本發(fā)明涉及生物電磁技術領域,具體是一種固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器。

背景技術：

脈沖功率技術已經(jīng)被廣泛應用于醫(yī)學、軍事、材料、環(huán)境等多個方面，其中納秒脈沖電場治療腫瘤技術成為新的研究熱點。研究發(fā)現(xiàn)在微秒脈沖電場作用下，腫瘤細胞的細胞膜上會產(chǎn)生可逆或不可逆電穿孔，可配合藥物或者直接對腫瘤細胞進行殺傷。當脈寬減小至納秒級別、場強增加至mv/m時，脈沖電場產(chǎn)生的細胞生物學效應與微妙脈沖的穿孔效應截然不同，在納秒脈沖電場作用下，會在細胞器結構上對細胞產(chǎn)生影響而不在細胞膜上產(chǎn)生大的穿孔，能夠誘導腫瘤細胞的凋亡使得腫瘤組織縮小甚至消失，同時避免炎癥、潰瘍等副作用，對于腫瘤治療有重要意義。為了研究納秒脈沖對腫瘤細胞的作用機理，需要進行微觀單細胞實驗，進而需要一種能夠產(chǎn)生高頻納秒脈沖的脈沖電場發(fā)生器。

在多種納秒脈沖的產(chǎn)生方法中，blumlein傳輸線和傳輸線變壓器在高壓納秒脈沖的產(chǎn)生中獲得了廣泛的應用。其中blumlein傳輸線能夠方便的形成納秒量級脈寬的電脈沖，波形具有很高的保真度，可以作為初級脈沖的產(chǎn)生方式。同時相對于傳統(tǒng)的變壓器，傳輸線變壓器具有頻帶寬的特點，可以對輸入的納秒脈沖進行不失真放大。

但是，現(xiàn)有技術中，使用均為多級的傳輸線變壓器設計，輸入輸出阻抗變比很大，輸出阻抗大，不適用于小負載。并且使用同軸電纜設計傳輸線變壓器時，發(fā)生器體積大、重量大，不適合緊湊型發(fā)生器的趨勢。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決輸入輸出阻抗變比很大、輸出阻抗大，以及發(fā)生器不緊湊的問題。

為實現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術方案是這樣的，一種基于pcbblumlein傳輸線和pcb傳輸線變壓器的模塊化固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器：

如圖1所示，本發(fā)明公開的單級發(fā)生器包括：一個單級blumlein傳輸線和一個二級傳輸線變壓器，以及mos管開關電路s1、mos管開關電路s2、高壓直流電源和充電電阻r。

所述單級blumlein傳輸線由微帶傳輸線t1和微帶傳輸線t2組成。所述二級傳輸線變壓器由微帶傳輸線t1和微帶傳輸線t2組成。

所述微帶傳輸線t1的兩端分別記為a端和a端，其金屬線的兩端分別記為aj端和aj端，其接地板的兩端分別記為ab端和ab端。

所述微帶傳輸線t2的兩端分別記為b端和b端，其金屬線的兩端分別記為bj端和bj端，其接地板的兩端分別記為bb端和bb端。

所述微帶傳輸線t1的輸入端記為c端、輸出端記為c端，其金屬線的兩端分別記為cj端和cj端，其接地板的兩端分別記為cb端和cb端。

所述微帶傳輸線t2的輸入端記為d端、輸出端記為d端，其金屬線的兩端分別記為dj端和dj端，其接地板的兩端分別記為db端和db端。

c端和d端為二級傳輸線變壓器的輸入端。

所述高壓直流電源包括電極i和電極ii。

電極i串聯(lián)充電電阻r后，形成接入mos管開關電路s1的端子，這一個端子與aj端的通斷，是通過mos管開關電路s1來控制的。

電極ii連接微帶傳輸線t1和微帶傳輸線t2的接地板。

電極ii與aj端的通斷，是通過mos管開關電路s2來控制的。

aj端連接微帶傳輸線t1和微帶傳輸線t2的接地板。

bj端連接cj端和dj端。

cb端和dj端連接在一起。

cj端和db端之間接入負載zl。

blumlein傳輸線中每條傳輸線的特征阻抗為z0，電長度為τ1，傳輸線變壓器中每條傳輸線的阻抗為z1，電長度為τ2，負載阻抗為zl，當zl＝2z1＝8z0時，整個系統(tǒng)阻抗匹配，脈沖形成過程如下：

開關s1閉合、s2斷開，高壓直流電源通過充電電阻r對blumlein傳輸線進行充電至電源電壓u0。之后在t＝0時開關s1斷開、s2閉合，aj端被強迫接地，產(chǎn)生一個幅值為-u0的電壓波向遠離a端方向傳播，在t＝τ1時到二級傳輸線變壓器的輸入端，入射波在此處產(chǎn)生折反射，一個幅值為-u0/2的電壓波反射回t1傳輸線，同時一個幅值為-u0/2的電壓波入射至t2傳輸線，此時會在變壓器輸入端產(chǎn)生一個幅值為u0的電壓。在經(jīng)過幾次折反射后會在傳輸線變壓器的輸入端產(chǎn)生一個幅值為充電電壓u0、脈寬為2τ1的脈沖。

如圖2所示，本發(fā)明公開的n級發(fā)生器包括：n個單級blumlein傳輸線和n個二級傳輸線變壓器，以及mos管開關電路s1i、mos管開關電路s2i、高壓直流電源和充電電阻ri。n為大于或等于2的自然數(shù)。i＝1、2……n。

第i個單級blumlein傳輸線由微帶傳輸線t1i和微帶傳輸線t2i組成。第i個二級傳輸線變壓器由微帶傳輸線t1i和微帶傳輸線t2i組成。

所述微帶傳輸線t1i的兩端分別記為ai端和ai端，其金屬線的兩端分別記為aji端和aji端，其接地板的兩端分別記為abi端和abi端。

所述微帶傳輸線t2i的兩端分別記為bi端和bi端，其金屬線的兩端分別記為bji端和bji端，其接地板的兩端分別記為bbi端和bbi端。

所述微帶傳輸線t1i的輸入端記為ci端、輸出端記為ci端，其金屬線的兩端分別記為cji端和cji端，其接地板的兩端分別記為cbi端和cbi端。

所述微帶傳輸線t2i的輸入端記為di端、輸出端記為di端，其金屬線的兩端分別記為dji端和dji端，其接地板的兩端分別記為dbi端和dbi端。

ci端和di端為第i個二級傳輸線變壓器的輸入端。

所述高壓直流電源包括電極i和電極ii。

電極i并聯(lián)充電電阻ri后，形成接入mos管開關電路s1i的端子，該端子與aji端的通斷，是通過入mos管開關電路s1i來控制的。

電極ii連接微帶傳輸線t1i和微帶傳輸線t2i的接地板。

電極ii與aji端的通斷，是通過mos管開關電路s2i來控制的。

aji端連接微帶傳輸線t1i和微帶傳輸線t2i的接地板。

bji端連接cji端和dji端。

cbi端和dji端連接在一起。dbk端與cjk+1端連接，k＝1、2……n-1

cj1端和dbn端之間接入負載zl。

blumlein傳輸線中每條傳輸線的特征阻抗為z0，電長度為τ1，傳輸線變壓器中每條傳輸線的阻抗為z1，電長度為τ2，負載阻抗為zl，當zl＝2nz1＝8nz0時，整個系統(tǒng)阻抗匹配，脈沖形成過程如下：

開關s1i閉合、s2i斷開，高壓直流電源通過充電電阻ri對blumlein傳輸線進行充電至電壓u0。之后在t＝0時開關s1i斷開、s2i閉合，aji端被強迫接地，產(chǎn)生一個幅值為-u0的電壓波向遠離ai端方向傳播，在t＝τ1時到第i個二級傳輸線變壓器的輸入端，入射波在此處產(chǎn)生折反射，一個幅值為-u0/2的電壓波反射回t1i傳輸線，同時一個幅值為-u0/2的電壓波入射至t2i傳輸線，此時會在變壓器輸入端產(chǎn)生一個幅值為u0的電壓。在經(jīng)過幾次折反射后會在傳輸線變壓器的輸入端產(chǎn)生一個幅值為2nu0、脈寬為2τ1的脈沖。

值得說明的是，現(xiàn)有的傳輸線一般有兩種實現(xiàn)方式，即同軸電纜和微帶線。但是因為同軸電纜只有幾個特定的阻抗值，所以無法與特定負載進行阻抗匹配。同時若使用同軸電纜，當脈寬較寬時所需同軸電纜尺寸較大，會使得發(fā)生器體積增大，不符合發(fā)生器緊湊化的趨勢。使用微帶線作傳輸線的方式可以解決上述問題，通過改變微帶線的寬度、介質、高度可以方便的改變傳輸線的特征阻抗，達到與負載阻抗匹配的目的。同時可以使用多層pcb板及蛇形走線的方式增加傳輸線的長度，使得發(fā)生器結構緊湊，體積大大減小。

本發(fā)明中，所公開的拓撲結構使用blumlein傳輸線結合傳輸線變壓器進行模塊化設計，在每個模塊中使用blumlein產(chǎn)生初級脈沖，之后使用一個二級的傳輸線變壓器對初級脈沖進行放大輸出，多個模塊之間可以進行級聯(lián)輸出，提高輸出功率，減小輸入輸出阻抗變比。同時，使用這種組合設計可以保證阻抗不匹配時主脈沖波形不變。使用微帶線設計所用到的傳輸線，減小了發(fā)生器尺寸，實現(xiàn)緊湊型設計。同時使用mos管作為開關，實現(xiàn)脈寬、頻率可調。本次設計中提出的拓撲結構產(chǎn)生的高壓、高頻納秒脈沖將有利于納秒脈沖治療腫瘤技術的研究。

附圖說明

圖1為單級發(fā)生器理原理圖。

圖2為n級發(fā)生器理原理圖。

圖3為單級發(fā)生器理想輸出波形。

圖4為n級發(fā)生器理想輸出波形。

圖5為微帶線結構示意圖圖。

圖6為pcb型微帶傳輸線俯視圖。

圖7為固態(tài)開關控制信號流程圖。

圖8為開關控制時序圖。

圖9為發(fā)生器測試平臺。

圖10為不同充電電壓下負載波形。

圖11為充電電壓為1000v時負載波形。

圖12為充電電壓為1000v時負載波形。

圖13為充電電壓為1000v時不同級數(shù)下負載波形。

圖14為充電電壓為1000v時不同負載下輸出波形。

圖15為二級傳輸線變壓器中的次級線。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應該理解為本發(fā)明上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術思想的情況下，根據(jù)本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發(fā)明的保護范圍內。

實施例1：

一種基于pcbblumlein傳輸線和pcb傳輸線變壓器的模塊化固態(tài)納秒脈沖發(fā)生器：

如圖1所示，本發(fā)明公開的單級發(fā)生器包括：一個單級blumlein傳輸線和一個二級傳輸線變壓器，以及mos管開關電路s1、mos管開關電路s2、高壓直流電源和充電電阻r。

所述單級blumlein傳輸線由微帶傳輸線t1和微帶傳輸線t2組成。所述二級傳輸線變壓器由微帶傳輸線t1和微帶傳輸線t2組成。

所述微帶傳輸線t1的兩端分別記為a端和a端，其金屬線的兩端分別記為aj端和aj端，其接地板的兩端分別記為ab端和ab端。

所述微帶傳輸線t2的兩端分別記為b端和b端，其金屬線的兩端分別記為bj端和bj端，其接地板的兩端分別記為bb端和bb端。

所述微帶傳輸線t1的輸入端記為c端、輸出端記為c端，其金屬線的兩端分別記為cj端和cj端，其接地板的兩端分別記為cb端和cb端。

所述微帶傳輸線t2的輸入端記為d端、輸出端記為d端，其金屬線的兩端分別記為dj端和dj端，其接地板的兩端分別記為db端和db端。

c端和d端為二級傳輸線變壓器的輸入端。

所述高壓直流電源包括電極i和電極ii。

電極i串聯(lián)充電電阻r后，形成接入mos管開關電路s1的端子，這一個端子與aj端的通斷，是通過mos管開關電路s1來控制的。

電極ii連接微帶傳輸線t1和微帶傳輸線t2的接地板。

電極ii與aj端的通斷，是通過mos管開關電路s2來控制的。

aj端連接微帶傳輸線t1和微帶傳輸線t2的接地板。

bj端連接cj端和dj端。

cb端和dj端連接在一起。

cj端和db端之間接入負載zl。

blumlein傳輸線中每條傳輸線的特征阻抗為z0，電長度為τ1，傳輸線變壓器中每條傳輸線的阻抗為z1，電長度為τ2，負載阻抗為zl，當zl＝2z1＝8z0時，整個系統(tǒng)阻抗匹配，脈沖形成過程如下：

開關s1閉合、s2斷開，高壓直流電源通過充電電阻r對blumlein傳輸線進行充電至電源電壓u0。之后在t＝0時開關s1斷開、s2閉合，aj端被強迫接地，產(chǎn)生一個幅值為-u0的電壓波向遠離a端方向傳播，在t＝τ1時到二級傳輸線變壓器的輸入端，入射波在此處產(chǎn)生折反射，一個幅值為-u0/2的電壓波反射回t1傳輸線，同時一個幅值為-u0/2的電壓波入射至t2傳輸線，此時會在變壓器輸入端產(chǎn)生一個幅值為u0的電壓。在經(jīng)過幾次折反射后會在傳輸線變壓器的輸入端產(chǎn)生一個幅值為充電電壓u0、脈寬為2τ1的脈沖。

由于傳輸線變壓器輸入端并聯(lián)，在前面產(chǎn)生的電壓波會分別沿著兩條傳輸線向負載方向傳播。電壓波在經(jīng)過τ2時間后到達負載端，在負載端存在電壓波的折反射，折反射系數(shù)分別為：

其中α1為反射系數(shù)，β1為折射系數(shù)。因此當一個幅值為u0的電壓波在傳輸線變壓器端輸入時，負載上的電壓幅值為4zlu0/(2z1+zl)，因為阻抗匹配，所以負載上的電壓為2u0。同時，當電壓波到達負載端時，每條傳輸線中有一個幅值為(zl-2z1)u0/(2z1+zl)的電壓波向著遠離負載的方向傳播，因為阻抗匹配所以這個電壓波幅值為0，即電路中不再有電壓波的折反射。最終在負載上形成一個幅值為2u0、脈寬為2τ1的脈沖。單級發(fā)生器的理想輸出波形如圖3所示。

值得說明的是，本發(fā)明(包括實施例1和2)的傳輸線全部使用微帶線的形式實現(xiàn)。如圖5所示是一個微帶線的基本結構，其中主要包含導帶、介質基板和接地板三個部分。微帶線具有兩個重要的參數(shù)，分別是特性阻抗z和電長度τ。通過改變導帶寬度、介質基片類型可以方便的改變微帶線的特性阻抗。

在準靜態(tài)tem傳輸模式下，微帶線特性阻抗z的近似求解公式(在0.05<w/h<20,εγ＜16范圍內，精度優(yōu)于1％)：

其中，w是微帶線導帶的寬度，h是介質基板的高度，εeff為等效介電常數(shù)。等效介電常數(shù)εeff的計算公式為：

式中，εr為介質基板相對介電常數(shù)。

公式(3)(4)給出了在已知微帶傳輸線的物理尺寸情況下，求解微帶線特性阻抗z的方法。但在設計過程中，一般需要先確定微帶線的特性阻抗z，進而確定微帶線的尺寸。在已知微帶線阻抗z的情況下，微帶線的物理尺寸的計算公式如下：

其中：

微帶傳輸線相速度計算公式為：

微帶傳輸線導帶長度l計算公式：

式中，c為光速(3×10⁸m/s)。l為微帶傳輸線導體帶長度，m。

在本次設計中，選取fr4作為介質基板材料，其相對介電常數(shù)為4.4，介質基板的厚度為1.6mm。發(fā)生器中blumlein傳輸線中的每條傳輸線特性阻抗為25ω，傳輸線變壓器中每條傳輸線的特性阻抗為100ω，這樣可以實現(xiàn)傳輸線間的阻抗匹配。設計發(fā)生器的輸出脈寬為20ns，所以blumlein傳輸線中每條傳輸線的電長度為10ns。設計傳輸線變壓器中每條傳輸線的電長度為20ns。兩種傳輸線的參數(shù)如表1所示，其中msl-1為blumlein傳輸線中的傳輸線，msl-2代表傳輸線變壓器中的傳輸線。整個的微帶線設計使用印制電路板(pcb)實現(xiàn)。整個pcb設計的俯視圖如圖6所示，在圖中上方為blumlein傳輸線，下方為傳輸線變壓器。在設計中使用彎曲走線方式，減小了走線所占的面積，從而減小了整個發(fā)生器的體積。

表1微帶傳輸線參數(shù)表

為了實現(xiàn)發(fā)生器高頻納秒脈沖的要求，需要一種能夠工作在高頻下的固態(tài)功率開關。本發(fā)明(包括實施例1和2)選用了ixys公司的de475開關，搭配能夠提供大驅動電流的驅動芯片ixrfd631。因為需要每個單元模塊中的開關同步導通，所以使用fpga來產(chǎn)生多路同步的觸發(fā)信號。整個控制回路如圖7所示，用fpga產(chǎn)生并行同步的控制信號，控制信號通過光纖傳遞至驅動芯片的輸入端，進而驅動mos管工作。控制信號使用光纖進行傳遞，可以隔離高壓電路對低壓控制電路的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。每個單元模塊使用兩組開關，一組為充電開關s1，一組為放電開關s2，每組開關由兩個mos管串聯(lián)而成。兩組開關導通時序如圖8所示：在放電開關閉合之前，充電開關斷開，減小了流過放電開關的電流，降低了開關壓力，同時也減小了電源的輸出功率。

實施例2：

如圖2所示，本發(fā)明公開的n級發(fā)生器包括：n個單級blumlein傳輸線和n個二級傳輸線變壓器，以及mos管開關電路s1i、mos管開關電路s2i、高壓直流電源和充電電阻ri。n為大于或等于2的自然數(shù)。i＝1、2……n。

第i個單級blumlein傳輸線由微帶傳輸線t1i和微帶傳輸線t2i組成。第i個二級傳輸線變壓器由微帶傳輸線t1i和微帶傳輸線t2i組成。

所述微帶傳輸線t1i的兩端分別記為ai端和ai端，其金屬線的兩端分別記為aji端和aji端，其接地板的兩端分別記為abi端和abi端。

所述微帶傳輸線t2i的兩端分別記為bi端和bi端，其金屬線的兩端分別記為bji端和bji端，其接地板的兩端分別記為bbi端和bbi端。

所述微帶傳輸線t1i的輸入端記為ci端、輸出端記為ci端，其金屬線的兩端分別記為cji端和cji端，其接地板的兩端分別記為cbi端和cbi端。

所述微帶傳輸線t2i的輸入端記為di端、輸出端記為di端，其金屬線的兩端分別記為dji端和dji端，其接地板的兩端分別記為dbi端和dbi端。

ci端和di端為第i個二級傳輸線變壓器的輸入端。

所述高壓直流電源包括電極i和電極ii。

電極i并聯(lián)充電電阻ri后，形成接入mos管開關電路s1i的端子，該端子與aji端的通斷，是通過入mos管開關電路s1i來控制的。

電極ii連接微帶傳輸線t1i和微帶傳輸線t2i的接地板。

電極ii與aji端的通斷，是通過mos管開關電路s2i來控制的。

aji端連接微帶傳輸線t1i和微帶傳輸線t2i的接地板。

bji端連接cji端和dji端。

cbi端和dji端連接在一起。dbk端與cjk+1端連接，k＝1、2……n-1

cj1端和dbn端之間接入負載zl。

blumlein傳輸線中每條傳輸線的特征阻抗為z0，電長度為τ1，傳輸線變壓器中每條傳輸線的阻抗為z1，電長度為τ2，負載阻抗為zl，當zl＝2nz1＝8nz0時，整個系統(tǒng)阻抗匹配，脈沖形成過程如下：

開關s1i閉合、s2i斷開，高壓直流電源通過充電電阻ri對blumlein傳輸線進行充電至電壓u0。之后在t＝0時開關s1i斷開、s2i閉合，aji端被強迫接地，產(chǎn)生一個幅值為-u0的電壓波向遠離ai端方向傳播，在t＝τ1時到第i個二級傳輸線變壓器的輸入端，入射波在此處產(chǎn)生折反射，一個幅值為-u0/2的電壓波反射回t1i傳輸線，同時一個幅值為-u0/2的電壓波入射至t2i傳輸線，此時會在變壓器輸入端產(chǎn)生一個幅值為u0的電壓。在經(jīng)過幾次折反射后會在傳輸線變壓器的輸入端產(chǎn)生一個幅值為2nu0、脈寬為2τ1的脈沖。

在整個系統(tǒng)中，各個模塊使用同一個高壓直流電源供電。在脈沖形成期間，每個單元模塊中開關s1、s2同步作用，各單元模塊中的blumlein傳輸線同步產(chǎn)生初級脈沖。在每個單元模塊中初級脈沖經(jīng)過傳輸線變壓器向負載端傳輸。當各條傳輸線的脈沖傳輸至負載端時，在負載端產(chǎn)生折反射，折反射系數(shù)分別為：

其中αn為反射系數(shù)，βn為折射系數(shù)。因此當各條傳輸線上一個幅值為u0的電壓波同時傳輸?shù)截撦d端時，負載上的電壓幅值為4nzlu0/(2nz1+zl)，因為阻抗匹配，所以負載上的電壓為2nu0。同時，當電壓波到達負載端時，每條傳輸線中有一個幅值為(zl-2nz1)u0/(2nz1+zl)的電壓波向著遠離負載的方向傳播，因為阻抗匹配所以這個電壓波幅值為0，即電路中不再有電壓波的折反射。最終在負載上形成一個幅值為2nu0、脈寬為2τ1的脈沖。n級發(fā)生器的理想輸出波形如圖4所示。由發(fā)生器的原理分析可以看出在阻抗匹配時，傳輸線變壓器輸入端的脈沖電壓幅值與負載電壓幅值之比為1:2n，變壓器輸入端端阻抗與負載阻抗之比為1:4n。而普通的傳輸線變壓器若要在阻抗匹配的情況下實現(xiàn)1:2n的輸入輸出電壓比，輸入端阻抗與負載阻抗的阻抗比為1:4n²。所以這種拓撲結構與普通的傳輸線變壓器相比，在實現(xiàn)相同電壓比的情況下，能夠大大的減小輸出阻抗，使發(fā)生器更適用于小阻抗負載，適用范圍更廣。此外，因為使用了模塊化設計，所以可以更容易調節(jié)輸出電壓。

關于技術效果的測試：

依照實施例2拓撲結構(圖2)搭建了一個兩級的脈沖發(fā)生器。依據(jù)測試要求搭建了測試平臺，測試了在阻抗匹配和阻抗不匹配兩種情況下的負載波形，并對負載波形進行了討論分析。

(一)測試系統(tǒng)

搭建如圖9所示的發(fā)生器測試平臺。實驗所用的電源為天津東文dw-p102-40aceo型高壓直流電源，可以提供1000v、40ma的高壓直流。示波器使用力科的wavepro7zi-a示波器，帶寬4-ghz。探頭使用力科的ppe5kv高壓探頭，帶寬400mhz，滿足測試精度要求。

(二)發(fā)生器性能測試

1、負載阻抗匹配測試

在阻抗匹配時，負載zl阻抗為400歐姆，使用無感電阻作為負載進行測試。

(1)不同充電電壓下的負載波形

不同電場強度下的生物作用效果，需要發(fā)生器具有不同電壓等級的輸出。本專利中測試了發(fā)生器在不同充電電壓下的輸出波形。當充電電壓分別為400v、600v、800v、1000v時，負載波形如圖10所示。在充電電壓為1000v時，波形的展開圖如圖11所示。由圖10，可以看出隨著充電電壓的上升，負載波形幅值也升高。在不同充電電壓下，負載波形除幅值變化外，波形基本保持一致。由圖11可以看出脈沖的上升沿和下降沿均為10ns左右，半高寬約20ns，符合設計要求。

(2)高頻下負載波形

高頻納秒脈沖作用下的生物學效應，需要發(fā)生器能夠輸出高頻的納秒脈沖。本專利測試了在充電電壓為1000v，頻率為10khz時的輸出波形，如圖12所示。在高頻情況下，發(fā)生器能夠穩(wěn)定輸出。

(3)不同級數(shù)下負載波形

為了測試發(fā)生器的在不同級數(shù)下的性能，驗證發(fā)生器的拓撲結構，對發(fā)生器進行了一級和兩級單元模塊情況下的輸出測試。在充電電壓為1000v，并且阻抗匹配時，測試結果如圖13所示。兩個波形主脈沖除幅值外在波形上基本相同。在單級發(fā)生器情況下，主脈沖電壓效率為70％左右，在兩級發(fā)生器下，主脈沖電壓效率大約為60％。

(4)負載阻抗不匹配測試

為了檢驗發(fā)生器在負載端阻抗不匹配時的性能，在兩級單元模塊情況下，測試了負載的輸出波形。當充電電壓為1000v，負載分別為200歐、400歐(阻抗匹配)、600歐時，負載波形如圖14所示。當負載為600歐時，負載波形幅值相對于阻抗匹配時升高，反之，當負載為200歐時，輸出波形幅值下降。但在不同負載下，輸出波形的主脈沖波形除幅值外始終保持一致。

測試結論：

結合發(fā)生器性能測試的結果，本節(jié)主要針對測試中阻抗匹配時發(fā)生器的效率問題和阻抗不匹配時的波形問題進行了如下分析：

1、關于阻抗匹配時發(fā)生器的效率問題

由圖13可以看出，充電電壓為1000v時，單級發(fā)生器的輸出峰值電壓為期望值的70％左右。兩級發(fā)生器的輸出電壓峰值為期望值的60％左右，這可能是由于以下幾個原因造成：首先，傳輸線本身存在介質損耗，這主要與傳輸線的寬度以及介質的相對介電常數(shù)有關，這些損耗是固定存在的，并且傳輸線變壓器的線寬只有0.63mm，會產(chǎn)生很大的損耗。其次，傳輸線變壓器中存在次級線的問題，在脈沖形成過程期間，次級線會與負載分壓，并且對負載波形產(chǎn)生影響。

這里以二級傳輸線變壓器為例進行分析：如圖15所示，傳輸線變壓器中存在兩條短路路徑，當電壓波到達輸出端時，會在短路路徑中會有一個反射波沿著遠離負載的方向傳播，當?shù)竭_傳輸線變壓器輸入端時，由于次級線在輸入端短路，反射系數(shù)為-1，電壓波被全部反射回來，在兩倍的次級線電長度之后最終作用到負載上面。因為次級線的存在會改變傳輸線變壓器輸出端的折反射系數(shù)，次級線與負載分壓，造成電壓幅值的下降，并且入射到次級線的電壓波最終會作用在負載上面，造成波形的震蕩。但是由于采用了彎曲走線的方式，次級線并不規(guī)則，難以確定次級線的阻抗，因此難以確定他對脈沖波形的具體影響。

2、阻抗不匹配時的波形問題

如圖14所示，負載阻抗不匹配時，輸出波形主脈沖形狀并不會發(fā)生改變，只是電壓幅值會有調整。這可以根據(jù)脈沖形成期間的波過程進行分析。下面以一級發(fā)生器進行分析：如圖1所示，在脈沖形成過程中，當一個幅值為v的電壓波在傳輸線變壓器端輸入時，負載上的電壓幅值為4zlu0/(2z1+zl)，當阻抗匹配時，輸出電壓幅值為2u0，當負載升高時，電壓幅值升高，負載下降時，電壓幅值下降。同時，當電壓波到達負載端時，每條傳輸線中有一個幅值為(zl-2z1)u0/(2z1+zl)的電壓波向著遠離負載的方向傳播，當?shù)竭_blumlein的輸出端時，由于該點阻抗匹配，所有的電壓波均饋入blumlein的兩條傳輸線，在經(jīng)過幾次折反射之后會重新饋入傳輸線變壓器，但此時主脈沖已經(jīng)形成，因此雖然阻抗不匹配時存在折反射，但是不會對主脈沖產(chǎn)生波形上的影響。

綜上所述，本專利提出了一種基于blumlein傳輸線和傳輸線變壓器的模塊化設計的新型拓撲結構來產(chǎn)生高頻納秒脈沖。其公開的拓撲結構結合了blumlein傳輸線和傳輸線變壓器的優(yōu)勢，在保證電壓變比的情況下，減小了輸入輸出阻抗的變比。在發(fā)生器的設計中使用了微帶線作為傳輸線，可以方便的與負載進行阻抗匹配，并且大大提高了系統(tǒng)的緊湊性。在開關方面使用了mos管，方便系統(tǒng)產(chǎn)生高頻窄脈沖，并實現(xiàn)系統(tǒng)的全固態(tài)設計。驗證過程中，搭建了兩級模塊發(fā)生器驗證了所提出的設計方案。搭建的發(fā)生器可以用來進行高頻納秒脈沖治療腫瘤技術的微觀機理研究。