基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器制造技术

本发明专利技术公开一种基于Blumlein脉冲形成线和传输线变压器的高频纳秒脉冲发生器结构。发生器结合了Blumlein传输线容易形成高频纳秒窄脉冲的特点和传输线变压器高频特性好的特点。发生器采用模块化结构设计，每个模块由Blumlein产生初级脉冲经传输线变压器放大后输出至负载，多个模块级联可以进行输出，增大了电压放大倍数，提高了输出功率。同时因为使用模块化设计，也减小了传输线变压器的阻抗变比，更加适用于小阻抗负载。设计中使用微带线进行传输线设计，可以根据负载大小进行阻抗匹配设计，同时大大减小了发生器的尺寸，实现了紧凑型设计。同时发生器使用MOS管作为开关，方便发生器的控制，并实现幅值、频率方便可调。

Modular solid state nanosecond pulse generator based on PCBBlumlein transmission line and PCB transmission line transformer

The invention discloses a high-frequency nanosecond pulse generator structure based on a Blumlein pulse forming line and a transmission line transformer. The generator combines the characteristics of Blumlein transmission line to form high frequency nanosecond narrow pulse and high frequency characteristic of transmission line transformer. The generator adopts modular structure design, each module produced by Blumlein primary pulse through transmission line transformer amplifier output to the load multiple modules can be cascaded output, increases the voltage magnification, increase the output power. At the same time, because of the modular design, the impedance ratio of the transmission line transformer is reduced, and the utility model is more suitable for small impedance load. In the design, the microstrip line is used to design the transmission line, and the impedance matching can be designed according to the load size. At the same time, the size of the generator is greatly reduced, and the compact design is realized. At the same time, the generator uses the MOS tube as the switch, which is convenient for generator control, and realizes the amplitude and frequency easily adjustable.

【技术实现步骤摘要】
基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器
本专利技术涉及生物电磁
,具体是一种固态纳秒脉冲发生器。
技术介绍
脉冲功率技术已经被广泛应用于医学、军事、材料、环境等多个方面，其中纳秒脉冲电场治疗肿瘤技术成为新的研究热点。研究发现在微秒脉冲电场作用下，肿瘤细胞的细胞膜上会产生可逆或不可逆电穿孔，可配合药物或者直接对肿瘤细胞进行杀伤。当脉宽减小至纳秒级别、场强增加至MV/m时，脉冲电场产生的细胞生物学效应与微妙脉冲的穿孔效应截然不同，在纳秒脉冲电场作用下，会在细胞器结构上对细胞产生影响而不在细胞膜上产生大的穿孔，能够诱导肿瘤细胞的凋亡使得肿瘤组织缩小甚至消失，同时避免炎症、溃疡等副作用，对于肿瘤治疗有重要意义。为了研究纳秒脉冲对肿瘤细胞的作用机理，需要进行微观单细胞实验，进而需要一种能够产生高频纳秒脉冲的脉冲电场发生器。在多种纳秒脉冲的产生方法中，Blumlein传输线和传输线变压器在高压纳秒脉冲的产生中获得了广泛的应用。其中Blumlein传输线能够方便的形成纳秒量级脉宽的电脉冲，波形具有很高的保真度，可以作为初级脉冲的产生方式。同时相对于传统的变压器，传输线变压器具有频带宽的特点，可以对输入的纳秒脉冲进行不失真放大。但是，现有技术中，使用均为多级的传输线变压器设计，输入输出阻抗变比很大，输出阻抗大，不适用于小负载。并且使用同轴电缆设计传输线变压器时，发生器体积大、重量大，不适合紧凑型发生器的趋势。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决输入输出阻抗变比很大、输出阻抗大，以及发生器不紧凑的问题。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器：如图1所示，本专利技术公开的单级发生器包括：一个单级Blumlein传输线和一个二级传输线变压器，以及MOS管开关电路S1、MOS管开关电路S2、高压直流电源和充电电阻R。所述单级Blumlein传输线由微带传输线T1和微带传输线T2组成。所述二级传输线变压器由微带传输线t1和微带传输线t2组成。所述微带传输线T1的两端分别记为A端和a端，其金属线的两端分别记为AJ端和aj端，其接地板的两端分别记为AB端和ab端。所述微带传输线T2的两端分别记为B端和b端，其金属线的两端分别记为BJ端和bj端，其接地板的两端分别记为BB端和bb端。所述微带传输线t1的输入端记为C端、输出端记为c端，其金属线的两端分别记为CJ端和cj端，其接地板的两端分别记为CB端和cb端。所述微带传输线t2的输入端记为D端、输出端记为d端，其金属线的两端分别记为DJ端和dj端，其接地板的两端分别记为DB端和db端。C端和D端为二级传输线变压器的输入端。所述高压直流电源包括电极I和电极II。电极I串联充电电阻R后，形成接入MOS管开关电路S1的端子，这一个端子与AJ端的通断，是通过MOS管开关电路S1来控制的。电极II连接微带传输线T1和微带传输线T2的接地板。电极II与AJ端的通断，是通过MOS管开关电路S2来控制的。aj端连接微带传输线t1和微带传输线t2的接地板。bj端连接CJ端和DJ端。cb端和dj端连接在一起。cj端和db端之间接入负载ZL。Blumlein传输线中每条传输线的特征阻抗为Z0，电长度为τ1，传输线变压器中每条传输线的阻抗为Z1，电长度为τ2，负载阻抗为ZL，当ZL＝2Z1＝8Z0时，整个系统阻抗匹配，脉冲形成过程如下：开关S1闭合、S2断开，高压直流电源通过充电电阻R对Blumlein传输线进行充电至电源电压U0。之后在t＝0时开关S1断开、S2闭合，Aj端被强迫接地，产生一个幅值为-U0的电压波向远离A端方向传播，在t＝τ1时到二级传输线变压器的输入端，入射波在此处产生折反射，一个幅值为-U0/2的电压波反射回T1传输线，同时一个幅值为-U0/2的电压波入射至T2传输线，此时会在变压器输入端产生一个幅值为U0的电压。在经过几次折反射后会在传输线变压器的输入端产生一个幅值为充电电压U0、脉宽为2τ1的脉冲。如图2所示，本专利技术公开的n级发生器包括：n个单级Blumlein传输线和n个二级传输线变压器，以及MOS管开关电路S1i、MOS管开关电路S2i、高压直流电源和充电电阻Ri。n为大于或等于2的自然数。i＝1、2……n。第i个单级Blumlein传输线由微带传输线T1i和微带传输线T2i组成。第i个二级传输线变压器由微带传输线t1i和微带传输线t2i组成。所述微带传输线T1i的两端分别记为Ai端和ai端，其金属线的两端分别记为AJi端和aji端，其接地板的两端分别记为ABi端和abi端。所述微带传输线T2i的两端分别记为Bi端和bi端，其金属线的两端分别记为BJi端和bji端，其接地板的两端分别记为BBi端和bbi端。所述微带传输线t1i的输入端记为Ci端、输出端记为ci端，其金属线的两端分别记为CJi端和cji端，其接地板的两端分别记为CBi端和cbi端。所述微带传输线t2i的输入端记为Di端、输出端记为di端，其金属线的两端分别记为DJi端和dji端，其接地板的两端分别记为DBi端和dbi端。Ci端和Di端为第i个二级传输线变压器的输入端。所述高压直流电源包括电极I和电极II。电极I并联充电电阻Ri后，形成接入MOS管开关电路S1i的端子，该端子与AJi端的通断，是通过入MOS管开关电路S1i来控制的。电极II连接微带传输线T1i和微带传输线T2i的接地板。电极II与AJi端的通断，是通过MOS管开关电路S2i来控制的。aji端连接微带传输线t1i和微带传输线t2i的接地板。bji端连接CJi端和DJi端。cbi端和dji端连接在一起。dbk端与cjk+1端连接，k＝1、2……n-1cj1端和dbn端之间接入负载ZL。Blumlein传输线中每条传输线的特征阻抗为Z0，电长度为τ1，传输线变压器中每条传输线的阻抗为Z1，电长度为τ2，负载阻抗为ZL，当ZL＝2nZ1＝8nZ0时，整个系统阻抗匹配，脉冲形成过程如下：开关S1i闭合、S2i断开，高压直流电源通过充电电阻Ri对Blumlein传输线进行充电至电压U0。之后在t＝0时开关S1i断开、S2i闭合，Aji端被强迫接地，产生一个幅值为-U0的电压波向远离Ai端方向传播，在t＝τ1时到第i个二级传输线变压器的输入端，入射波在此处产生折反射，一个幅值为-U0/2的电压波反射回T1i传输线，同时一个幅值为-U0/2的电压波入射至T2i传输线，此时会在变压器输入端产生一个幅值为U0的电压。在经过几次折反射后会在传输线变压器的输入端产生一个幅值为2nU0、脉宽为2τ1的脉冲。值得说明的是，现有的传输线一般有两种实现方式，即同轴电缆和微带线。但是因为同轴电缆只有几个特定的阻抗值，所以无法与特定负载进行阻抗匹配。同时若使用同轴电缆，当脉宽较宽时所需同轴电缆尺寸较大，会使得发生器体积增大，不符合发生器紧凑化的趋势。使用微带线作传输线的方式可以解决上述问题，通过改变微带线的宽度、介质、高度可以方便的改变传输线的特征阻抗，达到与负载阻抗匹配的目的。同时可以使用多层PCB板及蛇形走线的方式增加传输线的长度，使得发生器结构紧凑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器，其特征在于，一个单级发生器包括：一个所述的单级Blumlein传输线和一个二级传输线变压器，以及MOS管开关电路S

【技术特征摘要】
1.一种基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化固态纳秒脉冲发生器，其特征在于，一个单级发生器包括：一个所述的单级Blumlein传输线和一个二级传输线变压器，以及MOS管开关电路S1、MOS管开关电路S2、高压直流电源和充电电阻R；所述单级Blumlein传输线由微带传输线T1和微带传输线T2组成；所述二级传输线变压器由微带传输线t1和微带传输线t2组成；所述微带传输线T1的两端分别记为A端和a端，其金属线的两端分别记为AJ端和aj端，其接地板的两端分别记为AB端和ab端；所述微带传输线T2的两端分别记为B端和b端，其金属线的两端分别记为BJ端和bj端；所述微带传输线t1的输入端记为C端、输出端记为c端，其金属线的两端分别记为CJ端和cj端；所述微带传输线t2的输入端记为D端、输出端记为d端，其金属线的两端分别记为DJ端和dj端，其接地板的两端分别记为DB端和db端；C端和D端为二级传输线变压器的输入端；所述高压直流电源包括电极I和电极II；电极I串联充电电阻R后，形成接入MOS管开关电路S1的端子，这一个端子与AJ端的通断，是通过MOS管开关电路S1来控制的；电极II连接微带传输线T1和微带传输线T2的接地板；电极II与AJ端的通断，是通过MOS管开关电路S2来控制的；aj端连接微带传输线t1和微带传输线t2的接地板；bj端连接CJ端和DJ端；cb端和dj端连接在一起；cj端和db端之间接入负载ZL。Blumlein传输线中每条传输线的特征阻抗为Z0，电长度为τ1，传输线变压器中每条传输线的阻抗为Z1，电长度为τ2，负载阻抗为ZL，当ZL＝2Z1＝8Z0时，整个系统阻抗匹配，脉冲形成过程如下：开关S1闭合、S2断开，高压直流电源通过充电电阻R对Blumlein传输线进行充电至电源电压U0；之后在t＝0时开关S1断开、S2闭合，Aj端被强迫接地，产生一个幅值为-U0的电压波向远离A端方向传播，在t＝τ1时到二级传输线变压器的输入端，入射波在此处产生折反射，一个幅值为-U0/2的电压波反射回T1传输线，同时一个幅值为-U0/2的电压波入射至T2传输线，此时会在变压器输入端产生一个幅值为U0的电压；在经过几次折反射后会在传输线变压器的输入端产生一个幅值为充电电压U0、脉宽为2τ1的脉冲。2.一种基于PCBBlumlein传输线和PCB传输线变压器的模块化...

【专利技术属性】
技术研发人员：米彦，卞昌浩，万佳仑，彭文成，李盼，姚陈果，李成祥，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50