流电源（101)的正极通过导线与充电电阻（102)的一端连接，充电电阻 (102)的另一端包括两条并联支路，一条支路与层叠Blumlein微带传输线（4)的第一微带 传输线（401)铜带的首端连接，负载（5)串联在第一微带传输线（401)铜带的末端与第二 微带传输线（402)铜带的末端之间，第二微带传输线（402)铜带的首端悬空，微带传输线 (4)的地极与高压直流电源（101)地极连接；另一条支路通过导线与开关组（2)的MOSFETs 串并联开关组（205)的漏极D连接，MOSFETs串并联开关组（205)的地极S连接到高压直 流电源（101)的地极； 所述信号发生器（301)的信号输出端与光纤驱动器（302)的输入端连接，信号发生器 (301)加工产生的脉冲控制信号传输给光纤驱动器（302);光纤驱动器（302)的输出端与光 纤发射器（303)的输入端连接，传输光纤发射器（303)根据光纤驱动器（302)输出的驱动 信号进行电/光转换；光纤发射器（303)的输出端与光纤接收器（203)的输入端通过光纤 (304)连接，实现光信号的传输； 所述驱动芯片（204)的电源端通过导线与隔离模块（201)的输出端连接，隔离模块 (201)的电源输入端与15V电压线连接，隔离模块（201)为驱动芯片（204)供电；驱动芯 片（204)的输出端与所述MOSFETs串并联开关组（205)的栅极G连接，驱动芯片（204)为 MOSFETs串并联开关组（205)提供电流驱动；驱动芯片（204)的信号输入端与光纤接收器 (203)的信号输出端连接，驱动芯片（204)接收来自光纤接收器（203)的电信号；所述光纤 接收器（203)的电源输入端通过导线与转换模块（202)的输出端连接，转换模块（202)的 电源端与15V电源线连接，转换模块（202)将15V电压转换为5V电压给光纤接收器（203) 供电。2. 根据权利要求1所述的一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，其 特征在于： 所述高压电源模块（101)将220V交流电转换为最高电压IOkV的直流电，最大直流电 流为240mA。3. 根据权利要求1所述的一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，其 特征在于： 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，PCB板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)，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；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；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特定的位置起固定作 用。4.根据权利要求1所述的一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，其 特征在于： 所述MOSFETs串并联开关组（205)包括第一开关（205-1)、第二开关（205-2)、第三开 关（205-3)和第四开关（205-4);第一开关（205-1)和第三开关（205-3)的地极均接地，第 一开关（205-1)的漏极与第二开关（205-2)的地极连接形成A节点，第三开关（205-3)的 漏极与第四开关（205-4)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（205-2)的漏极与第四开关（205-4)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。
【专利摘要】本发明公开了一种基于串联层叠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。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。同时利用多个PCB微带传输线板空间层叠结构的优势，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。
【IPC分类】H03K3/02
【公开号】CN105207650
【申请号】CN201510584087
【发明人】米彦, 姚陈果, 李成祥, 万佳仑, 唐雪峰, 张晏源
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年9月15日