CN105207650A - 一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，其特征在于，包括电源系统、开关组、控制电路和Blumlein微带传输线。该装置通过对Blumlein型传输线充电，通过开关引入电压波，产生波的折反射在负载两端形成电压差从而形成输出脉冲电压。该装置利用4层PCB微带传输线代替传统的同轴传输线。同时利用多个PCB微带传输线板空间层叠结构的优势，从而可以实现较小面积下的可层叠微带传输线设计，研制了具有紧凑型、便携式、轻量化的高压纳秒脉冲发生器并用于生物医学实验。

Description

一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器

技术领域

本发明涉及生物电磁技术领域，具体设计一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器。

背景技术

脉冲电场因其能够靶向肿瘤组织并杀灭肿瘤细胞却不影响正常组织及细胞而逐渐成为生物电磁领域的研究热点。研究证明，脉冲电场根据场强与脉宽的不同组合能够对细胞及组织产生不同的效应。特别的，当脉冲宽度降低至ns级，电场强度提高到MV/cm时，此时的脉冲电场能够对细胞核等细胞内部产生一系列功能性的改变，从而诱导细胞发生程序性死亡。因此，需要研制能够产生不同参数纳秒脉冲电场的高压纳秒脉冲发生器并研究纳秒电场对细胞的影响。

传输线不同于Marx发生器，因其既是能量存储单元又是方波形成单元，同时具有结构相对简单，易于实现纳秒脉冲的特点而成为常用纳秒脉冲发生器之一。通常情况下同轴线的传输时延为5ns/m，因此，为在Blumlein传输线的匹配负载两端获取100ns方波脉冲输出则至少需要采用2根长度为10m的同轴线组成Blumlein传输线系统。这种情况决定了传统Blumlein传输线系统的方波输出脉宽主要由同轴线物理长度决定，为获取不同脉宽的方波脉冲则需要配置多套不同长度的同轴线，因此系统特别庞大，此外，采用双开关的协同作用来改变脉冲宽度对系统的触发信号提出了更高的要求，加大了设计难度，同时也增加了损耗。

发明内容

本发明的目的之一是为克服上述困难，提供一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，该装置通过对Blumlein型传输线充电，通过开关引入电压波，产生波的折反射在负载两端形成电压差从而形成输出脉冲电压。该装置利用4层PCB微带传输线代替传统的同轴传输线并且设为空间层叠结构从而可以实现较小面积下的可层叠微带传输线设计，研制了具有紧凑型、便携式、轻量化的高压纳秒脉冲发生器并用于生物医学实验。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，实质上是一种利用通信行业中常用的微带传输线，也就是传输线的平面形式形成波的折反射从而在匹配的负载上面产生脉冲电场，同时为了形成一个方波，需要根据实际负载对相应的传输线微带阻抗进行设计。

一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，其特征在于，包括电源系统、开关组、控制电路和Blumlein微带传输线。

所述电源系统，包括高压直流电源和充电电阻。

所述开关组，包括+15VDC/DC隔离模块、+15VDC/+5VDC转换模块、光纤接收器、驱动芯片和MOSFETs串并联开关组(205)。

所述控制电路，包括信号发生器、光纤驱动器、光纤发射器和光纤。

所述高压直流电源的正极通过导线与充电电阻的一端连接，充电电阻的另一端包括两条并联支路，一条支路与层叠Blumlein微带传输线的第一微带传输线铜带的首端连接，负载串联在第一微带传输线铜带的末端与第二微带传输线铜带的末端之间，第二微带传输线铜带的首端悬空，微带传输线的地极与高压直流电源地极连接。另一条支路通过导线与开关组的MOSFETs串并联开关组的漏极D连接，MOSFETs串并联开关组的地极S连接到高压直流电源的地极。

所述信号发生器的信号输出端与光纤驱动器的输入端连接，信号发生器加工产生的脉冲控制信号传输给光纤驱动器。光纤驱动器的输出端与光纤发射器的输入端连接，传输光纤发射器根据光纤驱动器输出的驱动信号进行电/光转换。光纤发射器的输出端与光纤接收器的输入端通过光纤连接，实现光信号的传输。光纤输入端接入光纤发射器的信号输出端，光纤的多条输出则可以对多个MOSFET开关同时控制，从而提高同步性。

所述驱动芯片的电源端通过导线与隔离模块的输出端连接，隔离模块的电源输入端与15V电压线连接，隔离模块为驱动芯片供电。驱动芯片的输出端与所述MOSFETs串并联开关组的栅极G连接，驱动芯片给MOSFETs串并联开关组提供高达30A的电流驱动。驱动芯片的信号输入端与光纤接收器的信号输出端连接，驱动芯片接收来自光纤接收器的电信号。所述光纤接收器的电源输入端通过导线与转换模块的输出端连接，转换模块的电源端与15V电源线连接，转换模块将15V电压转换为5V电压给光纤接收器供电。

MOSFETs串并联开关组则主要用来将串联层叠Blumlein微带传输线的铜带接地，也就是形成波过程，因此MOSFETs串并联开关组的漏极同样需要接在充电电阻之后，与Blumlein微带传输线PCB板的输入端口同时相连，形成两条并联支路。同时高压直流电源、Blumlein微带传输线和MOSFETs串并联开关组接地需要连在一起。

所述Blumlein微带传输线(4)为多块PCB微带传输线板串联层叠形成，每块PCB微带传输线板为表面微带线，结构包括顶层布线层、底层布线层以及中间两层接地层，顶层布线层以及底层布线层的布线方式均采用导体带状蜿蜒设计，导体介质为铜，层与层之间通过绝缘介质隔离。所述Blumlein微带传输线包括第一微带传输线(401)和第二微带传输线(402)，各自包含顶层布线层、底层布线层以及中间两层接地层，分别对称布置在PCB微带传输线板的左、右半平面，中间通过绝缘介质FR-4将第一微带传输线(401)和第二微带传输线(402)隔开。顶层布线层的左右两个铜带末端与底层布线层的左右两个铜带末端在对应位置均有过孔，中间两层接地层也通过PCB四周的过孔连接，不需要铜柱，过孔直接起电气连接作用。顶层布线层的铜带首端为接线口，底层布线层的铜带首端为负载接线处。

铜柱将所有PCB微带传输线板的铜带、接地串联，绝缘柱则根据需要用在必要的位置起固定作用。

所述MOSFETs串并联开关组包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中第一开关和第三开关的地极均接地，第一开关的漏极与第二开关的地极连接形成A节点，第三开关的漏极与第四开关的地极连接形成B节点，A节点与B节点利用导线串联连接。第二开关的漏极与第四开关的漏极并联，形成MOSFETs串并联开关组的漏极D。四个开关的栅极G利用导线串联，形成MOSFETs串并联开关组的栅极G。

进一步的，所述高压电源模块将220V交流电转换为最高电压10kV的直流电压，最大直流电流为240mA。

进一步的，所述Blumlein微带传输线是一种自行设计的脉冲形成单元，每块PCD板采用两层铜带两层接地的4层结构，同时铜带采用蜿蜒设计，因此能够在一块PCB板的正反面布置尽可能长的铜带，同时在每块PCB板四周开孔，利用铜柱不仅能够将每块PCB板接地连在一起，同时还能起支撑作用，最终实现PCB板的串联层叠，达到改变传输线总长度的目的，从而改变脉冲宽度。对于不需要电气连接的部位则可以用绝缘柱进行支撑。

本发明采用以上技术方案后，主要具有如下的有益效果：

1、本发明中利用MOSFETs开关组能够实现快速的脉冲上升沿，因此能够较为容易地产生50ns脉宽的电压波，同时工作频率相对于火花开关也大大提高，根据直流电源功率的大小能够计算出不同的工作频率，容易达到上千赫兹。

2、本发明中利用Blumlein微带传输线代替传统的同轴传输线，能够在很小的空间内形成较长的脉宽，整个装置体积小，重量轻，携带方面，易于拆卸，同时Blumlein微带传输线能够根据实际负载进行特别的阻抗设计，而传统的同轴传输线只能在某几个固定值之间选择，因此应用范围大大提高。

3、本发明中对Blumlein微带传输线PCB板进行特殊设计，利用微带传输线的PCB板可层叠构结构的优势，在较小空间内达到了快速方便地改变输出脉宽的目的。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为本发明的开关组工作原理图；

图4为本发明的开关组串并联原理图；

图5为本发明的控制信号原理图；

图6为实例1的Blumlein微带传输线的正面图；

图7为实例1的Blumlein微带传输线的背面图；

图8为实例1的Blumlein微带传输线的侧视图；

图9为实例1的Blumlein微带传输线PCB板层叠示意图；

图中：1为电源系统，2为开关组，3为控制电路，4为Blumlein微带传输线，101为高压直流电源，102为充电电阻，201为隔离模块，202为转换模块，203为光纤接收器，204为驱动芯片，205为MOSFETs串并联开关组，205-1为第一开关，205-2为第二开关，205-3为第三开关，205-4为第四开关，401为Blumlein微带传输线第一微带传输线，402为Blumlein第二微带传输线，5为模拟负载。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

如图1～9所示，一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，主要包括电源系统1、开关组2、开关控制信号3、Blumlein微带传输线4、负载电阻5。

所述的电源系统，包括高压直流电源101、充电电阻102。所述的高压直流电源101为市购模块，其输出的最高电压幅值10kV、最大电流幅值240mA直流电。所述充电电阻102为市购元件，其阻值为50kΩ，额定功率为100W，用于限制高压电源模101的充电电流幅值。所述高压电源模块101的正极通过导线与充电电阻102的一端连接，充电电阻102的另一端有两条支路并联，一条支路与层叠Blumlein微带传输线4的第一微带传输线401铜带首端连接，铜带末端连接负载5一端。此处负载必须是特定的阻值的电阻或者是生物组织，本发明中以20欧姆为例，需要根据实际应用中不同情况而选择。负载5另一端连接到第二微带传输线402铜带末端，而第二微带传输线402铜带首端悬空，微带传输线4的地极与高压直流电源101地极连接形成第一条支路回路。另一条支路通过导线与开关组2的MOSFETs串联开关组205的漏极D连接，通过开关组205的地极S连接到高压直流电源101地极而形成回路。

所述开关组2包括+15VDC/DC隔离模块201、+15VDC/+5VDC转换模块202、光纤接收器203、驱动芯片204和MOSFETs串并联开关组205。所述隔离模块201的输入端与15V电源线连接，输出端与驱动芯片204的电源端连接，隔离模块201将电路板与供电电源隔离并为驱动芯片供电。所述+15VDC/+5VDC转换模块202输入端与15V电源线连接，输出端与光纤接收器203的电源端连接，将15V电压转换为5V电压给光纤接收器203供电。所述光纤接收器203的输出端与驱动芯片204的输入端连接，接收控制光信号并转换为电信号出入到驱动芯片204。所述驱动芯片204选用型号为IXYS公司的IXRFD630，驱动芯片204则给MOSFETs串并联开关组205提供高达30A的电流驱动，所述MOSFETs串并联开关组205选用IXYS公司生产的DE475-102N21A型。根据工作电压、电流等级的需要，MOSFETs串并联开关组205为4个开关采用串并联的方式连接构成，如图4所示。MOSFETs串并联开关组包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中第一开关和第三开关的地极S均接地，第一开关的漏极D与第二开关的地极S连接形成A节点，第三开关的漏极D与第四开关的地极S连接形成B节点，A节点与B节点利用导线串联连接。第二开关的漏极D与第四开关的漏极D并联，形成MOSFETs串并联开关组的漏极D。四个开关的栅极G利用导线串联，形成MOSFETs串并联开关组的栅极G。信号同时控制4个MOSFET开关。

所述控制电路包括信号发生器301、光纤驱动器302、光纤发射器303和光纤304。所述信号发生器301的信号输出端与光纤驱动器302的输入端连接，信号发生器301加工产生的脉冲控制信号传输给光纤驱动器302。光纤驱动器302的输出端与光纤发射器303的输入端连接，传输光纤发射器303根据光纤驱动器302输出的驱动信号进行电/光转换。光纤发射器303的输出端与光纤接收器203的输入端通过光纤304连接，实现光信号的传输。电路控制流程为：信号发生器301产生的TTL方波脉冲控制信号接入光纤驱动器302，控制光纤驱动器302输出驱动信号使光纤发射器303根据控制信号实现电/光转换，最终将控制电路的电信号转换为光信号传输至后续电路的光纤接收器203。所述信号发生器301选用的型号为Tektronix公司的AFG3000C光纤驱动器302选用的型号为DS75451，所述光纤发射器303选用的型号为HFBR1522。

所述Blumlein微带传输线4为4层PCB微带传输线，包括第一微带传输线401和第二微带传输线402设计为空间层叠的形式，第一块PCB板与第二块PCB板串联，通过层叠的数量来达到改变输出脉宽的目的。微带传输线的阻抗根据实际需要进行设计，这里将每条微带传输线的阻抗设为10Ω，单块Blumlein型传输线输出方波的脉宽τ选为50ns，介质基板厚度为0.33mm，覆铜厚度为1oz，即0.035mm。采用介电常数ε_r＝4.5的FR-4作为介质基板材料，利用下述公式，得到所需的参数见下表。

$\frac{w}{h}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{8e^A}{e^{2A}-2}& \frac{w}{h}\≤2\\ \frac{2}{\mathrm{\π}}\[B-1-ln(2B-1)+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2{\mathrm{\ϵ}}_r}C\]& \frac{w}{h}>2\end{array}\right.$

其中

$A=\frac{Z_0}{60}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}(0.23+\frac{0.11}{{\mathrm{\ϵ}}_r})$

$B=\frac{377\mathrm{\π}}{2Z_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$

$C=ln(B-1)+0.39-\frac{0.61}{{\mathrm{\ϵ}}_r}$

而微带传输线波的传播速度由等效介电常数ε_eff决定，导体带长度取决于波速v_p和传播时间τ

$v_p=\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}}$

$L=v_p\frac{\mathrm{\τ}}{2}=\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}}\frac{\mathrm{\τ}}{2}$

其中

${\mathrm{\ϵ}}_{eff}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}\frac{1}{\sqrt{1+12\frac{h}{w}}}$

其中c为真空下的光速(3*10⁸m/s)，ε_eff为微带传输线介质基板的有效介电常数；ε_r为介质基板相对介电常数；τ/2为电磁波通过单根微带传输线所需时间。得到具体参数如下表：

为在较小面积内布置3.7m长的导体带，设计了如图6、图7所示的微带传输线导体带轨迹，整块板大小为270*230mm，蜿蜒线为导体带(材质为裸铜)，左端第一条导体带正面首端为接线口，末端通过过孔与背面的导带末端连接，而背面导体带首端为负载接线处；导体带转向处均进行了圆弧过渡处理，避免直角过渡引起的电场畸变以及电磁波传播过程中的波损耗等。如图7所示，其中顶层布线层与第一层接地层构成第一层微带线，第二层接地层与底层铜带构成第二层微带线。

多层PCB电路结构截面如图8所示，设计时考虑了对称化结构，顶层和底层为导体铜带所在层，各自长度设计长度的一半，两层通过过孔串联。由于其铜厚尺寸：t₁＝2*0.035mm＝0.07mm，所以FR4介质层厚度为t₂＝0.4mm-2*0.035mm＝0.33mm，电路板厚度：所加工的微带传输线共有4层相当于2块0.4mm双层板且铜厚为1oz(即0.035mm)的PCB板压制而成，但是应当注意是两个接地铜板压合在一起，形成第2、3层。

为了在较小空间内实现串联层叠结构，如图9所示，第一块PCB板与第二块PCB板之间根据具体电路通过铜柱或者绝缘柱进行连接以达到串联的目的，通过改变总的串联微带传输线的长度以达到改变脉冲宽度的目的。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，其特征在于，包括电源系统(1)、开关组(2)、控制电路(3)和Blumlein微带传输线(4)；

所述电源系统(1)，包括高压直流电源(101)和充电电阻(102)；

所述开关组(2)包括+15VDC/DC隔离模块(201)、+15VDC/+5VDC转换模块(202)、光纤接收器(203)、驱动芯片(204)和MOSFETs串并联开关组(205)；

所述控制电路(3)包括信号发生器(301)、光纤驱动器(302)、光纤发射器(303)和光纤(304)；

所述Blumlein微带传输线(4)包括第一微带传输线(401)和第二微带传输线(402)；传输线的布线方式为关于对称轴对称布置，第一微带传输线(401)和第二微带传输线(402)内的铜带互相隔离，共同接地；

所述高压直流电源(101)的正极通过导线与充电电阻(102)的一端连接，充电电阻(102)的另一端包括两条并联支路，一条支路与层叠Blumlein微带传输线(4)的第一微带传输线(401)铜带的首端连接，负载(5)串联在第一微带传输线(401)铜带的末端与第二微带传输线(402)铜带的末端之间，第二微带传输线(402)铜带的首端悬空，微带传输线(4)的地极与高压直流电源(101)地极连接；另一条支路通过导线与开关组(2)的MOSFETs串并联开关组(205)的漏极D连接，MOSFETs串并联开关组(205)的地极S连接到高压直流电源(101)的地极；

所述信号发生器(301)的信号输出端与光纤驱动器(302)的输入端连接，信号发生器(301)加工产生的脉冲控制信号传输给光纤驱动器(302)；光纤驱动器(302)的输出端与光纤发射器(303)的输入端连接，传输光纤发射器(303)根据光纤驱动器(302)输出的驱动信号进行电/光转换；光纤发射器(303)的输出端与光纤接收器(203)的输入端通过光纤(304)连接，实现光信号的传输；

所述驱动芯片(204)的电源端通过导线与隔离模块(201)的输出端连接，隔离模块(201)的电源输入端与15V电压线连接，隔离模块(201)为驱动芯片(204)供电；驱动芯片(204)的输出端与所述MOSFETs串并联开关组(205)的栅极G连接，驱动芯片(204)为MOSFETs串并联开关组(205)提供电流驱动；驱动芯片(204)的信号输入端与光纤接收器(203)的信号输出端连接，驱动芯片(204)接收来自光纤接收器(203)的电信号；所述光纤接收器(203)的电源输入端通过导线与转换模块(202)的输出端连接，转换模块(202)的电源端与15V电源线连接，转换模块(202)将15V电压转换为5V电压给光纤接收器(203)供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，其特征在于:

所述高压电源模块(101)将220V交流电转换为最高电压10kV的直流电，最大直流电流为240mA。

3.根据权利要求1所述的一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，其特征在于:

所述Blumlein微带传输线(4)为多块PCB微带传输线板串联层叠形成，每块PCB微带传输线板为表面微带线，PCB板结构包括顶层布线层、底层布线层以及中间两层接地层，顶层布线层以及底层布线层的布线方式均采用导体带状蜿蜒设计，导体介质为铜，层与层之间通过绝缘介质隔离；所述Blumlein微带传输线包括第一微带传输线(401)和第二微带传输线(402)，分别对称布置在PCB微带传输线板的左、右半平面，中间通过绝缘介质FR-4将第一微带传输线(401)和第二微带传输线(402)隔开；顶层布线层的左右两个铜带末端与底层布线层的左右两个铜带末端在对应位置均有过孔，中间两层接地层也通过PCB四周的过孔连接；顶层布线层的铜带首端为接线口，底层布线层的铜带首端为负载接线处；铜柱将所有PCB微带传输线板的铜带、接地串联，绝缘柱则根据需要用在特定的位置起固定作用。

4.根据权利要求1所述的一种基于串联层叠Blumlein微带传输线高压纳秒发生器，其特征在于:

所述MOSFETs串并联开关组(205)包括第一开关(205-1)、第二开关(205-2)、第三开关(205-3)和第四开关(205-4)；第一开关(205-1)和第三开关(205-3)的地极均接地，第一开关(205-1)的漏极与第二开关(205-2)的地极连接形成A节点，第三开关(205-3)的漏极与第四开关(205-4)的地极连接形成B节点，A节点与B节点利用导线串联连接；第二开关(205-2)的漏极与第四开关(205-4)的漏极并联，形成MOSFETs串并联开关组的漏极D；四个开关的栅极G利用导线串联，形成MOSFETs串并联开关组的栅极G。