一种高压皮秒脉冲发生器

摘要

一种高压皮秒脉冲发生器，涉及高压皮秒脉冲发生器的结构。本发明主要包括电源系统、马克斯发生器、陡化开关、超高频电缆、尾切开关、同轴负载。本发明输出的高压皮秒脉冲幅值可调、脉宽可变、重复频率可控，并且具有结构紧凑、安装简单、调节方便、工作稳定可靠等特点。本发明可广泛应用于通讯、雷达、医疗、地球物理探测等行业中，作为已知特性的高压皮秒脉冲信号源。

说明书

技术领域

本发明属于皮秒脉冲产生技术领域，具体涉及一种高压皮秒脉冲发生器的结构。

背景技术

皮秒级超短脉冲具有丰富的超宽带频谱(几乎从直流到高达GHz)，因而具有很高的时间分辨率和空间分辨率，信号失真小，目前皮秒脉冲的应用具有广阔的空间和前景，它在通讯、雷达、医疗、地球物理探测方面都有着广泛的应用，所以皮秒脉冲的产生及测量技术就成为当前的一个热点和难点。

现有皮秒脉冲发生器，如申请号为200810018225.4的“超快脉冲功率开关器件及自激励皮秒量级功率脉冲发生器”，该专利公开的是利用皮秒级快速开关直接产生皮秒脉宽的自激励皮秒级功率脉冲发生器，由高压直流电源与电阻、电容依次串联构成回路，高压直流电源的负极接地；超快脉冲功率开关器件与负载通过同轴传输线串联，该串联支路与所述的电容并联；超快脉冲功率开关器件的封装外壳接地。该发生器只能输出(半高全宽)小于340ps，脉冲上升沿小于200ps，幅值在20V～1000V可调的皮秒脉冲。又如申请号为200910071871.1的“基于共面波导的皮秒脉冲发生器”，公开的是借助于专门的形成线路来压缩能量而产生皮秒脉冲的发生器，该发生器由介质基板、金箔、激励信号共面波导、阶跃恢复二极管、槽线和薄膜吸收电阻组成，只能输出脉宽80ps左右，信号带宽可达20GHz，幅值几伏以内的皮秒脉冲。以上两种皮秒脉冲发生器的主要缺点是：由于受到开关等元器件的限制，其输出皮秒脉冲幅值有限(最高只有1000V)，不能产生高能量、高幅值、重复频率调节方便的皮秒脉冲信号，限制了超宽带皮秒脉冲的应用范围。

发明内容

本发明的目的是针对现有皮秒脉冲发生器的不足之处，提供一种高压皮秒脉冲发生器。

通过对形成的纳秒脉冲进行前沿陡化和波尾截断而得到超宽带皮秒脉冲，该发生器可输出幅值(4kV～100kV)可调、脉宽(150ps～800ps)可变、重复频率可控的高压皮秒脉冲。

实现本发明目的的技术方案：一种高压皮秒脉冲发生器，主要包括电源系统、高压直流模块、马克斯发生器、陡化开关、超高频电缆、尾切开关、同轴负载。电源系统由电源、电源滤波器、保险管、电源开关组成，电源通过导线与电源滤波器的输入端相连接，用以对输入的电源进行滤波；电源滤波器的输出端通过导线与保险管输入端相连接，用以对本发生器进行过流保护；保险管输出端通过导线接至电源开关，对本发生器输入电源进行控制；由电源开关处的输出端用导线分别接至高压直流模块电源进线端，用以为高压直流模块提供稳定可靠的交流电源；高压直流源模块为市购模块，其高压输出端和接地端分别通过导线与马克斯发生器的电源进线端和接地端相连接，用以为马克斯发生器提供高压直流电源，通过调节高压直流模块的输出电压和电流分别实现对马克斯发生器输出高压纳秒脉冲幅值和重复频率的控制。

马克斯发生器为市购模块，主要由绝缘筒、进气阀、出气阀、自击穿气体火花开关(以下简称气体开关)、等值电阻、等值电容组成。进、出气阀分别通过螺纹与绝缘筒两端紧密连接，用以调节绝缘筒内的气体气压，进而通过调节气体开关的击穿电压，实现马克斯发生器输出的高压纳秒脉冲幅值的调节。等值电容为圆柱形高压陶瓷电容，两端分别为高、低压端，并分别内嵌有螺纹孔，以便与前后的元器件相连。马克斯发生器结构紧凑，可独立构成一个模块。马克斯发生器的最后一级电容的低压端与陡化开关通过螺纹紧密连接。

陡化开关由高压圆柱电极、低压圆柱电极、接地铜箔、电极罩组成。高、低压圆柱电极均为铜质圆柱形球头电极，高压圆柱电极的圆柱直径为15～30mm、长度为25～35mm、球头直径为15～30mm，在高压圆柱电极的根部中心处有一外部刻有螺纹的小圆柱体凸起，以便通过螺纹与马克斯发生器的最后一级电容的低压端相连。低压圆柱电极的圆柱直径为15～30mm、长度为5～7mm、球头直径为15～30mm，在低压圆柱电极的根部中心处有一内部刻有螺纹的凹孔，用以与超高频电缆的电缆芯线相连接。接地铜箔为市购元件，其一端与高压直流模块接地端相连接，另一端与超高频电缆的电缆接地网紧密连接。电极罩为内径为15～30mm、外径为25～40mm、高度为45～55mm的圆柱形筒状有机玻璃罩，电极罩安装在陡化开关的高、低圆柱电极之间，并包裹住高、低压圆柱电极的球头部分。高压圆柱电极与接地铜箔之间形成的杂散电容为陡化电容，用以对马克斯发生器输出的高压纳秒脉冲前沿进行陡化，进而得到具有皮秒级陡度的高压纳秒脉冲信号。通过螺纹调节高、低压圆柱电极的间隙距离，从而调整其击穿电压，进而调整经过陡化开关作用后的脉冲幅值，并配合尾切开关，最终实现发生器输出的高压皮秒脉冲幅值调节。

超高频电缆为市购元件，从中心至外依次为电缆芯线、电缆绝缘层、电缆接地网、电缆外皮，其一端的电缆芯线和电缆接地网分别与陡化开关的低压圆柱电极的凹孔和接地铜箔连接；另一端与同轴负载的接口连接。在超高频电缆上装设有尾切开关，超高频电缆用以将陡化开关进行陡化后的具有皮秒级陡度脉冲信号，经尾切开关作用后传输给同轴负载。

尾切开关由U形夹、电极针构成。U形夹由上夹和下夹构成，上夹和下夹均为带有两耳的半圆环状铜质套箍，其半圆坏的内径与超高频电缆的电缆接地网的外径匹配，并在上夹和下夹的两耳处分别设置有内壁刻有螺纹的通孔，通过螺钉和螺孔将上夹和下夹固接；在U形夹的上夹的顶部中心处设置有圆形通孔，通孔的大小与电极针的直径匹配，在通孔的内壁刻有螺纹，以便装设电极针。U形夹装在超高频电缆的剥去电缆外皮的一小段电缆接地网上，并在该小段超高频电缆上并对应于U形夹的上夹顶部圆形通孔处，设置一与圆形通孔大小一致的圆形盲孔，盲孔的深度至电缆芯线处。电极针为铜质圆柱形锥头电极，其外表面刻有螺纹，以便与U形夹的上夹通过螺纹相连接，电极针通过螺纹固接在上夹顶部的通孔中并插入超高频电缆的圆形盲孔中，电极针的锥头与超高频电缆的电缆芯线，分别等效为尾切开关的高、低压电极，构成尾切开关的等效自击穿气体火花开关，通过螺纹调节电极针与电缆芯线之间的放电间隙，进而调节陡化开关作用后超高频电缆传输的具有皮秒级陡度的脉冲信号的幅值和脉宽，实现尾切开关的波尾截断功能。

同轴负载为市购元件，主要由外壳、接口、超高频氧化膜电阻组成。外壳为铜质圆筒形圆柱体，用以屏蔽信号，避免外界干扰；超高频氧化膜电阻为圆柱形电阻，用以匹配超高频电缆中传输的高压皮秒脉冲信号，同轴负载的接口与超高频电缆的末端对接。同轴负载输出信号即为高压皮秒脉冲。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

(1)本发明装置的马克斯发生器结构紧凑、调节方便，通过调节绝缘筒内气体气压控制自击穿气体火花开关击穿电压，进而调节马克斯发生器输出的高压纳秒脉冲幅值；调节高压直流模块的输出电流，进而调节马克斯发生器的输出脉冲频率，最终实现发生器输出高压皮秒脉冲重复频率可控。

(2)本发明装置的各个部分设计巧妙合理、结构紧凑，避免因引线引入的电感。陡化开关设计恰当的利用了元器件与接地铜箔之间的杂散电容，对马克斯发生器输出的高压纳秒脉冲进行前沿陡化，通过调节陡化开关主放电间隙并配合尾切开关的切尾截断作用，最终实现装置输出脉冲幅值、脉宽可调。

(3)本发明装置紧凑、工作可靠，各组成部分独立成块，安装调节方便，能输出脉冲幅值(4kV～100kV)可调、脉宽(150ps～800ps)可变、重复频率可控的高压皮秒脉冲，能有效作为超宽带冲激脉冲辐射天线(IRA)的信号源，并可作为可作为一个已知特性的、能够产生特定超高频信号源，为研究超高频脉冲信号的传输特性奠定了基础。

(4)本发明并可广泛应用于通讯、雷达、医疗、地球物理探测等行业中，作为已知特性的高压皮秒脉冲信号源。

附图说明

图1为本发明装置的原理框图；

图2为图1中的陡化开关结构示意图；

图3为图1中的尾切开关结构示意图；

图4为本实施例1的输出脉冲波形图。

图中：1圆柱体凸起，2高压圆柱电极，3电极罩，4低压圆柱电极，5凹孔，6接地铜箔，7下夹，8上夹，9电缆接地网，10电极针，11电缆绝缘层，12电缆芯线。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。

实施例1

如图1～3所示，一种高压皮秒脉冲发生器，主要包括电源系统、高压直流模块、马克斯发生器、陡化开关、超高频电缆、尾切开关、同轴负载。电源系统由电源、电源滤波器、保险管、电源开关组成，电源为220V/50Hz的市电，并通过导线与电源滤波器的输入端相连接，用以对输入的电源进行滤波；电源滤波器的输出端通过导线与保险管输入端相连接，用以对本发生器进行过流保护；保险管输出端通过导线接至电源开关，对本发生器输入电源进行控制；由电源开关处的输出端用导线分别接至高压直流模块电源进线端，以便为高压直流模块提供稳定可靠的交流电源；高压直流源模块为市购模块，其高压输出端和接地端分别通过导线与马克斯发生器的电源进线端和接地端相连接，用以为马克斯发生器提供高压直流电源，通过调节高压直流模块的输出电压和电流分别实现对马克斯发生器输出高压纳秒脉冲幅值和重复频率的控制。

马克斯发生器为市购模块，主要由绝缘筒、进气阀、出气阀、自击穿气体火花开关(以下简称气体开关)、等值电阻、等值电容组成。进、出气阀分别通过螺纹与绝缘筒两端紧密连接，用以调节绝缘筒内的气体气压，进而通过调节气体开关的击穿电压，实现马克斯发生器输出的高压纳秒脉冲幅值的调节。等值电容为圆柱形高压陶瓷电容，两端分别为高、低压端，并分别内嵌有螺纹孔，以便与前后的元器件相连。马克斯发生器结构紧凑，可独立构成一个模块。马克斯发生器的最后一级电容的低压端与陡化开关通过螺纹紧密连接。

陡化开关由高压圆柱电极2、低压圆柱电极4、接地铜箔6、电极罩3组成。高、低压圆柱电极2、4均为铜质圆柱形球头电极，高压圆柱电极2的圆柱直径为15mm、长度为25mm、球头直径为15mm，在高压圆柱电极2的根部中心处有一外部刻有螺纹的小圆柱体凸起1，以便通过螺纹与马克斯发生器的最后一级电容的低压端相连。低压圆柱电极4的圆柱直径为15mm、长度为5mm、球头直径为15mm，在低压圆柱电极4的根部中心处有一内部刻有螺纹的凹孔5，用以与超高频电缆的电缆芯线12相连接。接地铜箔6为市购元件，其一端与高压直流模块接地端相连接，另一端与超高频电缆的电缆接地网9紧密连接。电极罩3为内径为15mm、外径为25mm、高度为45mm的圆柱形筒状有机玻璃罩，电极罩3安装在陡化开关的高、低圆柱电极2、4之间，并包裹住高、低压圆柱电极2、4的球头部分。高压圆柱电极2与接地铜箔6之间形成的杂散电容为陡化电容，用以对马克斯发生器输出的高压纳秒脉冲前沿进行陡化，进而得到具有皮秒级陡度的高压纳秒脉冲信号。通过螺纹调节高、低压圆柱电极2、4的间隙距离，从而调整其击穿电压，进而调整经过陡化开关作用后的脉冲幅值，并配合尾切开关，最终实现发生器输出的高压皮秒脉冲幅值调节。

超高频电缆为市购元件，从中心至外依次为电缆芯线12、电缆绝缘层11、电缆接地网9、电缆外皮，其一端的电缆芯线12和电缆接地网9分别与陡化开关的低压圆柱电极4的凹孔5和接地铜箔6连接；另一端与同轴负载的接口连接。在超高频电缆上装设有尾切开关，超高频电缆用以将陡化开关进行陡化后的具有皮秒级陡度的脉冲信号，经尾切开关作用后传输给同轴负载。

尾切开关由U形夹、电极针10构成。U形夹由上夹8和下夹7构成，上夹和下夹均为带有两耳的半圆环状铜质套箍，其半圆坏的内径与超高频电缆的电缆接地网9的外径匹配，并在上夹8和下夹7的两耳处分别设置有内壁刻有螺纹的通孔，通过螺钉和螺孔将上夹和下夹固接；在U形夹的上夹8的顶部中心处设置有圆形通孔，通孔的大小与电极针10的直径匹配，在通孔的内壁刻有螺纹，以便装设电极针10。U形夹装在超高频电缆的剥去电缆外皮的一小段电缆接地网9上，并在该小段超高频电缆上并对应于U形夹的上夹8顶部圆形通孔处，设置一与圆形通孔大小一致的圆形盲孔，盲孔深度至电缆芯线12处。电极针10为铜质圆柱形锥头电极，其外表面刻有螺纹，以便与U形夹的上夹8通过螺纹相连接，电极针10通过螺纹固接在上夹8顶部的通孔中并插入超高频电缆的圆形盲孔中，电极针10的锥头与超高频电缆的电缆芯线12，分别等效为尾切开关的高、低压电极，构成尾切开关的等效自击穿气体火花开关，通过螺纹调节电极针10与电缆芯线12之间的放电间隙，进而调节陡化开关作用后超高频电缆传输的具有皮秒级陡度的脉冲信号的幅值和脉宽，实现尾切开关的波尾截断功能。

同轴负载为市购元件，主要由外壳、接口、超高频氧化膜电阻组成。外壳为铜质圆筒形圆柱体，用以屏蔽信号，避免外界干扰；超高频氧化膜电阻为圆柱形电阻，用以匹配超高频电缆中传输的高压皮秒脉冲信号，同轴负载的接口与超高频电缆的末端对接。同轴负载输出信号即为高压皮秒脉冲。

实施例2

一种高压皮秒脉冲发生器，同实施例1，其中：高压圆柱电极2的圆柱直径为20mm、长度为30mm、球头直径为20mm，低压圆柱电极4的圆柱直径为20mm、长度为6mm、球头直径为20mm，电极罩3为内径为20mm、外径为35mm、高度为50mm的圆柱形筒状有机玻璃罩。

实施例3

一种高压皮秒脉冲发生器，同实施例1，其中：高压圆柱电极2的圆柱直径为30mm、长度为35mm、球头直径为30mm，低压圆柱电极4的圆柱直径为30mm、长度为7mm、球头直径为30mm，电极罩3为内径为30mm、外径为40mm、高度为55mm的圆柱形筒状有机玻璃罩。

实验结果

用本实施例1的高压皮秒脉冲发生器进行测试。调整马克斯发生器绝缘筒内气体气压，当高压直流模块充电电压为4kV时，马克斯发生器的自击穿气体火花开关依次击穿，采用高性能同轴分压器测量系统来测量超高频电缆中传输的脉冲信号，利用示波器对测得信号进行观察，示波器输出波形如图5所示：脉冲幅值7.4V，半高宽脉宽600ps，下降沿(10％～90％)200ps以内，由于整个测量系统分压比为4300，则发生器输出的皮秒脉冲幅值实际约为31.82kV。不断调节高压直流模块输出电压、电流，调整陡化开关主放电间隙，并配合尾切开关作用，该发生器可输出能输出脉冲幅值(4kV～100kV)可调、脉宽(150ps～800ps)可变、重复频率可控的高压皮秒脉冲。

由上述实验结果可见：本发明利用对形成的纳秒脉冲进行前沿陡化和波尾截断而得到超宽带皮秒脉冲的方法而研制的本发明装置，其输出皮秒脉冲幅值远大于利用其他两种方式产生的脉冲幅值，且该发生器结构紧凑、放电稳定、使用方便，并可多参数(脉冲幅值、脉宽、重复频率等)灵活、大范围独立调节，能有效作为超宽带冲激脉冲辐射天线(IRA)的信号源，并可作为可作为一个已知特性的、能够产生特定超高频信号源，为研究超高频脉冲信号的传输特性奠定了基础。