一种非对称正反矩形波脉冲工艺

技术领域

本发明实施例涉及矩形波脉冲工艺技术领域，具体涉及一种非对称正反矩形波脉冲工艺。

背景技术

在高压电工技术领域中，有许多高压脉冲的实现方法，由于不同应用场合对电压的波形有特定的要求，需要设计具有电压上升和下降速度快，且抖动下的电源，以满足激光领域的应用需求。此类电源的典型负载是电光晶体，由于泡克耳斯效应，各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化，高压快脉冲作用到电光晶体上可以产生电光效应，此技术广泛运用于激光聚变装置、等离子体诊断、加速器技术等领域，随着激光技术的不断发展，对快脉冲电源的精度需求越来越高，具体表现在前沿和后沿均保持在纳秒级，电压幅值达几十千伏，电压达到最大后超调抖动不超过百分之一，平顶时间段电压下降不超过百分之一，因此，对器件的选择和回路设计都提出了更高的要求。

在外加电场极化法的原有技术中，电源电路全部由电子器件实现，高压矩形脉冲产生的方法中主要有:高频脉冲加低频脉冲调制、脉冲变压器升压和高反向耐压开关管直流斩波。高频脉冲加低频脉冲调制的方法，电源输出脉冲频率最小是75Hz，输出脉冲幅值最大12kV，在频率可调整范围、输出幅值可调整范围方面难以满足各种规格晶片极化的要求:脉冲变压器升压的方法，由于电场极化法要求电源输出脉冲频率低，变压器体积巨大，不易制造，同时脉冲波形难以保证要求；高反向耐压开关管直流斩波的方法，由于受到现有制作水平的限制，目前商用的开关管的最大反向耐压只有3kV，因此输出电压的幅值受到限制，虽然氢闸管的反向耐压值高，由于造价高，且依赖进口，没有普遍推广“的意义。由于电场极化法要求电源输出脉冲频率低，脉冲宽度宽，脉冲幅度高，平顶下降小，并且诸多参数在使用过程中需要调整，因此采用常规方法，不仅难以达到各种规格晶片极化的技术要求，而且由于器件的制作水平受到限制不易制造。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种非对称正反矩形波脉冲工艺，通过提供接近于周期波的非对称信息源，当用于正弦调制时，得到的调制结果已经完全接近正弦信号，因而其频谱能量高度集中，占用带宽更窄，若以有限带外衰减带宽或99％功率带宽计算，则频带利用率极高，提供的信息源或调制信号便于集成电路的制作，适应面宽，只要改变c，τ，Ts即可控制信号频谱特性和传输码率，在同样的发射功率下得到不同的传输性能，以适应不同的信道环境，可以保证放电截止时电源端直接接地，加速负载电压下降过程，且保证负载上无电压振荡，使脉冲下降沿时间更短，确保非对称正反矩形波脉冲特性，电路全部采用固体器件，可以调整输出电压脉宽和频率，单个器件失败时不影响电路工作的安全性，整个系统稳定性强、体积小、寿命长，为高电压、快上升及快下降脉冲电路提供了全新的设计方案，通过光耦隔离，触发信号稳定可靠，输出高压对控制芯片的干扰较小，所有半导体开关器件同时动作，提高触发的可靠性和精准度，输出电压可以根据负载需求调整，以解决现有技术中由于高频脉冲加低频脉冲调制、脉冲变压器升压和高反向耐压开关管直流斩波的方法存在电压超调，“平顶”的平整度不理想，波尾延长，电压下降缓慢，难以达到各种规格晶片极化的技术要求，器件的制作水平受到限制不易制造的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种非对称正反矩形波脉冲工艺，具体步骤如下：用矩形脉冲go(t)表示二进制数字0，矩形脉冲 go(t)包含c个脉冲宽度为τ的窄脉冲，其函数表达式为:

1.go(t)＝II(t)0≤t

2.go(t)＝-II(t)dτ≤t<(c+d)τ

3.go(t)＝II(t)(c+d)τ≤t≤Ts，

用矩形脉冲g1(t)表示二进制数字1，其函数表达式为:

g1(t)＝Asym(go(t))＝II(t)0≤t≤Ts，

其中II(t)代表矩形波，Asym表示非对称运算，Ts为位周期，d为窄脉冲起始点，

设初态uc＝u_＝0，uo＝+Uz，则u+＝+UT，uo通过R3向C充电，则Uc增大，当uc＝+UT时，uo＝-Uz，则u+＝-UT，uo通过R3向C反向充电(放电)，则uc 减小，当uc＝-UT时，uo＝+Uz，则u+＝+UT，uo通过R3向C充电，因为电容C的正、反向充电时间相等，所以其占空比为50％，即输出方波信号。

uc(0)＝-UT，uc(∞)＝+Uz，τ＝R3C，

则:uc(t)＝go(t)＝[uc(∞)-u(0)](1-e(-t/τ))

+uc(0)＝g1(t)＝(Uz+UT)(1-e(-t/R3C))-UT

uc(T/2)＝UT

+-UT＝+-R1*Uz/(R1+R2)。

进一步地，所述窄脉冲的个数0

进一步地，所述窄脉冲的总脉冲宽度w＝cτ，且cτ

进一步地，所述T＝2R3C ln(1+2R1/R2)，f＝1/T。

本发明还包括非对称正反矩形波的脉冲工艺，具体步骤如下：

设计脉冲电路，包括充电电源和多级脉冲单元电路，每级所述脉冲单元电路包括充电二极管、储能电容器、前沿触发功率MOSFET管和后沿截止功率 MOSFET管；每级所述脉冲单元电路中，储能电容器的高压端通过充电二极管连接充电电源的正极，前沿触发功率MOSFET管的一端连接本级储能电容器的高压端，另一端连接后一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端，后沿截止功率MOSFET管的一端连接后一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端，另一端连接本级储能电容器的低压端；第一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端接地，最后一级所述脉冲单元电路的前沿触发功率 MOSFET管的另一端连接负载的正极，最后一级所述脉冲单元电路的后沿截止功率MOSFET管的一端也连接负载的正极。

进一步地，每级所述脉冲单元电路还包括并联于充电二极管两端的充电动态均压电阻，每级所述脉冲单元电路还包括并联于后沿截止功率MOSFET管两端的放电动态均压电阻。

进一步地，所述脉冲电路还包括输入电阻，该输入电阻串联于充电电源正极和各级所述脉冲单元电路的充电二极管之间，所述脉冲电路还包括输出电阻，该输入电阻串联于最后一级所述脉冲单元电路的前沿触发功率MOSFET 管和负载的正极之间，由各级储能电容器和各级前沿触发功率MOSFET管串连构成的高压生成单根线路，与由各级后沿截止功率MOSFET管串连构成的输出端单根线路紧密平行走线。

进一步地，所述充电电源是直流稳压源，充电电源的额定电压小于储能电容器的额定电压，所述负载为容性负载，所述控制电路包括依次信号连接的主控机、逻辑控制器、光耦隔离器、多个与多级所述前沿触发功率MOSFET管一一对应的前沿触发功率MOSFET管驱动电路和多个与多级所述后沿截止功率MOSFET管一一对应的后沿截止功率MOSFET管驱动电路，所述主控机与逻辑控制器通过光纤连接。

本发明实施例具有如下优点：

1、本发明通过提供接近于周期波的非对称信息源，与现有技术相比，当用于正弦调制时，得到的调制结果已经完全接近正弦信号，因而其频谱能量高度集中，占用带宽更窄，若以有限带外衰减带宽或99％功率带宽计算，则频带利用率极高，提供的信息源或调制信号便于集成电路的制作，适应面宽，只要改变c，τ，Ts即可控制信号频谱特性和传输码率，在同样的发射功率下得到不同的传输性能，以适应不同的信道环境，可以保证放电截止时电源端直接接地，加速负载电压下降过程，且保证负载上无电压振荡，使脉冲下降沿时间更短，确保非对称正反矩形波脉冲特性；

2、本发明通过电路全部采用固体器件，与现有技术相比，可以调整输出电压脉宽和频率，单个器件失败时不影响电路工作的安全性，整个系统稳定性强、体积小、寿命长，为高电压、快上升及快下降脉冲电路提供了全新的设计方案，通过光耦隔离，触发信号稳定可靠，输出高压对控制芯片的干扰较小，所有半导体开关器件同时动作，提高触发的可靠性和精准度，输出电压可以高达十几千伏，一般根据负载需求在几千伏到十几千伏范围内电压可调。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种非对称正反矩形波，用矩形脉冲go(t)表示二进制数字0，矩形脉冲go(t)包含c个脉冲宽度为τ的窄脉冲，其函数表达式为:

1.go(t)＝II(t)0≤t

2.go(t)＝-II(t)dτ≤t<(c+d)τ

3.go(t)＝II(t)(c+d)τ≤t≤Ts，

用矩形脉冲g1(t)表示二进制数字1，其函数表达式为:

g1(t)＝Asym(go(t))＝II(t)0≤t≤Ts，

其中II(t)代表矩形波，Asym表示非对称运算，Ts为位周期，d为窄脉冲起始点，其中c取值满足条件为0

为便于描述，定义窄脉冲τ，宽度为τ秒；位周期T:固定为N个窄脉冲τ，即Ts＝Nτ，Ts，τ分别为位周期与窄脉冲周期。不失一般性，假定τ可以任意小，总可以满足C，d取整数的要求。因此，为便于说明，我们以c，d取整数为例。

以二进制基带编码为例，对于二进制调制的数字“0”和“1”，cτ可以无限的小，从而使得编码波形无限接近于周期波，比如若c＝1，τ取非常小的值。在此情况下，若加入正弦载波调制，则已调波无限接近于正弦波，从而达到调制信号能量高度集中，形成特定的频域特性与频谱掩模。

周期信号在频域表现为线谱，若以此周期信号对对正弦载波进行调制，则调制结果为正弦周期波，对于一个连续的正弦载波f(t)＝Asin2πfct，若其中只有少数个周期.的正弦波发生调制或“扰动”，则其频谱能量仍高度集中在载频f。所对应的谱线上，两旁也会出现相对应的边带，即由于调制而出现的能量扩展。这个‘只有少数个周期正弦波发生调制’可以通过表达式(1)中的c τ来控制。进一步的，为减少边带的扩展还可以在针对正弦载波调制的情况下加入相位控制，以控制cτ时间段内正弦载波的相位，当其相位从180°-0°变化时，在cτ选定的情况下，边带可以得到进一步的控制。有效的实现已调信号的能量分布，以适应特定的窄带信道频谱特性要求。显然，当相位角为0°时，为极限情况，整个载波是一个纯粹的正弦波，在频域就是一根谱线，能量高度集中，理论上带宽为零，当然也无法传递任何有用的信息。设初态 uc＝u_＝0，uo＝+Uz，则u+＝+UT，uo通过R3向C充电，则Uc增大，当uc＝+UT 时，uo＝-Uz，则u+＝-UT，uo通过R3向C反向充电(放电)，则uc减小，当uc＝-UT 时，uo＝+Uz，则u+＝+UT，uo通过R3向C充电，因为电容C的正、反向充电时间相等，所以其占空比为50％，即输出方波信号。

uc(0)＝-UT，uc(∞)＝+Uz，τ＝R3C，

则:uc(t)＝go(t)＝[uc(∞)-u(0)](1-e(-t/τ))

+uc(0)＝g1(t)＝(Uz+UT)(1-e(-t/R3C))-UT

uc(T/2)＝UT

+-UT＝+-R1*Uz/(R1+R2)。

窄脉冲的个数0

窄脉冲的总脉冲宽度w＝cτ，且cτ

T＝2R3Cln(1+2R1/R2)，f＝1/T。

若取N＝10，τ＝10-6s，即窄脉冲的频率为1MHz，则符号速率为v＝1/10x106 符号/s。在等概的条件下，整个调制信号只有1/10x50％＝5％的窄脉冲被调制(反相)，其余95％的窄脉冲构成周期波。由此可以看出，整个调制信号的调制结果已经十分接近正弦信号，其频谱能量高度集中，占用带宽更窄。

本发明还包括非对称正反矩形波的脉冲工艺，具体步骤如下：

设计脉冲电路，包括充电电源和多级脉冲单元电路，每级所述脉冲单元电路包括充电二极管、储能电容器、前沿触发功率MOSFET管和后沿截止功率 MOSFET管；每级所述脉冲单元电路中，储能电容器的高压端通过充电二极管连接充电电源的正极，每级所述脉冲单元电路还包括并联于充电二极管两端的充电动态均压电阻，每级所述脉冲单元电路还包括并联于后沿截止功率 MOSFET管两端的放电动态均压电阻，前沿触发功率MOSFET管的一端连接本级储能电容器的高压端，另一端连接后一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端，后沿截止功率MOSFET管的一端连接后一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端，另一端连接本级储能电容器的低压端；第一级所述脉冲单元电路的储能电容器的低压端接地，最后一级所述脉冲单元电路的前沿触发功率MOSFET管的另一端连接负载的正极，最后一级所述脉冲单元电路的后沿截止功率MOSFET管的一端也连接负载的正极，脉冲电路还包括输入电阻，该输入电阻串联于充电电源正极和各级所述脉冲单元电路的充电二极管之间，所述脉冲电路还包括输出电阻，该输入电阻串联于最后一级所述脉冲单元电路的前沿触发功率MOSFET管和负载的正极之间，由各级储能电容器和各级前沿触发功率MOSFET管串连构成的高压生成单根线路，与由各级后沿截止功率MOSFET管串连构成的输出端单根线路紧密平行走线，充电电源是直流稳压源，充电电源的额定电压小于储能电容器的额定电压，所述负载为容性负载，所述控制电路包括依次信号连接的主控机、逻辑控制器、光耦隔离器、多个与多级所述前沿触发功率MOSFET管一一对应的前沿触发功率MOSFET管驱动电路和多个与多级所述后沿截止功率MOSFET管一一对应的后沿截止功率 MOSFET管驱动电路，所述主控机与逻辑控制器通过光纤连接。

实施例能通过提供接近于周期波的非对称信息源，当用于正弦调制时，得到的调制结果已经完全接近正弦信号，因而其频谱能量高度集中，占用带宽更窄，若以有限带外衰减带宽或99％功率带宽计算，则频带利用率极高，提供的信息源或调制信号便于集成电路的制作，适应面宽，只要改变c，τ，Ts即可控制信号频谱特性和传输码率，在同样的发射功率下得到不同的传输性能，以适应不同的信道环境，可以保证放电截止时电源端直接接地，加速负载电压下降过程，且保证负载上无电压振荡，使脉冲下降沿时间更短，确保非对称正反矩形波脉冲特性，电路全部采用固体器件，可以调整输出电压脉宽和频率，单个器件失败时不影响电路工作的安全性，整个系统稳定性强、体积小、寿命长，为高电压、快上升及快下降脉冲电路提供了全新的设计方案，通过光耦隔离，触发信号稳定可靠，输出高压对控制芯片的干扰较小，所有半导体开关器件同时动作，提高触发的可靠性和精准度，输出电压可以根据负载需求调整。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。