小型纳秒脉冲源波形影响因素分析

雷进伟

（广州花都供电局 广东 广州 510800）

摘  要：纳秒脉冲源是电声脉冲法（PEA）测试系统的重要组成部分。小型纳秒脉冲源基于传输线原理，以高压开关电源、同轴电缆、汞润开关为核心器件，可产生幅值0～1kV可调、半高宽50ns的脉冲方波。本文通过电路仿真与实际测试，研究了影响脉冲波形的因素，为此类脉冲源控制成本、优化波形提供了参考。

关键词：纳秒脉冲源；传输线；湿簧管；波形影响因素。

Abstract：The Nanosecond pulse source is an important part of the PEA methods testing system.A new pulse source used the high voltage switch power supply, coaxial-cable, mercury-switch as the core devices is designed based on the theory of transmission line, can produce amplitude 0~1kV adjustable and FWHM 50ns pulse square wave. By means of circuit simulation, practical tests and the studied of the factors influenced the pulse waveform, the references of cost control and the waveform optimization are provided for such pulse sources.

Keywords: nanosecond pulse source；transform line；wet spring tube；influence factors of waveform

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0引言

基于传输线原理的小型脉冲源结构较简单[[1]-][[2]][[3]]，一般包括高压直流源、脉冲形成线、脉冲开关及其控制电路、阻抗匹配电路等几个部分。在脉冲源电路分析与调试过程中发现，阻抗匹配、电路杂散参数、接地情况、传输线材质、电磁屏蔽情况等均会对脉冲波形产生影响。笔者通过对比测试分析研究了影响脉冲波形的因素，为此类脉冲源优化波形、控制成本提供了参考。

1波形影响因素分析

由于纳秒脉冲信号是高频信号，且电路结构较复杂，实际调试中发现，很多因素均会影响输出波形。为获得理想的脉冲方波，笔者对这些因素进行了研究分析。

脉冲测量系统由示波器和高压探头组成。示波器带宽500MHz，最大次速率5GS/s。高压探头放大倍率1000，波频20MHz（对应50ns脉宽）时可测电压幅值2.3kV。

1.1 开关控制电路续流回路的影响

图1电路中，当继电器励磁线圈电感较大，控制电路若无续流回路，会使三极管Q集电极承受很高的过冲电压。因此用快速二极管D1和电阻R12组成续流回路。适当的R12可消除集电极上的过冲电压，如图2所示。

图1 小型纳秒脉冲源电路

图2 续流回路对集电极电压消冲效果

由图可知，三极管集电极正常工作电压为24V。过冲电压幅值远高于此，甚至可能导致三极管击穿。为能使系统稳定运行，续流回路必不可少。

1.2阻抗的影响

图1电路中，不考虑耦合电容C1和试品电容C2，记脉冲形成线末端的总等效阻抗为R、脉冲形成线波阻抗为Z。R=Z时系统输出脉冲方波；R与Z不相等时则会发生电压波的多次折反射，在R上形成阶梯波。其中k次阶梯的电压表达式为6：

Uk=U1(R/(R+Z))((R-Z)/[(R+Z))]K-1 ，K=1,2,3...

直流源输出500v，R7分别取50欧、12欧、120欧时的脉冲波形如图3所示。

图3 不同匹配阻抗时的脉冲波形

功率衰减器作为一个附加的匹配环节，可使系统的阻抗匹配方式更加灵活，还可减小R7阻值误差对波形的影响。缺点在于其分压作用会降低脉冲幅值。当直流源输出500v，取衰减倍数At=1（即无衰减器结构）、At=1.5、At=2.4时的脉冲波形如图4所示。

图4 不同衰减倍数时的脉冲波形

系统中的杂散电感包括开关电感与器件的引线电感。在R7前分别接入30cm多芯铜线、硬铝线时的脉冲波形如图5所示。

图5 引线电感对波形的影响

由图可知，系统中的杂散电感会使波形产生震荡，对脉冲的上升沿与下降沿产生很大影响，且会加剧波顶的抖动情况。为获得良好波形，应尽量减小器件引线长度。

1.3 接地状况的影响

匹配阻抗R7通过单独地线接地与通过电源地线接地时的波形如图6所示。

图6 匹配阻抗不同接地状况的脉冲波形

观察发现，接地状况显著影响脉冲波形。为获得良好波形，笔者一方面为箱体与匹配阻抗设计了独立的接地环节，另一方面将在箱体内部用铜板保证各器件良好接地。

1.4 传输线材质的影响

笔者用射频同轴电缆做传输线。线材选取的基本条件是耐压等级符合要求。常见的电缆波阻抗有50欧和75欧，线芯结构有单芯与多芯，用料有普通铜材和镀银铜材。

当直流源输出500v，匹配阻抗R7取50欧，无衰减器结构时，分别用波阻75欧铜单芯电缆，波阻50欧镀银单芯电缆，波阻50欧铜单芯、铜多芯电缆四种线材做脉冲形成线，脉冲波形如图7所示。

图7 不同线材做脉冲形成线时的脉冲波形

通过比较可以发现：镀银线与铜多芯传输线较另外两种线材，波形更平稳。这是由于纳秒脉冲波频很高，信号传递过程中有较强的集肤效应。线材镀银或采用多芯结构，改善了信号的传输，因而获得了更好的波形。镀银线单价是多芯线的数倍，在本试验中波形并无优势。因此多芯同轴线是本台设备的最佳线材。

1.5 电磁屏蔽的影响

脉冲开关在开断直流高压时，会产生一定的电磁辐射，可能会耦合至电路中影响脉冲波形。笔者设计了较厚的金属壳体放置开关，一方面起屏蔽作用，另一方面保证水银继电器的良好工作姿态。图8所示为不同屏蔽状况下的脉冲波形比较图。由图可知，屏蔽处理后，脉冲波顶更平整。

图8 不同屏蔽状况下的脉冲波形

2结  论

对影响脉冲波形的因素做了试验分析，为调校波形、提高脉冲质量、降低设备成本提供了方法与方向。

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参考文献

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[1]毛志国,邹晓兵,刘锐,等.一种10kV方波电压发生器[J].高电压技术, 2007,10: 41-44.

[2]邓桃,吴广宁,周凯等.一种纳秒级高压脉冲发生器的研制[J].高压电器,2007,43(2):131-132,135.

[3]吕亮,方亮,刘蕾等.小型纳秒级电压脉冲发生器的研制[J].高电压技术,2003,29(3):42-43,45.