[发明专利]基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器

说明书

本发明提供一种基于传输线反射原理的纳秒级陡边沿脉冲信号发生器，包括直流稳压电源、基于传输线反射形成的脉冲信号产生电路和输入输出控制电路；直流稳压电源对交流电进行变压、整流、滤波及稳压处理后，输出稳压直流电；基于传输线原理形成的脉冲信号产生电路在其负载网络与传输线之间阻抗相匹配时，通过开关晶体管驱动电路控制开关晶体管闭合及关断，以产生纳秒级别波形稳定且可调边沿的脉冲信号；输入输出电路显示所得脉冲信号的幅度、宽度、上升沿及下降沿时间等参数。实施本发明，具有电路结构简单，受外界环境变化而造成干扰较小，波形稳定等优点。

技术领域

本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种基于传输线反射原理的纳秒(ns)级陡边沿脉冲信号发生器。

背景技术

近年来随着科技的发展，脉冲技术的应用领域不断扩大，尤其是陡边沿超短脉冲因特有的优势和广阔的应用前景而受到了国内外众多学者、工程技术人员的关注。最常见的脉冲电压波形是矩形波，理想矩形波的边沿瞬间跳变。但事实上，脉冲电压从低电平跳变至高电平，或从高电平跳变至低电平，都需要经历一定的时间。

在测量技术领域，时域反射仪(TDR)可用于检测印刷电路板(PCB)走线阻抗连续性[Daniel L.Mauch,et al.Ultrafast reverse recovery time measurement for wideband gap diodes[J],IEEE Transactions on Power Electronics,Vol.32,No.12(2017):9333-9341.]，因此又称为特性阻抗测试仪。当前常用的TDR设备由示波器和陡边沿脉冲信号发生器构成。在光学仪器领域，作为夜视仪的重要组件的像增强器具有很高的增益，像增强器通过外接陡边沿选通脉冲来提高系统的分辨率与灵敏度[韩振兴等，像增强器高速选通脉冲形成电路的设计与实现[J]，电光与控制,Vol.15,No.12(2008):72-74,88.]。

目前，国内外都报道了陡边沿脉冲信号发生器的相关研究。例如，杨景红等设计了一种脉冲信号发生器[杨景红等，高重复频率纳秒级脉冲发生器研究[J]，微波学报,Vol.36,No.3(2020):65-70.]，其输出脉冲电压为10kV，脉冲电流为50A，脉冲宽度为10～50ns，脉冲重复频率10～50kHz，脉冲前沿小于5ns。该脉冲信号发生器采用15个射频功率MOSFET组件，输出脉冲由感应变压器次级串联叠加形成，得到10kV、50A高压脉冲。该型脉冲发生器具有小型化、长寿命、高效率和易维护的优点。但是在仿真时采用的数据是理论计算值，与实际情况有差异，同时也没有考虑MOSFET的驱动电路以及同步触发的一致性对输出脉冲的影响。又如，陈炯等设计了一款便携式ns级高压脉冲发生器[陈炯等，脉宽和幅值可调的新型超窄脉冲发生器的研制[J]，高电压技术,Vol.31,No.5(2005):39-40,49.]，输出脉冲宽度在20ns至100ns的范围内可调，最大脉冲幅值可达1kV，该装置采用了由高频开关电路和脉冲宽度调制(PWM)原理制成的直流高压电源代替传统的直流电源作为脉冲发生器电源，采用电阻-电感-电容(RLC)振荡电路代替RC振荡电路，使振荡回路中的电感上产生高压脉冲并且可由MOSFET开关的导通和关断控制。该装置通过振荡实现ns级别的高压脉冲，虽然具有对称性好、波形光滑等优点，但是在负载上形成快速边沿的脉冲信号时，对开关的性能要求高，且电路较复杂。又如，Boyko N.I.等成功研制了一种短脉冲发生器[BoykoN.I.,et al.Generator Of Short High-Voltage Pulses[C],Ultra-wide band andUltra-short Impulse Signals,Ukraine,Sept.18-22,2006:pp.194-196.]，其特征脉冲长度约为1.5ns，输出电压幅值为500kV。该发生器是建立在电容储能的基础上，采用特斯拉电路中的变压器和火花放电作为高压能量开关，这种类型的发生器可以利用辐射电磁脉冲远距离传输能量，也可以利用高强脉冲电场对介质包装中的各种产品进行消毒处理，但是脉冲频率不易调节、脉冲波形不稳定，且重复频率低、使用寿命有限、工作稳定性差。