固态高功率高重频脉冲源的研究与发展 ^①

梁勤金 ^*

(中国工程物理研究院 应用电子学研究所 高功率微波技术重点实验室，四川 绵阳 621900)

摘 要： 全固态高功率高重频脉冲源技术是定向能武器高能激光、高功率微波发展的关键技术之一。重点介绍了固态脉冲源技术发展历程和国内外发展动态。总结了三类固态高功率高重频脉冲源研制设计方法与工作原理、核心关键技术、应用前景、发展启示，以供相关人员参考。固态高功率高重频脉冲源具有全固态、高功率、小体积、轻重量、高可靠、长寿命等优点，在“激光打靶受控核爆模拟”实验研究、闪光X光照像、超宽带雷达、超宽谱通信、电子对抗、瞬态测量仪器等领域有广泛的应用前景。

关键词： 定向能武器；固态高重频脉冲源；高功率；高压脉冲；高压半导体开关

1 引 言

固态高功率高重频脉冲源技术在近期已经取得了巨大进步，应用范围不断扩大。美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory，AFRL)、洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory，LANL)、劳伦斯利福摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)等与俄罗斯叶卡捷琳堡电物理研究所(Institute of Electrophysics,Ekaterinburg)、圣彼得堡约飞研究所(Ioffe Physical-Technical Institute of Russian of Russian Academy of Science,St.Petersburg)领先推动了全固态高功率高重频脉冲源技术的发展。在其技术发展初期，两国科学家选择技术路线不同，美国初期发展超宽带高压固态脉冲产生采用Si、GaAs固态光导开关，后来研究SiC固态光导开关等。国内许多研究团队有的加入了新一代固态高功率高重频脉冲源等离子体高压半导体开关的研究，有的加入了固态高功率高重频脉冲源应用研究^[1-6]。国内固态高功率高重频脉冲源研究与美、俄、德相比还有较大技术差距，主要体现在整机系统设计及包括固态高压开关在内的关键技术的掌握方面。

本文主要介绍固态高功率高重频脉冲源的国内外发展动态与趋势，三类固态高功率高重频脉冲源研制设计方法与工作原理、核心关键技术、应用前景、发展启示，以供相关人员参考。

2 固态高功率高重频脉冲源技术发展历程

固态高功率高重频脉冲源技术是脉冲功率技术领域重点研究内容和发展方向之一。高功率脉冲功率技术就是将高密度的能量快速压缩、转换或释放给特定负载的电物理技术。1962年，英国原子武器研究中心科学家Martin将Blumlein线与早期Marx发生器结合，将脉冲功率源脉冲宽度从微秒级压缩到几十纳秒，做出了划时代标志性贡献。1991年，俄罗斯科学家米夏兹领导Tomsk叶卡捷琳堡电物理研究所研究人员Rukin等在研究用固态硅高压二极管作整流试验时发现，使一定持续时间正向电流及一定持续时间反向电流(电流密度高达几十千安每平方厘米，电流通过时间为几百纳秒)依次通过固态硅整流高压二极管，其反向电流衰减时间降低了几十纳秒。这种大电流密度在纳秒时间截断物理现象独特，潜在应用价值较高。此后，多种新型高功率固态开关器件相继研制出来，例如在俄罗斯圣彼得堡约飞研究所科学家Brylevsky等人研制的阶跃恢复二极管(Step Recovery Diode，SRD)、逆恢复二极管(Inverse Recovery Diode，IRD)、漂移阶跃恢复二极管(Drift Step Recovery Diode，DSRD)、漂移阶跃恢复三极管(Drift Step Recovery Transistors，DSRT)、快速离化二极管(Fast Ionization Device，FID)、硅雪崩形成电路(Silicon Avalanche Shaper，SAS)等半导体开关(Semicondutor Opening Switch，SOS)。在以上几类SOS中，SRD、IRD等虽然固态化，功率容量大，但开关速度慢，重复频率低，难以满足小型超宽带脉冲源对快脉冲前沿、高功率容量、高重复频率要求；DSRD、FID等属于阶跃快恢复二极管和快速离化组件，跟高压雪崩管一样，虽然具有开关速度快、工作频率高、体积小、重量轻的优点，但受器件工艺、高功率容量和长时间工作寿命限制。

2005年,美国密苏里大学哥伦比亚分校(University of Missouri Columbia,UMC)Kelkar等开始研究非本征半导体宽禁带SiC光导开关^[7-11])，利用LLNL加工光导开关。从目前美国研究光导固态开关产生高功率超宽带脉冲来看，高重频、大电流、长寿命等关键技术问题解决并不理想，其主要原因之一是,高功率高压大电流下工作寿命短，需要激光器持续大驱动光子能量，重量重、体积大，重复频率低，成本高，设备复杂，导致其发展和应用受限，虽然部分技术在研制过程中有所发展，但都没有达到期望的结果。

1.2.2 染色体核型分析 采用G显带制备技术对脐血及外周血进行常规G显带(500～550条带)检测。

精益服务量表测量的顾客感知价值能够为旅游服务企业的服务供给机制提供结果变量，旅游服务企业的服务生产机制提供了前因变量，而服务标准化生产与顾客精益化体验的组合与动态均衡则提供了中介或调解变量，即旅游服务企业通过旅游服务的生产机制影响其提供的旅游服务产品中的标准化生产和顾客精益化体验，进而影响顾客价值。精益服务理论在不同旅游企业中的有效性和适用性需要通过一系列实证研究进行科学测量，对相关变量的测量工具亦需要随着研究情境的变化不断完善和补充，其结果也将极大地丰富现有旅游服务管理测量工具体系。

例如，泰戈尔在《飞鸟集》中的诗句：“鸟翼上系上了黄金，这鸟便永不能再在天上翱翔了。[7]”我们可以把它当作一个类比。

美国和俄罗斯在固态高功率微波脉冲源研究领域显示出良好的研究基础和技术水平，但早期两个国家采用的技术路线又有所不同。俄罗斯科学家研究产生固态高功率高重频微波脉冲方法不同，根据Grekhov 和Kardo-Sysoev教授等在类似于硅PIN二极管结构中发明的离化波理论，俄罗斯科学家设计并研制出了等离子体波半导体开关器件。该类器件是目前国际上功率容量最大(10⁸～10¹⁰W)、开关速度最快(亚纳秒)、功率密度最大、转换效率最高、重复频率最高的固态脉冲开关器件，能产生高功率高重频微波脉冲。在工程应用中该类器件具有触发抖动小、工作寿命长、体积小、重量轻、容易串并联集成等优点。俄罗斯已成功使用该类器件实验室开发制造出实用高功率脉冲源系列产品。出现这一技术巨大进步归因于20世纪90年代以来俄罗斯科学家Grekhov、Kardo-Sysoev等的巨大努力，相继研制出令人鼓舞的新型高功率高压半导体器件SRD、IRD、DSRD、FID、SAS等,使其固态高功率脉冲源的体积、重量大幅度减少,输出功率和重复频率大幅增加,工作寿命延长，其脉冲宽度可以实现从几百纳秒到几十皮秒宽范围选择，大大缩短了高性能小型化高功率脉冲源的研制时间与研制周期。

2015年，渤海装备通过对烟气轮机远程状态监测诊断系统进行进一步技术升级，监测数据的准确性、超前性、可靠性得到加强，保证了催化装置的稳定、高效、安全运行，赢得了用户的认同和信赖。目前，远程监测诊断中心已为中国石油集团公司内部26家炼化企业的40余台烟气轮机提供实时运行监测，累计提供诊断报告200余份，有力保障了设备可靠运行。

俄罗斯、德国在小型全固态高压纳秒脉冲源研究方面基础较好，而且技术领先。一方面是俄罗斯、德国在该方面研究保密工作做得好；另一方面是这种特殊工艺和材料制成技术本身太复杂，以致美国空军研究实验室对Tomsk叶卡捷琳堡电物理研究所和圣彼得堡约飞研究所新研究出的新型高功率半导体器件SRD、IRD、DSRD、FID、SAS等表示出浓厚兴趣，责令菲利普斯实验室(Phillips Laboratory，PL)、先进武器与生存能力管理局(Advanced Weapons and Survivability Directorate，AWSD)、空军材料管理部(Air Force Materiel Command，AFMC)、科特兰空军基地(Kirtland Air Force Base，KAFB)监管、组织、资助新墨西哥大学电子与计算机研究部，由Schamiloglu、Fleddermann、Focia等负责执行完成了一个研究课题《一种先进半导体开关物理和技术研究(A Study of Advance Semiconductor Switch Physics and Technology)》，重点研究了俄罗斯DSRD、SAS两类超快固态开关关键技术(设计、制造、工艺、材料等)；研究SAS仿真计算模型并与俄罗斯实验研究DSRD和SAS结果对比，实验测试了DSRD与SAS使用寿命和开关真实性能，并对测试结果进行了讨论，对俄罗斯SAS理论设计与实验测试结果部分矛盾数据进行了分析。最终结论是：俄罗斯研制的DSRD与SAS基本正确，数据基本可靠。DSRD用作高压半导体开关的开启状态,以最短的时间打开瞬态过程工作的开启开关。通常单个PN结工作电压0.5～2 kV,开启时间0.5～2 ns。SAS用作高压半导体开关的关闭状态,以最短的时间关断瞬态过程工作的封闭开关。通常单个PN结工作电压3～10 kV,开启时间50～200 ps。SAS主要考虑作为一种全固态、长寿命、高可靠开关代换过压火花隙开关。用特殊材料与结构的PN结组装的上述两类半导体开关,据俄罗斯科学家Grekhov预计，其工作电压可达到1 MV，DSRD开启时间小于1 ns，几百千伏电压工作的SAS闭合时间小于100 ps。对于多个均匀分布的半导体开关组件，由于其表面集肤效应的限制，DSRD的开关电流也可达10 kA，SAS的闭合电流也可大于2 kA。

目前小型全固态高压纳秒脉冲源正朝全固态、高功率、高重频、超宽谱、纳秒亚纳秒皮秒(nanosecond/subnanosecond/picosecond)脉冲宽度、长寿命、小型化等方向发展，从技术上发展为高重复频率(100 kHz到几十MHz)与低重复频率(单次、几kHz到几十kHz)两种主要工作方式。

3 全固态高功率高重频电磁脉冲源国内外发展动态

3.1 国外发展状况

目前国外全固态高功率高重频电磁脉冲源研发、生产最高技术水平是德国贝尔巴克(Burbach,Germany)FID GmbH Technology公司，该公司的核心技术背后支持平台是俄罗斯圣彼得堡约飞研究所等机构。

全固态高压脉冲源分类没有严格标准，按重复频率分为高重复频率脉冲源(100 kHz～10 MHz)和低重复频率脉冲源(单次、1 Hz～10 kHz)两类，按高压脉冲波形特性分可为超快前沿(10～100 ps)脉冲源、低抖动(10～30 ps)高压脉冲源和超高电压(100～300 kV)脉冲源等。表1给出了几类重要固态高压脉冲源最具代表性技术参数。

表 1几类典型固态高压脉冲源主要技术参数

(1)FID GmbH Technoloy的固态高压脉冲源

该公司的固态高压脉冲源原理框图如图1所示。

“青楞”特别喜欢欺负村里的老实人，自己喂的牛经常吃别人家的庄稼，还死不认账。2004年，“青楞”家喂养的狗咬死了张新富的羊，张新富年纪较大，前去讲理，结果“青楞”死活不承认狗是自己的。为了证明自己没有诬陷“青楞”，张新富跪立在“青楞”家门前“赌咒”，“青楞”不仅不予理睬，反而坐在自家房间里与儿子喝酒聊天。烈日当头，不料张新富突发脑溢血身亡。为了及时解决纠纷，防止门头闹事，村干部请来派出所的民警调解纠纷，“青楞”最终向张新富的家属赔偿了3000元。

图1 固态高压脉冲源原理框图

从1996年至今，固态高功率高压脉冲源高速发展，图2给出了固态高功率高压脉冲源技术参数发展现状与趋势。当重频小于100 Hz、输出电压10 kV～1 MV，脉冲前沿200～500 ps；当重频小于1 kHz、输出电压5～200 kV，脉冲前沿100～200 ps；当重频小于10 kHz、单元电路输出电压10 kV，脉冲前沿200 ps；当重频小于100 kHz、单元电路输出电压5 kV，脉冲前沿100 ps；当重频小于1 MHz、单元电路输出电压3 kV，脉冲前沿100 ps。通过单元电路脉冲源的线路功率合成可以提高其脉冲源的输出功率和工作重复频率。

高校创新能力的提升会受到各种因素的影响，如高校的办学层次和所有制等。［6］在所调查的黑龙江省高校中，办学层次为本科及本科以上视为1，其余为0;办学性质为公办的视为1，其他性质的视为0;办学年龄10年及以上的视为1，其他视为0。

图2 固态高压脉冲源技术参数发展现状与趋势图

该公司的全固态高重频高压脉冲源主要技术参数：输出电压5 kV，50 Ω；上升时间200～300 ps；脉冲宽度1～2 ns；重复频率1 MHz。

利用傅里叶逆变换，由N 个满足一定规律的连续波信号叠加，外加超宽带驱动放大及功率放大，即能获得所要求的高重频电磁脉冲源性能参数。

该公司的10～70 kV固态高压脉冲源主要技术参数：输出电压10 kV～70 kV；上升时间 100～150 ps；脉冲宽度0.5～1 ns；重复频率100 Hz～1 kHz。

当源语是比较陌生的内容时，采取直译却无法清楚地表达意思，那么就可以用直译加注的办法。原文的特色仍然保留，还有利于读者了解背后的文化。如，四害可以翻译为fourpests，担心读者不明白其中的意思，可以加注(rats，bedbugs，fliesandmosquitoes)；班门弄斧Toshowoffone’sskillwiththeaxebeforeLuBanthemastercarpenter加注todisplayone’sslightskillsbeforeanexpert。

工作原理：如图6、图7所示，在5 V基准同步脉冲源控制下，t ₀～t ₁期间，280 V正脉冲源G1通过储能电感L_M向高重频高压脉冲形成组件DSRD充电，注入高密度脉冲电流，延时控制单元K1和开关T1控制正脉冲源G1工作。t ₁～t ₂期间，在延时控制单元K2和开关T2控制负脉冲源G2工作，抽取DSRD组件高密度脉冲电流，在负载R_L1上产生高电压宽脉冲(数十纳秒)。在完成抽取移出DSRD脉冲电流之前，其主要能量存储在电感L_M中。从移出来自DSRD和L_M中电流向负载R_L1转移，则有I ₁×L _M=I ₂×L _M，I ₁为注入电流，I ₂为抽取电流，DSRD呈高阻关断状态，通路电流向负载R_L1转移，此时在t ₂时刻，负载R_L1产生一高压高重频超宽带纳秒脉冲。此外，-280 V负脉冲源G2还向后级FID组件提供同步偏压，电容C4、电感L_P有延时给FID加偏压功能，L_N有通直流功能、同时阻止主路脉冲信号旁路泄漏，开关T1、T2提供开关功能，延时控制单元K1、K2提供延时功能，正脉冲源G1、负脉冲源G2提供载流子脉冲电流的注入和抽取。

该公司300 kV固态脉冲源主要技术参数:输出电压200～300 kV；峰值电流5 kA；重复频率50 Hz。

(4)高功率激光器300 kV固态高压脉冲源

该型固态高压脉冲源主要技术参数：输出电压200～300 kV；峰值电流5～20 kA；脉冲宽度100～500 ns；能量50～500 J；重复频率10～100 Hz；尺寸1 200 mm×300 mm×150 mm。

3.2 国内研制现状

在国家大力支持下，国内研发固态高功率高压脉冲源的单位主要在中物院十所、西北核技术研究所、中国电科13所、国防科大等单位，但非常令人遗憾的是全固态高功率高重频电磁脉冲源脉冲宽度低于0.5 ns。由于禁运至今还没有解除，中国电科13所刘忠山研究员研究团队、华中科技大学梁琳教授研究团队、西北核技术研究所、中物院十所等，多年来一直跟踪研究这一领域关键技术，试图扩展并开发其应用范围，但效果并不十分理想。其主要原因还是全固态高功率高重频电磁脉冲源核心半导体等离子体高压开关工作机理、工艺技术、理论与实验等多方面技术研究工作滞后、不系统、不深入，关键技术没有完全彻底掌握，尽管其研究过程中取得了一定技术进步，但仍然研究进度缓慢，研究结果不令人满意。

国内从2000年开始研究基于SOS重频脉冲功率源工作。2002年西北核技术研究所对俄引进了基于SOS的脉冲功率源S-5N，引进工作结束后在S-5N上开展了低引导磁场环形电子束产生研究、高功率微波产生等相关实验，实验结果证明基于SOS的脉冲功率源在高功率微波产生方面具备极大的潜力。中物院十所也通过技术引进手段获得了基于SOS脉冲功率源的短脉冲装置，它采用DBD开关对输出脉冲进行了压缩加快输出前沿，提高输出功率，主要进行高重复频率超宽谱源研究。中物院十所、西北核技术研究所都通过对SOS器件的理论和实验研究，掌握了基于SOS的脉冲功率源的工作原理和设计方法。中物院十所从2000年就开展了全固态高重频纳秒脉冲源及其应用研究工作，先后完成了对雷达、通信、电子对抗等多项基础实验及应用开发研究工作，获得了用户好评。

根据Grekhov等对类似硅PIN二极管结构中发明的离化波理论研究，DSRD开关通/断时间关系工作原理如图9所示。

图3 功率100 kW、脉宽339 ps、重频200～300 kHz
全固态高重频纳秒脉冲源输出电压波形

DSRD和FID是一类大电流快速工作模式高压半导体开关，它克服了传统闸流管、火花歇开关等的开关速度慢、寿命短、重频低、可靠性差的缺点。将DSRD、FID开发利用是研究高性能的全固态、大功率、高压、高重频、超宽带脉冲源电磁脉冲产生的关键。笔者从1999年至今一直跟踪研究各类高功率高压快速离化开关国内外研究进展，探索研究用DSRD、FID产生超快纳秒、皮秒电磁脉冲方法，研究快速离化开关产生高压脉冲技术，取得了一定的研究进展。现举例一种用全固态高压开关DSRD、FID直接产生高压高重频电磁脉冲方法，如图6所示，它比传统真空开关器件产生电磁脉冲方法有较大改进和提高，具有全固态、高功率、高压、高重频、超宽带电磁脉冲输出的特点，同时在UWB通信、UWB雷达、电子对抗等领域具有重要研究价值和应用前景。

图4 输出功率40 MW、脉宽3.4 ns全固态高重频纳秒脉冲源输出电压波形

4 三类固态高功率高重频脉冲源研制设计方法与原理

4.1 基于传统高压开关Marx 电路固态高压脉冲源设计方法

如图5所示，采用多开关串联再并联的方法。其工作原理是：电路采用并联充电、串联方式，电容上电压V 、电容上电荷q 及电容容量变c 满足V =q /c 时，当电容经过n 级级联后其等效电容c /n 时，理想状况下，其输出电压将升至nV 。

图5 传统Marx高压脉冲源工作原理图

多开关串联再并联的方法的特点：电源电压不能太高，太高容易打火；电源电压不能太低，太低输出电压也太低，使整个电路板尺寸太长；电子元件多；调试麻烦。

4.2 基于新型高压半导体开关Marx 电路固态高压脉冲源设计方法

本文新型高压半导体开关是基于等离子体波效应高压半导体开关器件IRD、DBD、DSRD、FID、SAS等的统称，其工作原理是基于器件内部的等离子体物理现象，载流子以饱和速度运动，在每100 ps时间内大约只能移动10 μm，这个距离比功率器件中空间电荷区(Space Charge Region，SCR)的宽度要小10倍以上。其中特定杂质分布结构的深扩散PN结器件在高压反偏压和特定触发电路的控制下，半导体PN结产生超快可逆延迟击穿效应，在PN结空间电荷区形成高电流密度电子-空穴等离子体，称作快速离化器件FID。等离子体波半导体开关器件主要参数如表2所示。

表 2等离子体波半导体开关主要参数

半导体开关DRSD有能力输出一种峰值功率达几十到百兆瓦的纳秒超宽带脉冲。这种开关的主要优点是输出功率高，寿命长、稳定性高(低抖动)，体积小、重量轻，生产制造技术相对简单。它同时还具有重要的特性:等离子体泵浦和等离子体抽取时间周期在100～300 ns内完成高功率的产生,具有高重频特性。DSRD属反向大功率切断开关，将电感高能量储能向负载转移，产生高功率电磁脉冲，该电磁脉冲能量大，但产生脉冲宽度相对较宽，达到几纳秒到几十纳秒以上。

FID属超快可逆延迟击穿效应高压导通开关，特点是在高压反偏压和特定触发电路的控制下，半导体PN结产生超快可逆延迟击穿效应，在PN结空间电荷区形成高电流密度电子-空穴等离子体，使该独特开关结构的FID具有极高的脉冲电流变化速率、极快脉冲前沿、高压、大功率、长寿命、高可靠、性能稳定等优点，可替换一定功率晶闸管和火花隙放电开关。FID缺点是半导体的结构、工艺复杂，对高压半导体材料要求高，研制难度极大。

采用Excel2007与SPSS16.0软件包分别统计与处理实验数据，±s表示计量资料，率（%）表示计数资料，χ2进行检验。当P＜0.05时，提示差异有统计学差异。

中物院十所新研制的40 MW、脉宽3.4 ns全固态高重频纳秒脉冲源如图4所示，其主要技术参数：输出功率40 MW(负载50 Ω)；上升时间<1 ns；脉冲宽度3.4 ns；重复频率1 kHz。

则FID电流密度

图6 DSRD、FID高功率纳秒电磁脉冲产生工作原理

(3)300 kV固态脉冲源

图7 DSRD负载RL1上脉冲电压波形

如图6所示，DSRD负载R_L1上输出电压峰值分别为U _0H、U _0L；DSRD注入和抽取电压分别为U ₀、-U ₀。图7中，输出级高压纳秒脉冲产生采用了一种高压半导体快速离化开关FID来自压缩前级DSRD输出脉冲。当来自前级DSRD负载R_L1上平均功率较高、电压变化速率的脉冲输入，FID在其空间电荷区相对弱导电中性区域产生高压电离形成高电流密度等离子体，引起高场强电场，其中FID的空间电荷区置换电流i _c在高场强电场中以饱和速率迁移，被加速载流子产生高电压速率du /dt ^[7，12-15]。

主要是为了使内筒不跟随外筒转动，内筒超前管鞋在不回转的情况下先压入地层，减小先期对底部岩层的破坏。同时，有效阻止冲洗液对底部岩层的冲刷，有利于岩心的形成。另外，岩心进入内筒之后，减少内筒与岩心摩擦以及保持岩心原状，延长取心内筒使用寿命。

>V _sqN _dW ₀/ε 。

(1)

式中：V _s为载流子饱和速率，q 为电子电荷，W ₀为FID的PN结SCR宽度，N _d为PN结参杂浓度，ε 为介电常数。

《中国造纸学报》是由中国造纸学会主办、中国制浆造纸研究院承办的造纸专业学术性期刊，创刊于1986年。主要刊登造纸专业研究论文、学术报告及综合性学术评述，反映我国造纸工业在原材料、制浆、造纸、废液综合利用及污染防治、机械设备、分析检验、工艺和质量控制自动化以及制浆造纸专业基础理论等方面的新进展和新成果，是我国造纸工业理论性强、水平高的学术性期刊。它为我国造纸工业提供了一个极好的学术交流平台，对国内造纸工业的技术进步做出了较大贡献。本刊的固定栏目有：研究论文与综述等。

j _c>qV _sN _d。

(2)

4.3 基于逆傅里叶变换理论产生高重频脉冲设计方法

将图8所示输出的高重频脉冲加以超宽带驱动放大和超宽带功率放大，可完成高功率高重频脉冲源研制设计。任何在一个周期上可积的周期性函数f (t )可以用一个傅里叶级数来表示：

(3)

式中：a ₀是常数；ω ₀=2πf _r，f _r=1/T ，T 是函数周期。傅里叶级数有很明确的物理意义，就是把一个比较复杂的周期运动看成是不同频率的简单谐振运动的叠加。其中常数项a ₀是f (t )的直流分量；a ₁cos(ω ₀t )+b ₁sin(ω ₀t )是f (t )的一次谐波；a ₂cos(2ω ₀t )+b ₂sin(2ω ₀t )是f (t )的二次谐波分量;a ₃cos(3ω ₀t )+b ₃sin(3ω ₀t )、a ₄cos(4ω ₀t )+b ₄sin(4ω ₀t )……依次叫作f (t )的三次谐波、四次谐波等。因此，一个周期性脉冲信号可以由具有的所有谐波信号叠加产生，一个有限带宽的周期性窄脉冲信号可以由其所含有的N 个信号叠加产生，它的傅里叶级数表达为

(4)

式中：ω _n =2πf _n ,f _n =f ₁+(n -1)Δf ,n =1,2,…,N 。

依据上述分析，对垃圾堆体四周采取柔性垂直防渗封闭，阻隔平面长度约1 499 m，然后利用封场技术对垃圾堆体顶部进行封场处理，将污染源整体三维封闭，实现垃圾堆体水文地质的独立，其三维阻隔平面如图4所示。

(2)FID GmbH Technoloy的10～70 kV固态高压脉冲源

设计举例：以500 MHz为基频，11个基频的奇数频率和偶数频率合成一个脉冲宽度200 ps、重频500 MHz的脉冲源输出，设计方法如图8所示。

图8 逆傅里叶变换产生高重频脉冲源设计方法

工作原理：如图8所示，通过功分器将参考频率信号馈入11个数字锁相振荡器，每一个数字锁相振荡器提供所要求的频率精度、频谱纯度、低噪声和稳定频率信号。每个数字锁相振荡器由基准参考放大器、外激励谐波源、相位检波器、压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)构成，每个频率通道由连续相位调节移相器、功率放大器构成。

式中，B、I、T分别为磁通密度、电流密度、铁芯和绕组温升，下标max和min表示其上下限值。上述参数均根据具体的电力网络需求和产品性能确定。

5 固态高压脉冲源关键技术

5.1 高压半导体开关

高压纳秒脉冲源早期使用的开关，如火花隙气体开关、磁开关、闸流管等，其特点是功率容量大、重复频率低、开关速度慢、稳定性差，难以满足体积小、重量轻、全固态、重复频率高、开关速度快、稳定性高的要求。传统开关在脉冲功率源系统中使用广泛且技术成熟，但是存在一些难以克服的缺点，如寿命短、成本太高、维修复杂、效率低、体积庞大、同步性差、不稳定、散热困难等。随着半导体工业迅速发展，半导体开关在电力电子领域应用广泛。半导体开关具有体积小、寿命长、工作稳定等突出的优点，部分产品呈现取代传统开关趋势。

5.1.1 新研制高压雪崩半导体开关

其主要技术参数如表3所示。

表 3高压雪崩半导体开关

5.1.2 DSRD 高压半导体开关

Grekhov等在研究类似硅PIN二极管结构中，意外地发现了该结构在反向高压下会产生等离子体离化波现象，进一步深入研究并发明了离化波理论，设计了多层PN结构的半导体器件模型结构，并对该结构参数进行模拟计算和实验研究^[16-25]。该等离子效应离化波理论的高压半导体开关工作原理与传统的高压开关不同：首先，它具有复杂的多层PN结结构，其结构不同对高压半导体开关性能有较大影响；其次，多层PN结结构的每层掺杂浓度不同，也影响高压半导体开关性能。该高压开关主要依靠体内PN结的自动恢复来切断电流的，在电流切断瞬间，开关体内的等离子体完全消失。

中物院十所2018年新研制的100 kW、脉宽339 ps全固态高重频纳秒脉冲源如图3所示，其主要技术参数：输出功率100 kW(负载50 Ω)；上升时间100 ps；脉冲宽度339 ps；重复频率200～300 kHz。

图9 DSRD半导体开关通/断时序图

在t ₁时间段内，流过开关的正向电流将电子-空隙等离子体注入开关的每层结构，随后，在t ₂时间段内，由于电流方向逆转，开关体内的等离子体逐渐被消除。在t ₂时间段内的初始时间内，由于等离子体还没有完全被消除，开关仍处于高电导率阶段，因而其压降很小(如图9中虚线所示)。在t ₃时刻，开关体内的PN结恢复反向阻断特性，其空间电荷区的电压迅速升高，流过开关电流被切断，开关的电压迅速增大。

基于一种新型等离子体离化效应高压全固态纳秒开关特性，完成了一种DSRD核心开关器件研制(图10)，要求其在高功率条件下使用：脉冲电压10 kV；脉冲电流100 mA;开关导通时间短(前沿T _r<1 000 ps)；体积小(Φ5×3.5 mm)。

图10 DSRD高压半导体开关组合

该DSRD高压开关器件具有特殊四层两端n-p-n-p结构和特殊参杂浓度；峰值功率达几十到几百兆瓦；开关开启时间100～1 000 ps，且不依赖于加在它上的工作电压和流过它的电流；工作电流超过10 kA时，电流上升率超过100 kA/ms。在50 Ω负载下，工作电流为500 A时，在0.2 ns的上升时间内，电流上升率达到2 500 kA/ms。

5.1.3 FID高压半导体开关

高功率高电压FID主要技术参数：工作电压 1～100 kV；峰值电流-100 kA；导通时间2～3 ns；上升前沿50～200 ps。

快速离化器件是较DBD结构复杂的一种n+pnp+四层两端器件。当在这种硅器件两端施加高于器件正向开关电压2～3倍的过压(具有超快速的电压上升率dV /dt )脉冲时，器件内部可产生巨量固态电子-空穴等离子体，并以亚纳秒速度迅速导通(单器件工作电压高达5 kV，工作电流高达10 kA，抖动<20 ps，di /dt 超过100 kA/μs)。其工作原理：当t =t ₀时，初始电场E _b存在于空间电荷区中，二极管基极层宽度W _n接近电中性;当t =t ₁时，在器件两端快速施加的高压将使空间电荷区生成一个足够高的电场区Δ(大于临界击穿电场)。与此同时，由于没有能够引发击穿的自由载流子，超强场区Δ内不产生电击穿。二极管基极层W _n中通过离化作用生成的空穴以饱和速度向左漂移，并很快到达Δ区(t =t ₂)，此时Δ区内将产生极快速的强烈击穿。电子-空穴等离子体的存在，导致过压区电场快速减弱,使过压区逐渐被中性等离子体区替换，大范围内的电离化又一次出现,面积增大,过压区又一次被替换，如此类推。

基于FID的Marx电路具有高功率、高电压、体积小、重量轻、长寿命、高可靠、皮秒/纳秒工作(开关时间10^-8 s内实现几十千伏到几百千伏的高电压输出 )的特点。

5.2 固态高功率脉冲源功率合成

5.2.1 线路功率合成

首先，将香菇洗净泡发，把香菇中的水分沥干。然后，将香菇水倒入洗净的大米中，放入电饭锅中煮熟。香菇水中蕴含着香菇的精华，菌香浓郁，煮出来的米饭散发着香菇的味道。煮饭的过程中，要将大米翻几次身，使得米粒受热均匀，避免煮出夹生饭。

固态高功率脉冲源电路功率合成原理如图11所示。在高压脉冲源线路脉冲功率合成研究中，若要提高其功率容量，但必须主要解决三个关键技术问题:第一，合成方法及可行技术路线选择。可采用独特的、灵巧的“ 并/串”线路纳秒脉冲功率合成结构，要求该结构既能克服单纯多路高压脉冲并联结构的低阻抗很难匹配问题，又能克服多路高压纳秒脉冲串联结构高阻抗高压打火问题。第二，多个高压脉冲源的高精度同步。可采用“一路高压触发、多路高精度可调延时”方法以及应用恒温晶振、低时钟抖动的芯片、温漂特性好的分立元器件、合理PCB板布线等综合技术设计。第三，高稳定高压脉冲源单源模块设计。第四，系统设计电磁兼容问题。

图11 固态高压脉冲源线路功率合成原理图

5.2.2 空间功率合成

如图12所示，多个固态高功率脉冲源空间功率合成是实现高功率微波辐射有效技术方法之一。多个脉冲源空间功率合成具有可实现高功率、高效率、体积小、重量轻、可靠性高的优点，能较大提高系统平均输出功率。实验证明，固态高功率脉冲源满足一定时域、频域特性时，能够实现高效率空间功率合成。要实现高效率空间功率合成的注意事项：第一，多个固态高功率脉冲源时域波形具有良好一致性、稳定性、高精度同步特性；第二，多个固态高功率脉冲源通过空间功率合成时，源与源之间(包括天线)中必须满足一定电磁兼容特性条件，在脉冲源与天线的通频带内，可以获得高效率的功率合成；第三，超宽带天线相位特性的非线性将影响脉冲源在不同频率上的功率合成效率。

图12 固态高功率脉冲源空间功率合成原理图

6 发展启示

6.1 应用前景广阔

固态高功率脉冲源在核爆效应模拟和可控粒子束惯性约束核聚变、超宽带雷达、超宽带通信、等离子体化学、电子对抗、闪光照相、激光器驱动器、瞬态测量仪器等领域有广泛应用和发展前景。

6.2 固态高功率高重频脉冲源技术优势明显

目前不论是以新型高压雪崩快脉冲开关还是以新一代等离子体效应高压开关为基础的固态高功率高重频脉冲源高速发展，都起因于一种新的物理电子学高压半导体开关技术的发明和创造，使其在全固态、高功率、高重频、长时间工作、长寿命、小体积、轻重量、高可靠、系统简便、低成本等方面较过去表现出卓越性能。可以预见，不远将来就会在陆基、空基、海基等多平台上开发出新的高性能装备。

6.3 固态高功率高重频脉冲源发展的主要问题

目前固态高功率高重频脉冲源核心技术，即新一代等离子体效应高压开关技术，国内存在理论研究不足、固态高压开关工程设计、工艺实现、关键技术掌握和技术细节研究滞后等问题，导致国内固态高功率高重频脉冲源整机设计与应用跟俄、德、美有较大差距。尽管过去很多年国内部分技术研究人员在资金、人力资源、实验条件相对困难下持续坚持，取得了一定成绩，但从近几年高功率微波武器效应实验研究结果及固态高功率高重频脉冲源性能来看，高功率高压皮秒纳秒脉冲固态开关及新型新一代等离子体效应高压开关技术是制约固态高功率高压高重频脉冲源发展的关键技术问题。

6.4 加快固态高功率高重频脉冲源技术武器整机装备开发

在陆海空武器多平台应用上，包括在无人机、无人机群上，未来特殊局部战争需要特殊有独特作战效能的装备，达到出奇制胜的效果，预计高功率高重频脉冲源技术有其独特用武之地。因此，应组织合力攻关，加快高功率高重频脉冲源技术攻防装备开发。

7 结束语

固态高功率高重频脉冲源技术在受核爆效应模拟和可控粒子束惯性约束核聚变实验研究、定向能高能激光器驱动技术、高功率微波技术等领域的应用需求，其关键技术不断取得突破和发展，未来其在陆基、海基、空基武器平台上将占有重要的一席之地。加之自身在非真空高压条件下工作，表现出全固态、高功率、小体积、轻重量、高可靠、长寿命等诸多优点，使其具有多种广泛应用背景和发展潜力。

参考文献：

[1] 刘锡三.高功率脉冲技术[M].北京:国防工业出版社,2005.

[2] 梁勤金，石小燕，潘文武.高压快速离化半导体开关及其脉冲压缩特性[J].强激光与粒子束，2011，23(8)：2141-2144.

[3] 梁勤金，石小燕，冯仕云，等.高功率半导体开关DSRD在UWB雷达中的应用[J].现代雷达,2005,27(5)：69-71.

[4] 石小燕，曹晓阳，梁勤金，等.多路窄脉冲功率线路合成[J].强激光与粒子束，2010，22(4)：769-772.

[5] 梁勤金，石小燕，潘文武，等.高重频电磁脉冲在微波限幅器中传播特性研究[C]//第十届全国高功率微波学术研讨会论文集.呼和浩特:中国工程物理研究院应用电子学研究所，2015：825-772.

[6] 梁勤金，马弘舸，石小燕.超宽带脉冲在接收机中非线性特性研究[J].强辐射技术与应用，2014，13(2)：37-42.

[7] GREKHOV I V.Physical basis for high power semiconductor nanosecond and sub-nanosecond switches[J].High Voltage Engineering,1998,11(5):1318-1320.

[8] BELKIN V S,SHULZHENKO G I.Generator of high voltage bipolar nanosecond pulses[J].Instruments and Experimental Techniques,1994,37(4):20-25.

[9] LOUBRIEL G M,ZUTAVERN F J,MALLEY M W O.High gain GaSe switches for impulse sources[C]//Proceedings of Twenty-First International Power Modulator Symposium.Costa Mesa:IEEE,1994:27-30.

[10] FOCIA R J,SCHAMILOGLU E,FLEDERMAN C B,et al.Silicon diodes in avalanche pulse-sharpening applications[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1997,25(2):138-144.

[11] ASTROVA E A,VORONKOV V B,KOZLOV V A,et al.Processed induced deep-level defects in high purity silicon[J].Semiconductor Science and Technology,1998(13):488-495.

[12] EFANOV V M.Fast ionization devices(FID) - a new class of superpower switches[C]//Proceedings of 2000 IEEE Conference Record of Power Modulator Symposium 2000.Piscataway：IEEE,2000：66-68.

[13] EFANOV V M，KARAVAEV V V，KARDO-SYSOEV A F，et al.Fast ionization dynistor(FID)-a new semiconductor superpower closing switch[C]//Proceedings of 1997 IEEE Conference Record of Power Modulator Symposium.Baltimore:IEEE,1997:988-991.

[14] GREKHOV I V,KOROTKOV S V,KHRISTYUK D V.A switch based on reverse switch on dynistor with a diode sharpener of switched current pulse[J].Instruments and Experimental Techniques,2002,45(5):671-673.

[15] FONTANA R J.Recent system application of short-pulse UWB technology[J].IEEE Microwave Theory and Technology,2004,52(9):2087-2096.

[16] GREKHOV I V.Mega and gigawatts-ranges,repetitive mode,semiconductor closing and opening switches[C]//Proceedings of the 11th IEEE International Pulsed Power Conference.Baltimore:IEEE,1997:1-8.

[17] GREKHOV I V,MESYATS G A.Physical basis for high-power semiconductor nanosecond opening switches[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2000,28(5):1540-1544.

[18] RUKIN S N,ALICHKIN E A.SOS/DBD-based solid state switching for ultra-high-power short pulse generation[C]//Proceedings of the Twenty-Fifth Intermational Power Modulator Symposium.Hollywood:IEEE,2002:178-182.

[19] LYUBUTIN S K,MESYATS G A.Subnanosecond high-density current interruptionin SOS diodes[C]//Proceedings of the 11th IEEE International Pulsed Power Conference.Baltimore:IEEE,1997:663-666.

[20] RUKIN S N,MESYATS G A.Megavolt repetitive SOS-based generator[C]//Proceedings of 2001 Pulsed Power Plasma Science.Las Vegas:IEEE,2001:1272-1275.

[21] FONTANA R J.Recent system application of short-pulse UWB technology[J].IEEE Microwave Theory and Technology,2004,52(9):2087-2096.

[22] SERGEY V Z.High repletion frequency picosecond pulse generation[C]//Proceedings of IEEE Conference Record of Power Modulator Symposium.[S.l.]:IEEE,2002:403-405.

[23] EFANOV I V,KARDO-SYSOEV A,TCHASHNICOV I,et al.New superfast power closing switched—dynistors on delayed ionization[C]//Proceedings of 1996 International Power Modulator Symposium.Boca Raton:IEEE,1996:22-25.

[24] GREKHOV I V,EFANOV V M,KARDO-SYSOEV A,et al.Power drift step recovery diode(DSRD)[J].Solid-State Electronics,1985,28(6):597-599.

[25] GREKHOV I V,MESYATS G A.Physical basis for high-power semiconductor nanosecond opening switches[C]//Digest of Technical Papers of the 12th IEEE International Pulsed Power Conference.Monterey:IEEE,1999:1158-1161.

Research and Development of Solid State High Power High Repetition Frequency Pulse Source

LIANG Qinjin

(Science and Technology Laboratory on High Power Microwave,Institute of Applied Electronics,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

Abstract ：One of the key technologies of all solid state high power and high frequency pulse source technology is the development of directed energy weapon high energy laser and high power microwave.This paper mainly introduces the development process of solid state pulse source technology and the development trend at home and abroad,summarizes the development design method,working principle,core technology,application prospect and development enlightenment of solid state high power and high repetition frequency pulse sources in hope of providing reference for those concerned.Featured by all solid state,high power,small size,light weight,high reliability,long life,etc,solid state high power high repetition frequency pulse source has a wide range of potential prospects in “laser target controlled nuclear explosion simulation” experimental research,flash X-ray imaging,ultra-wideband radar,ultra-wideband spectrum communication,electronic countermeasures,transient measurement instruments and other fields.

Key words ：directed energy weapon;solid state high repetition frequency pulse source;high power;high voltage pulse;high voltage semiconductor switch

开放科学(资源服务)标识码( OSID)：

中图分类号： TN802

文献标志码： A

文章编号： 1001-893X( 2019) 10-1227-10

doi: 10.3969/ j.issn.1001-893x.2019.10.020

引用格式： 梁勤金.固态高功率高重频脉冲源的研究与发展[J].电讯技术，2019,59(10):1227-1236.[LIANG Qinjin.Research and development of solid state high power high repetition frequency pulse source[J].Telecommunication Engineering,2019,59(10):1227-1236.]

①收稿日期： 2019-01-25；修回日期： 2019-05-05

*通信作者： liang2489623@163.com

作者简介：

梁勤金 男，1963年生于四川蓬溪，研究员，主要研究方向为高功率微波技术及应用等。

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