核心速览

本文介绍了一种基于高压步进恢复二极管（SRD）和气体放电管（GDT）开关的高功率纳秒脉冲发生器，该发生器能够产生高输出功率水平的短脉冲。

研究背景

·  研究问题：高功率超宽带（UWB）脉冲的生成，特别是具有高重复率的脉冲，对于水处理、食品加工、空气处理以及化学过程如臭氧生成等应用至关重要。此外，高功率短脉冲发生器在材料科学和技术、UWB雷达、地下穿透雷达（GPR）和高能激光驱动器等领域也有广泛应用。
·  研究难点：现有的基于火花间隙（SG）开关、非线性传输线和固态开关的高功率脉冲发生器存在寿命短、重复率低、成本高和抖动大等缺点。同时，基于磁脉冲压缩（MPC）系统的高功率脉冲发生器在亚纳秒脉冲宽度下经济性不佳。
·  文献综述：文中提到了多种用于高功率UWB脉冲生成的方法，包括基于高压SG开关、半导体二极管、固态开关以及快速离子化动态晶体管（FID）开关等。这些方法各有优缺点，但都面临着效率、成本和性能等方面的挑战。例如，高压SG开关虽然能够产生高功率脉冲，但其寿命短、重复率低、成本高和抖动大；而基于MPC的系统在亚纳秒脉冲宽度下则不够经济。

文章提出了一种新型的高功率纳秒脉冲发生器，通过耦合两个二极管（一个高压SRD和一个高电流二极管）以及气体放电管（GDT）的双重作用，实现了高输出功率水平的短脉冲生成。通过分析和SPICE仿真，该发生器能够实现约20分贝的峰值功率增量，从而达到5.7兆瓦的高输出功率水平，脉冲宽度为1纳秒，重复率为450千赫兹，且输入平均功率为7.1千瓦时效率约为73%。

高功率纳秒脉冲发生器的设计与实现

·  基本原理：提出了一种基于高电压步进恢复二极管（SRD）和高电流二极管的高功率短脉冲发生器。该发生器利用气体放电管（GDT）实现双二极管的耦合动作，通过SPICE仿真和分析显示，峰值功率增加了约20dB，输出功率水平达到5.7MW，脉冲宽度为1ns，重复频率为450kHz。
·  电路结构：发生器由电感、SRD、高电流二极管和GDT组成。电感存储主要能量，通过双步切换操作，将能量瞬间注入负载。该方法在同时产生脉冲的过程中显著提高了最大输出功率。
·  性能分析：分析了二极管从正向偏置到反向偏置的恢复行为，以及基本脉冲发生器的性能限制。提出了高重复率高功率超宽带（UWB）脉冲发生器，并探讨了其优势。通过仿真结果，验证了所提方法的有效性。

高功率脉冲发生器的改进结构

·  设计思路：在提出的脉冲发生方法中，使用了高电压和高电流二极管以及串联的气体放电管（GDT），以获得极高功率的短脉冲。通过优化负载阻抗，实现了高功率脉冲的生成。
·  电路设计：电路包括高电压SRD、高电流二极管和GDT。在输入电压的负半周期，高电流二极管D₂导通，而在正半周期，高电压SRD D₁导通。通过优化时间参数T₁和T₂，可以防止系统开关的任何故障。
·  性能优化：通过选择合适的T₁和T₂时间间隔，可以有效避免系统开关的任何故障。同时，通过优化负载阻抗，可以实现高功率脉冲的生成。仿真结果表明，使用D₁和D₂二极管的新结构，可以向50Ω负载提供5.6MW峰值功率和1ns脉冲宽度的脉冲。

重复频率与热讨论

·  输入波形：为生成重复功率脉冲，应用了由一系列双极脉冲组成的输入波形。在任何两个相邻双极脉冲之间考虑了休息时间，以避免过热。
·  关键元件：关于过热风险的关键元件是高电流二极管D₂和GDT。通过优化休息时间，可以避免GDT过热，从而提高脉冲重复率。
·  效率与功率限制：通过仿真和分析，确定了在不同负载阻抗下，发生器的效率和最大输出功率。结果表明，对于给定的GDT最大耗散功率，存在一个与最大输出功率相关的最佳休息因子。

模拟结果与分析比较

·  模拟与分析：通过SPICE模拟和理论分析，比较了基本发生器和改进发生器的性能。结果表明，改进发生器在峰值功率、脉冲宽度、每脉冲能量、峰值到峰值功率增量和平均功率增量效率方面均优于基本发生器。

·  参数对比：模拟结果显示，改进发生器的峰值功率为5.71MW，脉冲宽度为1.0ns，每脉冲能量为7.4mJ，峰值到峰值功率增量为20.0dB，平均功率增量效率为30.3%。这些结果与理论分析结果有很好的一致性。

在文档中，二极管的恢复行为是分析系统性能的一个基本角色。二极管从正向偏置到反向偏置的转换需要一定的时间来达到其高阻抗的稳态。在图1(a)所示的电路中，二极管在0<t<tF期间处于正向偏置状态，具有低电阻，因此有显著的正向电流IFM通过二极管，导致在正向偏置期间在二极管结中储存了电荷QF。在t=tF时，输入电压变为正值，二极管在恢复时间显示了小电阻，并经历了一个显著的反向电流IRM。这种瞬态行为持续到存储延迟时间tsd，即少数载流子浓度消失所需的时间，这是在正向偏置二极管偏置反转后的时间。tsd时间间隔取决于少数载流子的寿命以及二极管的正向到反向电流比和正向偏置时间间隔tF。对于tF远大于少数载流子寿命TT的情况，可以简化为公式(2b)。在存储延迟时间结束时，二极管变为反向偏置，其反向电流开始以由结电容和外部电路决定的时间常数降为零。在所提出的超宽带脉冲生成方法中，这种二极管的瞬态行为被视为一个干扰效应，但在所提出的超宽带脉冲生成方法中，这种行为起到了关键作用。

在基本脉冲发生器的分析中，考虑了一个由电感、功率SRD（带有串联电阻Rs）和欧姆负载RL组成的高功率短脉冲发生器的结构。假设RL远大于Rs，使用了一个更准确的模型，该模型由串联电阻和并联电容组成。作为输入，应用了图3(a)所示的电压波形。对于t<0，输入电压为负值，Vin=-A₁（A₁>0），功率二极管正向偏置。

在二极管的恢复行为中，二极管从正向偏置到反向偏置的转换需要一定的时间来达到其高阻抗的稳态。这个过程对于分析系统性能至关重要。二极管在正向偏置期间储存了电荷，当偏置反转时，需要一定的时间来消除这些电荷，这个时间被称为存储延迟时间tsd。tsd的时间间隔取决于少数载流子的寿命以及二极管的正向到反向电流比和正向偏置时间间隔tF。在tsd期间，二极管的反向电流开始以由结电容和外部电路决定的时间常数降为零。

在文档中，还提到了二极管的恢复行为对于高功率脉冲生成方法的重要性。二极管在正向偏置期间储存了电荷，当偏置反转时，需要一定的时间来消除这些电荷，这个时间被称为存储延迟时间tsd。tsd的时间间隔取决于少数载流子的寿命以及二极管的正向到反向电流比和正向偏置时间间隔tF。在tsd期间，二极管的反向电流开始以由结电容和外部电路决定的时间常数降为零。

根据提供的文档内容，基本脉冲发生器分析部分主要讨论了由电感器、功率SRD（步进恢复二极管）和电阻性负载RL组成的高功率短脉冲发生器的结构和工作原理。以下是该部分的详细分析：

1. **基本结构**：基本高功率短脉冲发生器由电感器、功率SRD和电阻性负载RL组成。假设RL远大于SRD的串联电阻Rs，电路的输入电压波形为负值，使得功率二极管处于正向偏置状态。

2. **电感储能**：在输入电压为负值时，电感器储存能量。当输入电压变为正值时，电感器中的电流开始反向流动，导致二极管进入反向偏置状态。

3. **二极管反向恢复**：二极管从正向偏置到反向偏置需要一定的时间，称为存储延迟时间tsd。在tsd期间，电感器中的电流继续增加，直到达到最大值。

4. **输出脉冲**：在tsd结束时，二极管突然变为反向偏置，此时电感器中的能量迅速转移到负载上，产生高功率短脉冲。

5. **输出功率**：输出功率与电感器储存的能量有关，几乎等于电感器储存的能量，与负载阻抗值无关。然而，负载阻抗会影响脉冲的峰值和宽度。

6. **负载优化**：为了获得最佳输出功率，需要对负载阻抗进行优化。最佳负载阻抗值大约为0.85Z，其中Z为电感器和电容的特性阻抗。

7. **脉冲宽度**：对于最佳负载阻抗以下的负载，脉冲宽度可以通过公式计算得出。

8. **能量损失**：在电感器中储存的能量几乎全部转移到负载上，但实际中会有一些能量损失，主要是在SRD的串联电阻Rs上。

9. **效率**：基本脉冲发生器的效率与负载阻抗有关，最佳负载阻抗下可以获得较高的效率。

以上分析基于文档中提供的信息，具体数值和参数需要根据实际电路设计和实验数据来确定。

总体结论

·  研究发现：通过结合高电压SRD和高电流二极管，以及优化负载阻抗和休息时间，成功设计并实现了一种高功率纳秒脉冲发生器。该发生器在峰值功率、脉冲宽度和效率方面均表现出色，能够满足高重复率和高功率脉冲生成的需求。
·  应用前景：该发生器在材料科学、技术、UWB雷达、地面穿透雷达和高能激光驱动器等领域具有广泛的应用前景。其高功率脉冲输出能力对于这些应用领域具有重要意义。
·  研究意义：该研究不仅为高功率脉冲发生器的设计提供了新的思路，而且通过实验验证了所提方法的有效性，为相关领域的研究和应用提供了重要的参考。