超快电脉冲瞬态取样理论、方法和实验研究

论文摘要

在高能物理和天体物理实验中，涉及到许多纳秒级至皮秒级单次事件，因此超快电脉冲（皮秒级上升沿、单次）的瞬态取样方法成为一个重要的科学问题，由此兴起一个新兴的电子科学—皮秒电子学。目前基于GaAs、InP材料制作的晶体管截止频率已经达到350GHz，并且已有100GHz毫米波单片集成电路的报道，利用这些超高速集成器件和皮秒脉冲传输线可以实现单次超快电脉冲的低成本、小型化精确测量。论文针对上述问题，根据实时取样和电快脉冲取样法基本原理，以皮秒脉冲传输线和高速瞬态取样门为主要研究对象，进行了皮秒电脉冲瞬态取样的理论、方法和实验研究。主要内容为：1．研究传输线取样系统存在的问题，提出一种新颖的小型化、集成化、固体化高速取样方案。2．研究针对皮秒电脉冲测量的取样传输线理论和方法，进行传输线特性参数计算和损耗分析。提出高速脉冲取样传输线的基本结构是，两条正负平衡的选通传输线和沿同一方向传输的信号传输线，传输线的基本问题是阻抗匹配问题。提出一种新颖的信号传输线局部阻抗匹配方法和模型，推导出补偿计算公式。提出选通传输线的步进特性阻抗匹配方法和计算公式。利用多层图形工艺和聚四氟乙烯F4B基材，实现一种具有104ps上升时间和4GHz带宽的皮秒脉冲传输线。3．研究高速瞬态取样门理论和实现方法。发展一种新颖的对称设计四肖特基管平衡取样门电路，给出取样效率计算公式和有效选通宽度的计算方法。4．研究高速电脉冲波形“缓冲减速”原理和模型。提出电容电荷缓冲存储网络基本模型，设计出有源缓冲电荷存储网络。5．研究高速取样器实现方法和工艺。设计出各单元电路、微波腔体和印制板工艺，研制出100ps高速瞬态取样器原型装置。综上所述，通过理论分析计算、计算机模拟和实验测试，根据论文提出的理论、方法和工艺实现的原型取样装置，具有高速瞬态取样、信号缓冲减速保持、样品信号多路读取和输出增益放大功能。通过对TD-1110C脉冲源产生的单次快脉冲对比波形测试表明，取样器测量波形和高速示波器所测波形形状一致，脉冲上升沿反映真实，达到主要技术指标：重复频率单次，取样间隔100ps／点，采样速率10GSa／s，输入阻抗50Ω，取样器模拟带宽2.7GHz。可满足精密物理实验对高速电脉冲测量的需求。论文研究的取样理论和方法，为下一步基于GaAs材料的单芯片集成取样器件奠定了研究基础，并且未来可延伸至太赫兹电子学范畴，有助于利用超快电子学测量方法来帮助科学家对基本物理问题和现象的解释。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 高速示波器法
• 1.2.2 电快脉冲取样法
• 1.2.3 国内研究现状
• 1.2.4 动态小结
• 1.3 论文主要研究内容
• 第二章 皮秒脉冲传输线理论
• 2.1 传输线取样系统方案和波形失真问题
• 2.1.1 取样系统方案
• 2.1.2 传输线波形失真问题
• 2.2 传输线基本理论
• 2.2.1 分布参数电路理论
• 2.2.2 特性阻抗和相速的计算公式
• 2.2.3 阻抗匹配原理
• 2.3 传输线损耗分析
• 2.3.1 介质损耗的理论分析计算
• 2.3.2 导体损耗的理论分析计算
• 2.3.3 传输线损耗小结
• 2.4 信号传输线
• 2.4.1 四管平衡取样门等效模型
• 2.4.2 等效分布电容补偿法
• 2.4.2.1 传输线的等效分布电容模型
• 2.4.2.2 终端负载匹配计算法
• 2.4.2.3 特性阻抗匹配计算法
• 2.4.2.3.1 初值的确定
• 2.4.2.3.2 迭代计算程序
• 2.4.2.3.3 误差分析
• 2.4.3 局部匹配补偿法
• 2.4.3.1 局部匹配模型
• 2.4.3.2 计算公式的数学求解
• 2.4.3.3 数值模拟
• 2.4.3.4 波形仿真
• 2.4.4 信号传输线小结
• 2.5 选通传输线
• 2.5.1 选通脉冲传输线平衡变压器
• 2.5.1.1 传输线平衡变压器模型
• 2.5.1.2 电路仿真
• 2.5.1.3 直流扰动问题（以1端正选通电压为例）
• 2.5.2 选通传输线的阻抗匹配方法
• 2.5.2.1 选通传输线的多抽头负载模型和阻抗失配问题
• 2.5.2.2 步进阻抗匹配模型
• 2.5.2.3 数值仿真
• 2.5.3 选通传输线小结
• 2.6 传输线实现与测试
• 2.6.1 传输线实现
• 2.6.2 传输线测试
• 2.7 小结
• 第三章 高速瞬态取样门模型
• 3.1 取样门基本理论
• 3.1.1 单元取样门基本特性
• 3.1.2 四管平衡取样门模型
• 3.1.2.1 四管平衡取样门及等效电路
• 3.1.2.2 有效选通宽度τ的计算
• 3.2 一种对称设计的四管平衡取样门电路
• 3.2.1 二极管偏置电路
• 3.2.2 四管平衡取样门设计
• 3.2.2.1 四管桥取样门电路
• 3.2.2.2 取样门波形仿真
• 3.2.2.3 参数仿真
• 3.3 电荷存储网络模型
• 3.3.1 高速波形“减速”原理和模型
• 3.3.2 有源缓冲电荷存储网络模型
• 3.3.2.1 GaAs MESFET
• 3.3.2.2 一级缓冲电荷存储网络
• 3.4 小结
• 第四章 高速取样器设计与实现
• 4.1 高速取样电路设计
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 皮秒脉冲传输线设计
• 4.1.2.1 信号传输线
• 4.1.2.2 选通传输线
• 4.1.3 高速瞬态取样门设计
• 4.1.4 交叉采样方法
• 4.2 多路扫描电路
• 4.2.1 通路门
• 4.2.2 多路模拟开关
• 4.2.3 多路开关逻辑控制电路
• 4.2.4 输出增益网络
• 4.3 微波腔体设计
• 4.3.1 基本结构
• 4.3.2 微波腔体的谐振效应
• 4.3.2.1 基本原理和计算公式
• 4.3.2.2 数值模拟
• 4.3.3 输入输出接口
• 4.4 工艺与实现
• 4.4.1 工艺
• 4.4.1.1 射频/模拟混合PCB板工艺
• 4.4.1.2 焊装工艺
• 4.4.1.3 机械设计
• 4.4.2 实现
• 4.5 测试结果与分析
• 4.5.1 实验方案
• 4.5.2 实验结果与分析
• 4.6 小结
• 第五章 结论
• 5.1 皮秒脉冲传输线理论和模型
• 5.2 基于高速肖特基二极管的平衡取样门模型
• 5.3 100ps高速取样器设计与实现
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻博期间取得的研究成果