[发明专利]高重复频率、高电压、亚纳秒前沿的脉冲产生装置及方法

说明书

本发明涉及一种高重复频率、高电压、亚纳秒前沿的脉冲产生装置及方法，脉冲产生装置包括多级阶梯状脉冲形成线，多级阶梯状脉冲形成线的输入端并联设置至少两只半绝缘砷化镓雪崩开关，各半绝缘砷化镓雪崩开关在时间上顺次导通；工作时，半绝缘砷化镓雪崩开关由光脉冲触发导通，每只开关以固定的重复频率工作。各并联的半绝缘砷化镓雪崩开关在时间上顺次导通。如果时间间隔为单只开关工作的时间周期除以开关联数量，本发明基于半绝缘砷化镓雪崩开关的脉冲产生装置及方法可实现高重复频率、高输出电压和亚纳秒脉冲前沿的脉冲输出。

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种高重复频率、高电压、亚纳秒前沿(<1ns)的脉冲产生装置。

背景技术

具有亚纳秒前沿的高重复频率、高电压脉冲在民用和军用领域具有广泛的应用，其产生高压脉冲电场，可应用于生物医学、污水废气处理、食品保鲜、等离子体化学等；经天线辐射后产生超宽谱短电磁脉冲，可应用于目标探测、三维成像、干扰或损伤军用电子设备等。

参考图1。文献1“1995，Proc.SPIE,Optically Activated Switching IV，Vol.2343，pp.180-186”介绍了一种基于半绝缘砷化镓光导开关的双极脉冲产生装置。两只光导开关5-6分别连接在平板传输线1的两端。待平板传输线1充电完成后，激光二极管阵列Ⅰ3和激光二极管阵列Ⅱ4同时触发异面结构光导开关Ⅰ5和异面结构光导开关Ⅱ6导通，负载2输出双极脉冲。装置中的光导开关为异面结构，工作于雪崩模式，开关时间小于1ns。该双极脉冲产生电路简单，但存在以下缺点：

1、由于光导开关雪崩导通形成了数MA/cm2的电流密度，开关的重复频率和寿命有限，导致双极脉冲产生装置的重复频率最高仅为1kHz。

2、输出双极脉冲的电压峰峰值等于传输线的充电电压，无法满足更高电压水平应用领域的需求。

文献2“U.S.Patent Application Publication 0165839,Jul.19,2007”公开了一种产生双极脉冲、具有电压倍增功能的阶梯状脉冲形成线。该电路产生双极脉冲的最快前沿取决于采用开关的导通时间，双极脉冲的宽度取决于电路中传输线的长度。

重复频率、电压水平及脉冲前沿是脉冲产生装置的三个重要的指标，要提高三个指标中的任意两个指标并不困难，但要同时提高三个指标是非常困难的，因为其中的两个指标通常存在此优彼劣的关系。基于半绝缘光导开关的脉冲产生装置输出脉冲具有高电压、超快前沿特点，但重复频率有限。基于串联p⁺nnn⁺半导体断路开关的脉冲产生装置输出脉冲具有高电压、高重复频率特点，但脉冲前沿为纳秒量级。

发明内容

为了解决现有双极脉冲产生装置重复频率有限，不能同时实现高重复频率、高输出电压和亚纳秒脉冲前沿的技术问题，本发明提供一种高重复频率、高电压、亚纳秒前沿的脉冲产生装置。

本发明的技术解决方案如下：

本发明所提供的高重复频率、高电压、亚纳秒前沿的脉冲产生装置，其特殊之处在于：包括多级阶梯状脉冲形成线，所述多级阶梯状脉冲形成线的输入端并联设置至少两只半绝缘砷化镓雪崩开关。

上述结构为本发明脉冲产生装置的基本结构，基于该基本结构本发明还可作出以下优化限定：

半绝缘砷化镓雪崩开关优选为体结构，体结构的半绝缘砷化镓雪崩开关包括半绝缘砷化镓衬底，所述半绝缘砷化镓衬底的一侧覆盖有阳极金属层，与阳极金属层相对的半绝缘砷化镓衬底的另一侧的中心设置有圆形阴极金属层，在圆形阴极金属层的周围设置钝化区域，所述圆形阴极金属层的中心还开设有通光孔，阴极金属层上连接有引线。该体结构半绝缘砷化镓雪崩开关有助于提高开关的重复频率和寿命。

基于上述的高重复频率、高电压、亚纳秒前沿的脉冲产生装置产生双极脉冲的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：