本文是一篇学术研究论文,题为《雪崩管Marx电路波形振荡影响因素分析》,由赵维、胡学溢、陈煜青、成真伯和燕有杰撰写,研究单位为中国人民解放军63660部队(河南洛阳)。文章发表在期刊《高功率激光与粒子束》(High Power Laser and Particle Beams)2024年第36卷第11期(收稿日期为2024年9月14日)。以下为论文的详细解析报告。
采用半导体仿真软件TCAD对NPN双极结型雪崩晶体管(FMMT417)进行二维混合模式仿真,模拟雪崩管在过压导通状态下集电极与发射极的电压变化(Vce随时间变动的曲线),详细揭示了雪崩管动态导通过程三个阶段: 1. 雪崩击穿阶段:触发导通或过压击穿后,集电极区域电离增强,导致Vce迅速下降。 2. 非稳态载流子浓度与电场变化阶段:由于电子和空穴浓度的反复变化,晶体管内部电场剧烈改变,此阶段呈现振荡特性。 3. 稳定导通阶段:载流子分布趋于稳定,Vce均匀减少,形成放电后沿的指数下降段。
实验平台由以下模块组成: - 触发控制模块:触发第一级雪崩管的工作,使用Keysight 81160A信号发生器生成前沿约1 ns的方波脉冲。 - 直流供电模块:为雪崩管提供偏置电压,并为储能电容充电。本实验设置了270 V与300 V两种充电电压。 - 输出波形测量模块:使用Lecroy WaveMaster 806Zi-B数字示波器(带宽6 GHz,采样率40 GS/s)记录输出波形。 - 电路设计:Marx电路采用PCB制作,全贴片封装,元器件和参数详见文中表1(包含雪崩晶体管、储能电容和电阻的具体规格)。
本实验通过改变以下变量,研究对输出波形的影响: 1. 储能电容的取值:试验电容量从18 pF到4.7 nF不等。 2. Marx电路级数:使用4级、5级、20级及多种10级至50级的电路进行实验。 3. 充电电压:分别设置为270 V和300 V。
从上述变量出发,具体记录快前沿尖峰、脉冲振荡、指数下降后沿三部分波形特征,并探讨相应现象的成因与优化设计途径。
实验结果表明: - 储能电容越大,前沿的尖峰幅值和振荡幅值越高,振荡持续时间越长。 - 当脉冲振荡的幅值超过快前沿尖峰的峰值时,整个波形的前沿表现为2 ns左右的尖峰振荡。 - 随充电电压从270 V增至300 V,前沿尖峰幅值更高,前沿时间更短,振荡幅值更高但持续时间较短。
支持数据如表2和图3所示。例如,对于1.0 nF的电容,充电电压分别为270 V和300 V时,快前沿尖峰幅值为316 V和518 V,振荡时间分别为11.87 ns和11.37 ns。
解释:随着储能电容增大,电路放电回路中存储的能量增加,导致雪崩管的非稳态过程持续时间加长,振荡成分增强。同时,增大充电电压能提升放电驱动力,增强尖峰振荡的幅值。
实验表明: - 增加Marx级数可显著提高输出波形的快前沿幅值。例如,1.0 nF电容条件下,从10级到50级,前沿幅值从1.50 kV增至3.65 kV。 - 快前沿时间随着级数增加逐渐趋于饱和(250~320 ps的范围),指数型后沿时间缩短,脉冲振荡的反复振荡现象减弱。
重要结果如表4和图6所示。例如,25级电路快前沿时间为309 ps,峰值幅度为2.60 kV,振荡持续时间4.89 ns。
解释:级数增加增强串联放电的输出电势差,同时减少等效电容,有助于短前沿和高幅值的实现。
增大充电电压(270 V到300 V)对波形所有特征的提升效果显著,尤其是对快前沿幅值的增长和快前沿时间的缩短效应最为明显。
本研究系统分析了雪崩管动态导通过程与Marx电路波形振荡的关键影响因素: - 储能电容增大会延长脉冲非稳态过程,导致更强的波形振荡。 - 增加Marx电路级数能有效提升快前沿尖峰幅值,并适度缩短顶点时间。 - 增大充电电压可进一步优化波形特性。
研究成果为高压纳秒脉冲源的优化设计提供了重要参考,尤其针对探地雷达等对波形平稳性要求较高的应用,具有较强实际价值。建议未来设计中通过联合建模进一步细化对电路杂散参数及算法设计的理解,同时通过储能电容大小调整及微带线优化改进波形性能。