基于雪崩管的增强型MARX纳秒脉冲源试验研究与实现*

张亚东 梁步阁 何继爱 张 锋

(1.兰州理工大学计算机与通信学院 兰州 730050)(2.中南大学航空航天学院 长沙 410083)

基于雪崩管的增强型MARX纳秒脉冲源试验研究与实现*

张亚东1梁步阁2何继爱1张 锋2

(1.兰州理工大学计算机与通信学院 兰州 730050)(2.中南大学航空航天学院 长沙 410083)

基于雪崩三级管雪崩效应,对传统MARX电路的机理进行深入研究,研制出了一种高重频高稳定度的增强型MARX纳秒脉冲源,触发重频在100KHz以上,脉冲最高幅度可达400V以上,半幅脉宽2ns以内。并对改进后的电路进行了大量的参数实验研究,分析了不同参数配置下产生的脉冲属性,最终得出最优的参数配置方式,可满足超宽带雷达发射机的设计需求。

纳秒; 脉冲源; 增强型MARX; 高重频; 参数实验

Class Number TN784+.1

1 引言

在超宽带冲击雷达领域都是采用全固态脉冲源来设计雷达发射机,发射无载波的短脉冲信号,然后从回波信号中提取目标距离、速度、精细结构等信息。因此脉冲源的性能直接影响雷达探测的性能[1～3]。基于雪崩三极管的MARX全固态脉冲源具有稳定度高、脉冲窄、上升时间短等优点,一直广受青睐,被用于各种超宽带雷达发射机系统中,然而随着科技的不断发展,人们对于雷达探测精度和距离的要求也越来越苛刻,传统的雪崩MARX脉冲源由于最高重频上限只有30KHz左右,已经无法满足高分辨率超宽带雷达的性能要求,因而提高脉冲源的重频上限尤为重要[4～7]。本文对传统的雪崩MARX脉冲源电路进行了改进,使脉冲源的重频上限达到160KHz以上,并进行了大量的实验测试,分析实验数据并得出结论,为不同的应用需求提供了基于实验验证的理论依据[8～12]。

2 增强型的雪崩MARX电路

如上文所述,传统的MARX电路尽管有诸多优点,但在一些高分辨率的探测雷达脉冲源的应用领域大多对脉冲的重频上限和稳定度都要求较为苛刻,这些指标直接影响雷达探测的精度和探测距离等。因此,为了适应高分辨率雷达的脉冲源的应用领域,本文对原有MARX电路做了调试改进,使之重频上限和脉冲稳定度都有了很大提升,最大重频可达160KHz,并且波形抖动非常小。下面简单分析电路过程：

图 1为改进后的六级雪崩MARX电路示意图,在触发脉冲加入前,各个雪崩管也都是截止的,且都已处于临界雪崩状态,在触发脉冲加入后,传统MARX电路是一级一级的触发,前级触发后级,而此处是触发脉冲同时触发六个雪崩管,并且只要有一级管子被触发,就可以保证其他的管子都被触发,因此大大提高了雪崩管被触发的成功率,而且各个管子的雪崩也并不按一定顺序进行,这种现象相当于有一个雪崩加速的效果。对于级联产生高压窄脉冲也是非常有利的。

首先,触发信号经上下两路分别到变压器上变压器T1和T6,然后T1、T2、T3相互串联,T4、T5、T6相互串联,触发新号就直接传到了各个雪崩管上,触发信号加入后各个雪崩管便同时触发。

之后,各个雪崩管被触发后,雪崩管之间的级间电容由于已经充满电荷,而雪崩效应发生后,这里就和传统的MARX电路类似,由于电容上所充电荷不能瞬间放电完毕将导致级间电容两侧的电势差保持不变,从而导致各个级间电容的电势相互累加,于是在上下两路的末级C3和C4右侧产生数倍Vcc的瞬间电势。各级雪崩管雪崩后,由于电容C1～C7此时相当于串联,并由C3上端对地、C4下端对地放电,所以此电势将迅速凋落,从而形成快凋落的脉冲后沿。电路两端均接入负载可以有效防止反射,以改善输出脉冲波形,在R13、R14上分别获得正、负脉冲。双端输出一个极窄的高幅度脉冲。

3 设计实例

基于雪崩管的高重频高稳定度增强型的全固态脉冲源采用的器件体积较小,结构设计紧凑,波形一致性和对称性良好。在本设计实例中采用六级的改进的MARX雪崩电路,电源电压300V,印制电路板(PCB)如图2所示,PCB尺寸只有4cm*4cm,外观精致小巧,简洁大方。

4 纳秒脉冲源参数实验

本文对增强型的雪崩MARX脉冲产生电路进行参数实验研究,主要对MRAX电路中的末级雪崩电容和级间储能电容进行了大量的实验分析和研究,文中提到的末级电容对应中的C3和C4,级间储能电容为中的C1、C2、C5、C6和C7,其中规定C1、C5为第一级级间电容,C2、C6为第二级级间电容,C7为第三级级间电容,文中所有实验数据中的脉冲幅度为脉冲峰值电压,脉宽均为半幅脉冲宽度,表中每行数据均在波形图中有相应编号的波形与之对应,后面将不再做以说明。

本文所有实验均是在同一测试平台上完成,实验所用示波器型号为Aglient54845A,带宽1.5GHz、采样率为4GHz,触发信号由Aglient 33500B信号发生器提供,用外置300V高压电源为脉冲源提供偏置电压,由于输出脉冲幅度较高,为保护示波器实验中输出脉冲均通过60dB的衰减器后边接入示波器,示波器调至50Ω档进行测试。

4.1 末级电容参数对比

雪崩MARX脉冲产生电路的末级电容是调节输出脉冲幅度和脉宽的关键器件,因此本文先对末级电容的参数做了多组对比实验,以寻求最适合的参数配置。在本组实验中,级间电容为51P,对末级电容51P、40P、30P、20P、10P分别在50KHz和100KHz的重频下的脉冲输出情况进行实验验证。具体实验参数如表1所示,对应的波形如图3所示。

表1 增强型雪崩MARX电路末级电容参数对比

4.2 调整级间电容

级间电容是雪崩MARX电路产生脉冲的储能电容,储能电容的容值大小从根本上决定输出脉冲的幅度,因此级间储能电容也是影响脉冲源性能的关键部分,本文在末级电容分别为51P和100P的给定条件下对级间电容的参数进行分情况讨论并进行实验对比。

4.2.1 级间电容等值

此处让五个级间储能电容等值,对级间电容容值分别为51P、100P、200P的情况下测试在50KHz和100KHz的重频下的脉冲输出情况,如表2所示。

表2 级间储能电容等值脉冲输出

4.2.2 级间电容不等值

此处让五个级间储能电容不等值,在末级电容分别为51P和100P的情况下,研究级间储能电容非等值时的输出脉冲的性能参数。具体参数配置如表3和表4所示,对应波形分别如图5、图6所示。

表3 调整中间电容发射性能参数统计(末级电容51pf)

第一级电容第二级电容第三级电容重频KHz高压偏置电流(A)幅值(v)脉宽(ns)波形编号200pf150pf100pf500.0093851.43.2.2_4-a1000.0223371.53.2.2_4-b200pf200pf100pf500.0104011.753.2.2_4-c1000.0223521.813.2.2_4-d300pf200pf100pf500.0114071.753.2.2_4-e1000.0223571.843.2.2_4-f

5 实验分析及结论

本文在前面对增强型的雪崩MARX脉冲产生电路所做的大量实验进行简单描述,下面对实验情况进行简要的分析及总结。

5.1 实验分析

在末级电容参数实验中,从表1各组数据对比可以看出,相同重频下,末级电容越小,脉冲宽度越窄、脉冲幅度越高；末级电容相同时,50KHz重频下脉冲幅度比100KHz重频要大,而脉宽要稍窄一点；50KHz重频下脉冲源功耗1W左右,100KHz重频时脉冲源功耗2.5W左右。

级间储能电容的参数实验中,表2是在级间电容相互等值的情况下对不同的电容参数进行了分组实验,从表中的数据可以明显地看出,级间储能电容容值越大,相应的电容充电时间也就越长,放电时间研究越长,从而脉冲幅度也就越高,同时脉宽也越宽,并且随着储能电容容值加大,脉冲源的功耗也随之加大。表3是在级间电容相互不等值并且末级电容51P的情况下,进行的参数分组实验,从表中数据可以看出当级间储能电容总的容值加大后,脉冲幅度加大了,脉宽却变小了,这说明级间电容不等值时脉冲呈阶梯式的锐化,对提高脉冲的传输效率是很有效的；表4中继续验证在末级电容为100P时,级间电容不等值的情况下脉冲的输出状况,从表中数据可看出与表3中的数据对比末级电容为100P时脉冲宽度明显展宽,且脉冲幅度更高了,同时数据也表明在不等值的情况下继续阶梯式的加大储能电容总的容值,脉冲幅度继续加大,脉宽也随之变宽,本文在级间电容300P,200P,100P,末级1000P,重频50KHz的参数配置下所测脉冲幅度已达到407V。

5.2 实验结论

本文在对大量实验数据进行深入分析后得出以下结论(结论只针对本文所设计的增强型MARX脉冲源电路)：

1) 末级电容调节脉冲输出宽度和幅度,一定范围内,末级电容越小,脉宽越窄,幅度越高,但是末级电容与级间电容相差过多会导致输出脉冲震荡较大；

2) 级间电容相互等值的情况下,储能电容越大,输出脉冲脉宽越宽,幅度越大,功耗也越高；

3) 级间电容不等值的情况下,阶梯式的参数配置能够很明显地提升脉冲传输效率,改善输出脉冲的波形参数；

4) 增强型MARX脉冲源电路最高重频能达到160KHz,实验中均是在重频50KHz和100KHz的触发下分别进行的,两种重频模式下,50KHz的重频触发产生的脉冲性能要优于100KHz重频产生的脉冲,50KHz重频产生的脉冲幅度更高,脉宽更窄,波形稳定度也更好。

6 结语

本文对原有的MARX脉冲源产生电路进行了改进设计,使其触发重频上限大幅提升,波形稳定度也有很大的改善,并制作出脉冲源电路PCB板,对理论设计进行了验证,并在所设计的PCB实物上进行了大量的参数实验,分析了本电路设计在各种不同的参数配置下脉冲输出的各项指标及影响因素,对今后相关电路设计及实验研究有一定的参考和指导意义。本文所设计的增强型MARX脉冲源PCB板也已经成功应用于超宽带雷达发射机系统当中。

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Experimental Research and Realization of An Improved MARX Nanosecond Pulser Based on Avalanche Transistor

ZHANG Yadong1LIANG Buge2HE Jiai1ZHANG Feng2

(1. School of Computer and Communication, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050)(2. School of Aeronautics and Astronauties, Central South University, Changsha 410083)

Based on the avalanche effect, and a research on the mechanism of traditional MARX circuit is made, then a kind of improved MARX nanosecond pulsers with high-repetition frequency and high stability has been designed, the trigger frequency is above 100KHZ, and the pulse amplitude is over 400V, and the pulse width is less than 2ns. Then a lot of experimental researches on improved MARX circuit are made, pulse properties in different cases of parameter configuration are analyzed, finally, the optimal parameter configuration mode is obtained, and can fully meet the design requirements of ultra-wide band radar transmitter.

nanosecond, pulser, improved MARX, high-repetition frequency, parameter experiment

2016年10月7日,

2016年11月25日

国家自然科学基金项目(编号:61561031)；湖南省自然科学基金项目(编号:14JJ3024)资助。

张亚东,男,硕士研究生,研究方向：信号处理,超宽带辐射、散射理论与技术,雷达探测技术。梁步阁,男,博士后,副教授,研究方向：超宽带雷达理论与工程、武器装备电磁性能自动化测试平台集成技术。何继爱,男,副教授,研究方向：信号处理,通信信号调制识别,盲信号分离。张锋,男,硕士研究生,研究方向：超宽带辐射、散射理论与技术,雷达探测技术。

TN784+.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.026