基于PCBBlumlein傳輸線和PCB傳輸線變壓器的模塊化固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器制造技術

本發(fā)明專利技術公開一種基于Blumlein脈沖形成線和傳輸線變壓器的高頻納秒脈沖發(fā)生器結構。發(fā)生器結合了Blumlein傳輸線容易形成高頻納秒窄脈沖的特點和傳輸線變壓器高頻特性好的特點。發(fā)生器采用模塊化結構設計，每個模塊由Blumlein產(chǎn)生初級脈沖經(jīng)傳輸線變壓器放大后輸出至負載，多個模塊級聯(lián)可以進行輸出，增大了電壓放大倍數(shù)，提高了輸出功率。同時因為使用模塊化設計，也減小了傳輸線變壓器的阻抗變比，更加適用于小阻抗負載。設計中使用微帶線進行傳輸線設計，可以根據(jù)負載大小進行阻抗匹配設計，同時大大減小了發(fā)生器的尺寸，實現(xiàn)了緊湊型設計。同時發(fā)生器使用MOS管作為開關，方便發(fā)生器的控制，并實現(xiàn)幅值、頻率方便可調(diào)。

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.

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
基于PCBBlumlein傳輸線和PCB傳輸線變壓器的模塊化固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器
本專利技術涉及生物電磁
,具體是一種固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器。
技術介紹
脈沖功率技術已經(jīng)被廣泛應用于醫(yī)學、軍事、材料、環(huán)境等多個方面，其中納秒脈沖電場治療腫瘤技術成為新的研究熱點。研究發(fā)現(xiàn)在微秒脈沖電場作用下，腫瘤細胞的細胞膜上會產(chǎn)生可逆或不可逆電穿孔，可配合藥物或者直接對腫瘤細胞進行殺傷。當脈寬減小至納秒級別、場強增加至MV/m時，脈沖電場產(chǎn)生的細胞生物學效應與微妙脈沖的穿孔效應截然不同，在納秒脈沖電場作用下，會在細胞器結構上對細胞產(chǎn)生影響而不在細胞膜上產(chǎn)生大的穿孔，能夠誘導腫瘤細胞的凋亡使得腫瘤組織縮小甚至消失，同時避免炎癥、潰瘍等副作用，對于腫瘤治療有重要意義。為了研究納秒脈沖對腫瘤細胞的作用機理，需要進行微觀單細胞實驗，進而需要一種能夠產(chǎn)生高頻納秒脈沖的脈沖電場發(fā)生器。在多種納秒脈沖的產(chǎn)生方法中，Blumlein傳輸線和傳輸線變壓器在高壓納秒脈沖的產(chǎn)生中獲得了廣泛的應用。其中Blumlein傳輸線能夠方便的形成納秒量級脈寬的電脈沖，波形具有很高的保真度，可以作為初級脈沖的產(chǎn)生方式。同時相對于傳統(tǒng)的變壓器，傳輸線變壓器具有頻帶寬的特點，可以對輸入的納秒脈沖進行不失真放大。但是，現(xiàn)有技術中，使用均為多級的傳輸線變壓器設計，輸入輸出阻抗變比很大，輸出阻抗大，不適用于小負載。并且使用同軸電纜設計傳輸線變壓器時，發(fā)生器體積大、重量大，不適合緊湊型發(fā)生器的趨勢。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的是解決輸入輸出阻抗變比很大、輸出阻抗大，以及發(fā)生器不緊湊的問題。為實現(xiàn)本專利技術目的而采用的技術方案是這樣的，一種基于PCBBlumlein傳輸線和PCB傳輸線變壓器的模塊化固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器：如圖1所示，本專利技術公開的單級發(fā)生器包括：一個單級Blumlein傳輸線和一個二級傳輸線變壓器，以及MOS管開關電路S1、MOS管開關電路S2、高壓直流電源和充電電阻R。所述單級Blumlein傳輸線由微帶傳輸線T1和微帶傳輸線T2組成。所述二級傳輸線變壓器由微帶傳輸線t1和微帶傳輸線t2組成。所述微帶傳輸線T1的兩端分別記為A端和a端，其金屬線的兩端分別記為AJ端和aj端，其接地板的兩端分別記為AB端和ab端。所述微帶傳輸線T2的兩端分別記為B端和b端，其金屬線的兩端分別記為BJ端和bj端，其接地板的兩端分別記為BB端和bb端。所述微帶傳輸線t1的輸入端記為C端、輸出端記為c端，其金屬線的兩端分別記為CJ端和cj端，其接地板的兩端分別記為CB端和cb端。所述微帶傳輸線t2的輸入端記為D端、輸出端記為d端，其金屬線的兩端分別記為DJ端和dj端，其接地板的兩端分別記為DB端和db端。C端和D端為二級傳輸線變壓器的輸入端。所述高壓直流電源包括電極I和電極II。電極I串聯(lián)充電電阻R后，形成接入MOS管開關電路S1的端子，這一個端子與AJ端的通斷，是通過MOS管開關電路S1來控制的。電極II連接微帶傳輸線T1和微帶傳輸線T2的接地板。電極II與AJ端的通斷，是通過MOS管開關電路S2來控制的。aj端連接微帶傳輸線t1和微帶傳輸線t2的接地板。bj端連接CJ端和DJ端。cb端和dj端連接在一起。cj端和db端之間接入負載ZL。Blumlein傳輸線中每條傳輸線的特征阻抗為Z0，電長度為τ1，傳輸線變壓器中每條傳輸線的阻抗為Z1，電長度為τ2，負載阻抗為ZL，當ZL＝2Z1＝8Z0時，整個系統(tǒng)阻抗匹配，脈沖形成過程如下：開關S1閉合、S2斷開，高壓直流電源通過充電電阻R對Blumlein傳輸線進行充電至電源電壓U0。之后在t＝0時開關S1斷開、S2閉合，Aj端被強迫接地，產(chǎn)生一個幅值為-U0的電壓波向遠離A端方向傳播，在t＝τ1時到二級傳輸線變壓器的輸入端，入射波在此處產(chǎn)生折反射，一個幅值為-U0/2的電壓波反射回T1傳輸線，同時一個幅值為-U0/2的電壓波入射至T2傳輸線，此時會在變壓器輸入端產(chǎn)生一個幅值為U0的電壓。在經(jīng)過幾次折反射后會在傳輸線變壓器的輸入端產(chǎn)生一個幅值為充電電壓U0、脈寬為2τ1的脈沖。如圖2所示，本專利技術公開的n級發(fā)生器包括：n個單級Blumlein傳輸線和n個二級傳輸線變壓器，以及MOS管開關電路S1i、MOS管開關電路S2i、高壓直流電源和充電電阻Ri。n為大于或等于2的自然數(shù)。i＝1、2……n。第i個單級Blumlein傳輸線由微帶傳輸線T1i和微帶傳輸線T2i組成。第i個二級傳輸線變壓器由微帶傳輸線t1i和微帶傳輸線t2i組成。所述微帶傳輸線T1i的兩端分別記為Ai端和ai端，其金屬線的兩端分別記為AJi端和aji端，其接地板的兩端分別記為ABi端和abi端。所述微帶傳輸線T2i的兩端分別記為Bi端和bi端，其金屬線的兩端分別記為BJi端和bji端，其接地板的兩端分別記為BBi端和bbi端。所述微帶傳輸線t1i的輸入端記為Ci端、輸出端記為ci端，其金屬線的兩端分別記為CJi端和cji端，其接地板的兩端分別記為CBi端和cbi端。所述微帶傳輸線t2i的輸入端記為Di端、輸出端記為di端，其金屬線的兩端分別記為DJi端和dji端，其接地板的兩端分別記為DBi端和dbi端。Ci端和Di端為第i個二級傳輸線變壓器的輸入端。所述高壓直流電源包括電極I和電極II。電極I并聯(lián)充電電阻Ri后，形成接入MOS管開關電路S1i的端子，該端子與AJi端的通斷，是通過入MOS管開關電路S1i來控制的。電極II連接微帶傳輸線T1i和微帶傳輸線T2i的接地板。電極II與AJi端的通斷，是通過MOS管開關電路S2i來控制的。aji端連接微帶傳輸線t1i和微帶傳輸線t2i的接地板。bji端連接CJi端和DJi端。cbi端和dji端連接在一起。dbk端與cjk+1端連接，k＝1、2……n-1cj1端和dbn端之間接入負載ZL。Blumlein傳輸線中每條傳輸線的特征阻抗為Z0，電長度為τ1，傳輸線變壓器中每條傳輸線的阻抗為Z1，電長度為τ2，負載阻抗為ZL，當ZL＝2nZ1＝8nZ0時，整個系統(tǒng)阻抗匹配，脈沖形成過程如下：開關S1i閉合、S2i斷開，高壓直流電源通過充電電阻Ri對Blumlein傳輸線進行充電至電壓U0。之后在t＝0時開關S1i斷開、S2i閉合，Aji端被強迫接地，產(chǎn)生一個幅值為-U0的電壓波向遠離Ai端方向傳播，在t＝τ1時到第i個二級傳輸線變壓器的輸入端，入射波在此處產(chǎn)生折反射，一個幅值為-U0/2的電壓波反射回T1i傳輸線，同時一個幅值為-U0/2的電壓波入射至T2i傳輸線，此時會在變壓器輸入端產(chǎn)生一個幅值為U0的電壓。在經(jīng)過幾次折反射后會在傳輸線變壓器的輸入端產(chǎn)生一個幅值為2nU0、脈寬為2τ1的脈沖。值得說明的是，現(xiàn)有的傳輸線一般有兩種實現(xiàn)方式，即同軸電纜和微帶線。但是因為同軸電纜只有幾個特定的阻抗值，所以無法與特定負載進行阻抗匹配。同時若使用同軸電纜，當脈寬較寬時所需同軸電纜尺寸較大，會使得發(fā)生器體積增大，不符合發(fā)生器緊湊化的趨勢。使用微帶線作傳輸線的方式可以解決上述問題，通過改變微帶線的寬度、介質(zhì)、高度可以方便的改變傳輸線的特征阻抗，達到與負載阻抗匹配的目的。同時可以使用多層PCB板及蛇形走線的方式增加傳輸線的長度，使得發(fā)生器結構緊湊本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種基于PCBBlumlein傳輸線和PCB傳輸線變壓器的模塊化固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器，其特征在于，一個單級發(fā)生器包括：一個所述的單級Blumlein傳輸線和一個二級傳輸線變壓器，以及MOS管開關電路S

【技術特征摘要】
1.一種基于PCBBlumlein傳輸線和PCB傳輸線變壓器的模塊化固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器，其特征在于，一個單級發(fā)生器包括：一個所述的單級Blumlein傳輸線和一個二級傳輸線變壓器，以及MOS管開關電路S1、MOS管開關電路S2、高壓直流電源和充電電阻R；所述單級Blumlein傳輸線由微帶傳輸線T1和微帶傳輸線T2組成；所述二級傳輸線變壓器由微帶傳輸線t1和微帶傳輸線t2組成；所述微帶傳輸線T1的兩端分別記為A端和a端，其金屬線的兩端分別記為AJ端和aj端，其接地板的兩端分別記為AB端和ab端；所述微帶傳輸線T2的兩端分別記為B端和b端，其金屬線的兩端分別記為BJ端和bj端；所述微帶傳輸線t1的輸入端記為C端、輸出端記為c端，其金屬線的兩端分別記為CJ端和cj端；所述微帶傳輸線t2的輸入端記為D端、輸出端記為d端，其金屬線的兩端分別記為DJ端和dj端，其接地板的兩端分別記為DB端和db端；C端和D端為二級傳輸線變壓器的輸入端；所述高壓直流電源包括電極I和電極II；電極I串聯(lián)充電電阻R后，形成接入MOS管開關電路S1的端子，這一個端子與AJ端的通斷，是通過MOS管開關電路S1來控制的；電極II連接微帶傳輸線T1和微帶傳輸線T2的接地板；電極II與AJ端的通斷，是通過MOS管開關電路S2來控制的；aj端連接微帶傳輸線t1和微帶傳輸線t2的接地板；bj端連接CJ端和DJ端；cb端和dj端連接在一起；cj端和db端之間接入負載ZL。Blumlein傳輸線中每條傳輸線的特征阻抗為Z0，電長度為τ1，傳輸線變壓器中每條傳輸線的阻抗為Z1，電長度為τ2，負載阻抗為ZL，當ZL＝2Z1＝8Z0時，整個系統(tǒng)阻抗匹配，脈沖形成過程如下：開關S1閉合、S2斷開，高壓直流電源通過充電電阻R對Blumlein傳輸線進行充電至電源電壓U0；之后在t＝0時開關S1斷開、S2閉合，Aj端被強迫接地，產(chǎn)生一個幅值為-U0的電壓波向遠離A端方向傳播，在t＝τ1時到二級傳輸線變壓器的輸入端，入射波在此處產(chǎn)生折反射，一個幅值為-U0/2的電壓波反射回T1傳輸線，同時一個幅值為-U0/2的電壓波入射至T2傳輸線，此時會在變壓器輸入端產(chǎn)生一個幅值為U0的電壓；在經(jīng)過幾次折反射后會在傳輸線變壓器的輸入端產(chǎn)生一個幅值為充電電壓U0、脈寬為2τ1的脈沖。2.一種基于PCBBlumlein傳輸線和PCB傳輸線變壓器的模塊化...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：米彥，卞昌浩，萬佳侖，彭文成，李盼，姚陳果，李成祥，
申請(專利權)人：重慶大學，
類型：發(fā)明
國別省市：重慶,50