一種高功率超寬譜高速開關(guān)的新器件DSRD高功率超寬譜脈沖源及其功率合成初探

一種高功率超寬譜高速開關(guān)的新器件DSRD高功率超寬譜脈沖源及其功率合成初探

1不同發(fā)展階段的動(dòng)態(tài)測試方法近年來，超級(jí)寬譜高通量微波（uw-hpm）由于其寬譜干擾和影響檢測的可能性，引起了人們的關(guān)注。脈沖功能源技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。就目前功率開關(guān)特點(diǎn)來講,氣體開關(guān)、閘流管、磁開關(guān)的功率容量很大,但難以滿足高重頻、高穩(wěn)定性的要求;SOS(SemiconductorOpeningSwitch)開關(guān)雖然功率容量較大、工作重頻較高,但開關(guān)速度相對(duì)較慢,難以滿足UWS-HPM對(duì)快前沿的需求;階躍快恢復(fù)二極管、雪崩三極管具有開關(guān)前沿陡,工作重頻高的特點(diǎn),但由于器件的工藝限制,高功率應(yīng)用受限。20世紀(jì)90年代,以IoffeInstituteofRussia、俄羅斯FID公司為首的研究機(jī)構(gòu)開始致力于基于一種新的特殊材料與結(jié)構(gòu)的全固態(tài)、高速、小型、高功率先進(jìn)半導(dǎo)體開關(guān)的研究,發(fā)現(xiàn)了可收縮擴(kuò)展的PN結(jié)超快速載流子區(qū)及用作產(chǎn)生高電壓的超快速恢復(fù)的重要物理現(xiàn)象,漂移階躍恢復(fù)二極管(DSRD)就是其重要的研究成果。DSRD是一種高速斷路開關(guān)(openingswitch),能在0.1ns到3.0ns之內(nèi)切斷電流,相應(yīng)地,脈沖峰值從0.2kV到3kV。已知典型的DSRD脈沖源的參數(shù):脈沖峰值2.7kV,前沿0.7ns,脈寬1.7ns,抖動(dòng)小于10ps,重頻達(dá)300/600kHz(氣冷/油冷)。另外,由于DSRD具有較好的穩(wěn)定性,因而功率可合成性較好,采用線路合成和空間合成方法進(jìn)行組陣,可實(shí)現(xiàn)N2的空間合成等效輻射功率(ERP)增益。綜上所述,DSRD是制作高功率UWS脈沖源的理想開關(guān)。2dsrd的迅速斷路典型DSRD結(jié)構(gòu)如圖1所示,它是一個(gè)p+nn+結(jié)構(gòu),其工作原理如下:工作初期,DSRD施加短時(shí)間(例如百納秒級(jí))的正向電流脈沖偏置。在偏置階段,DSRD經(jīng)過擴(kuò)散過程,p+n結(jié)附近出現(xiàn)一個(gè)很薄且密度很高(～1018cm-3)的等離子層;在基極的其它區(qū)域,快速的雙極漂移波制造了等離子體,密度比p+n結(jié)附近小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)偏置撤銷,外部電壓極性改變時(shí),p+n結(jié)附近形成空間電荷區(qū)(SCR),且SCR邊界開始向右移動(dòng),移動(dòng)速度受附近等離子體的影響,低于飽和速度(V<Vs)。同時(shí),在n+n邊界,有雙極漂移波形成,并向左快速傳播,其波前速度與等離子體濃度成反比。當(dāng)雙極漂移波到達(dá)等離子層邊界時(shí),等離子層耗盡。在這之后,不再有等離子體阻礙SCR邊界右移。邊界右移速度由多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)速度決定,經(jīng)過合理設(shè)計(jì),能使其達(dá)到飽和速度(V=Vs),從而實(shí)現(xiàn)DSRD的迅速斷路。另外,由于DSRD的PN結(jié)經(jīng)過特殊的摻雜設(shè)計(jì),其斷路時(shí)能夠承受較高的電壓,因而功率容量較大;同時(shí)由于DSRD的偏置以及恢復(fù)速度均較快,原則上只要在開關(guān)能夠承受的功耗內(nèi),它可以工作在很高的重頻狀態(tài)。3dsrd的關(guān)閉原理DSRD脈沖發(fā)生器最簡單有效的電路如圖2所示。電路工作原理如下:一開始,電容C1和C2按圖3所示的極性充電,開關(guān)S1和S2處在關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)S1閉合后,C1通過電感L1和DSRD放電。DSRD的阻抗很小,在C1、S1、L1和DSRD組成的回路里形成了電流振蕩。振蕩的半周期不超過數(shù)百納秒,而載流子壽命約有數(shù)十微秒甚至更長。因此,第一個(gè)半周期(τ+)內(nèi),抽運(yùn)的空穴電子對(duì)數(shù)量等于流過二極管的電荷量。在第二個(gè)半周期,電流改變方向,由于存在空穴電子對(duì),二極管仍保持導(dǎo)通狀態(tài)。如果當(dāng)I1降低至0值的時(shí)候,S2恰好導(dǎo)通,那么C2的放電電流I2與L1C1回路的電流I1一起反向流入DSRD。經(jīng)過τ-時(shí)間后,電流達(dá)到峰值,τ-期間的回抽的電荷量與τ+期間抽運(yùn)的電荷量相等,DSRD在1ns到2ns內(nèi)急劇關(guān)斷。此時(shí),起初儲(chǔ)存在電容中的能量聚集在電感中,電感電流達(dá)到峰值。DSRD關(guān)斷后,電流只能轉(zhuǎn)向負(fù)載Rl,形成高壓脈沖,脈沖的前沿即DSRD的關(guān)斷時(shí)間。脈沖半峰值全寬度:τfwhm=L/Rl(1)其中,L是L1、L2的并聯(lián)值。峰值負(fù)載電壓:Ulm=Rl*(Idsrd)(2)這個(gè)值比初始電容電壓大10倍以上。脈沖的總延遲等于LC電路周期的3/4,大概有數(shù)百納秒。延遲的穩(wěn)定性由LC電路決定。眾所周知,LC電路的穩(wěn)定性優(yōu)于10-4,因此脈沖抖動(dòng)小于100ps。當(dāng)C1和C2用同一電源供電時(shí),電源的穩(wěn)定性不影響DSRD切斷電流的瞬態(tài)過程,注入、抽取的電流之比與電壓無關(guān)。在這個(gè)電路中,場效應(yīng)管、三極管、閘流管、負(fù)阻晶體管還有DSRT都可以作為初級(jí)開關(guān)S1和S2。對(duì)稱并聯(lián)LC電路有如下優(yōu)點(diǎn):電壓增益達(dá)到10倍以上;兩個(gè)電流抽運(yùn)支路,單個(gè)開關(guān)的損耗要求降低;脈沖間隔時(shí)間由開關(guān)S1、S2的速度決定,可實(shí)現(xiàn)高重頻;可以將多個(gè)DSRD堆疊成一個(gè)整體,這樣,輸出電壓升高,電壓上升時(shí)間縮短;電路簡單緊湊;輸出短路的時(shí)候不會(huì)損壞裝置;輸出電壓可變范圍寬,與輸入電壓成正比;電路簡單,因此可靠、壽命長;高壓只出現(xiàn)在電路輸出端。如圖4所示,制造時(shí)可以將多個(gè)DSRD堆疊(串聯(lián))起來。對(duì)于每個(gè)管子來說,正向和反向電流是相同的。載流子壽命約比抽運(yùn)時(shí)間大幾個(gè)數(shù)量級(jí),脈沖形成前,注入的載流子損失很小。因此,堆疊中的所有二極管是同步的,它們能同時(shí)關(guān)斷電流。我們可以將堆疊的管子看作一個(gè)整體,一個(gè)高電壓高阻抗的DSRD。堆疊的DSRD器件更適合高功率超寬帶應(yīng)用。第一,堆疊技術(shù)有利于提高電路性能,實(shí)現(xiàn)超寬帶天線阻抗匹配;第二,更重要的是,堆疊技術(shù)顯著提高了脈沖源的峰值功率。實(shí)驗(yàn)證明,將100個(gè)p-n結(jié)堆疊起來,可在小于1ns的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷大于1000A的電流,產(chǎn)生峰值大于60kV的脈沖電壓。利用堆疊DSRD制成的脈沖源,脈沖峰值高達(dá)80kV(負(fù)載電阻100Ω),前沿0.9ns,脈寬2ns。其峰值功率:P=U2Rl=80kV2100Ω=64Ρ=U2Rl=80kV2100Ω=64MW(3)圖5給出了DSRD另一個(gè)典型電路——串聯(lián)LC電路。如圖5所示,一開始,開關(guān)S1和S2處在關(guān)斷狀態(tài),電容C1充電至初始電壓Uo。當(dāng)S1閉合后,C1為C2充電,電流在DSRD中正向流動(dòng),實(shí)現(xiàn)了抽運(yùn)過程。C1和C2容值相同,半個(gè)振蕩周期后,C2上的電壓達(dá)到Uo。此時(shí),S2閉合,DSRD反向?qū)?C2通過S2和L2和DSRD放電。L1=L2,C1=C2,因此C2放電回路的等效阻抗等于抽運(yùn)回路的一半,反向電流峰值是正向電流的兩倍。反向電流達(dá)到峰值時(shí),抽運(yùn)電荷剛好被耗盡,DSRD斷路,電流轉(zhuǎn)向負(fù)載Rl。如果S2是閘流管或者磁開關(guān)的話,S1閉合形成的脈沖電壓可用于閉合S2。與對(duì)稱并聯(lián)LC電路相比,串聯(lián)LC電路的缺點(diǎn)是:S1必須得傳輸所有的能量,S2必須能負(fù)荷所有的負(fù)載電流。4dsrd的信號(hào)特性對(duì)稱并聯(lián)LC電路得到了廣泛應(yīng)用。我們用PSpice軟件對(duì)它進(jìn)行了仿真。以下是電路的原理圖,場效應(yīng)管作為初級(jí)開關(guān)。C1=10nF,C2=20nF,L1=300nH,L2=150nH,電源電壓為150V。理論脈沖延遲時(shí)間:tdelay=2πLC???√*34≈258tdelay=2πLC*34≈258ns(4)圖7展示了仿真結(jié)果,分別是DSRD上的電流波形、輸出電壓波形和頻譜。由于為S1設(shè)置的閉合時(shí)刻是1μs,橫坐標(biāo)以其為起點(diǎn)。觀察電流波形,可以發(fā)現(xiàn)注入和抽取的電荷量基本相等。根據(jù)電壓波形可以讀出,脈沖峰值約3kV,前沿約1ns,半峰值全寬度約2ns,脈沖延時(shí)約280ns。信號(hào)頻帶很寬,類似鐘形單極性脈沖信號(hào)的頻譜,能量集中DC-1000MHz。從上面電路模擬可以看出,DSRD的輸出信號(hào)頻譜覆蓋很寬,但對(duì)于干擾或者探測應(yīng)用來講一般只應(yīng)用部分帶寬,下面分析以下這種信號(hào)經(jīng)過圖8所示的窄帶線性時(shí)不變系統(tǒng)的響應(yīng)情況。假設(shè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)是等效帶寬為B強(qiáng)度為σi的沖擊信號(hào),當(dāng)此信號(hào)通過圖8所示系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)的輸出為:Vo(t)=2∫∞0|H(f)|ej[2πft+?(f)]·df(5)Vo(t)=2σib×sin(πb(t?α))πb(t?α)×cos(2πfi(t?α))(6)Vo(t)=2σib×sin(πb(t-α))πb(t-α)×cos(2πfi(t-α))(6)由上面計(jì)算及圖9波形可知,系統(tǒng)的輸出電壓幅度與帶寬的大小成正比,功率與帶寬的平方成正比,因而用沖擊信號(hào)來作用窄帶系統(tǒng)一定要考慮帶寬損失,功率源必須是高功率,同樣為彌補(bǔ)能量損失,系統(tǒng)必須要求有較高重頻。由DSRD陣列構(gòu)成的HPM-UWS系統(tǒng)可以較好滿足此要求。5功率合成用DSRD所產(chǎn)生的單一脈沖源在探測和干擾應(yīng)用中,輸出功率有限,需考慮進(jìn)行功率合成?？刹捎镁€路合成和空間合成。5.1新型瞬態(tài)脈沖源通常的線路合成方式是采用合路器。簡單的合路器是兩路合并。多個(gè)DSRD脈沖源通過合路器的方式可將功率進(jìn)行放大,對(duì)瞬態(tài)脈沖,要求合路器需具備超寬帶的特性,同時(shí)還能夠承受較強(qiáng)的瞬態(tài)電場沖擊。線路上允許的最大合成源數(shù)量N為:N=ηV2ImaxV2O(peak)(7)Ν=ηVΙmax2VΟ(peak)2(7)式中,VImax是合路器材料特性和結(jié)構(gòu)所決定的最大耐壓,VO(peak)是單一脈沖源的瞬態(tài)脈沖峰值電壓,η為合成效率。多路DSRD脈沖源合成后的脈沖峰值電壓為:V=Nη???√VO(peak)(8)V=ΝηVΟ(peak)(8)5.2空間合成通過波束合成技術(shù),可將輻射后的電磁脈沖功率在空間進(jìn)一步提高?？臻g合成技術(shù)已經(jīng)成熟,并在多波束和相控陣中應(yīng)用。6gaas-dsrd的特性目前,以Si為材料的DSRD制造技術(shù)已相當(dāng)成熟,費(fèi)用低、可靠性高。利用新材料提高管子性能的研究仍在繼續(xù)。已知用于實(shí)驗(yàn)的材料有GaAs和SiC。