基于ADS的marx雪崩电路设计-设计实践（射频脉冲源）

基于ADS的marx雪崩电路设计-设计实践（射频脉冲源）

设计一个ns级别的脉冲源，属于是半路转行的，虽然不了解具体原理但是也可以进行设计。具体的设计理论以及优化方法将在之后进行讨论.

参考文献：基于Marx电路的亚纳秒级脉冲源研制_张萌

前置教程（ADS的仿真方法）：
ADS瞬时波形仿真-TRANSIENT仿真（以共射放大器为例）
工程链接：
https://download.csdn.net/download/weixin_44584198/88310607

1.器件选型与导入

参考文献— 基于Marx电路的亚纳秒级脉冲源研制—第四章（26页）

准则1：选择雪崩击穿电压（BVCEO）较高的雪崩三极管
原因1：这类管子在负阻区内二次击穿现象更明显

准则2：选择较大的共射电流放大系数 β
原因2：看到 β0 越大，BVCBO 与 BVCEO 的差值就越大，而BVCBO 与 BVCEO 的差值即为雪崩区域宽度，一般我们选择雪崩区域（BVCBO—BVCEO）较宽的雪崩三极管

准则3：采用特征频率 fT 较高的雪崩三极管
原因3：输出脉冲波形的上升沿随着特征频率增大而变快，这个值越大约不会失真（脉冲上升时间越快，所需的fT 越大）

依据以上几点原则，本次设计最终挑选了 DIODES 公司生产的 FMMT417 雪崩三极管进行仿真计算，参数如下：

2.ADS导入FMMT417模型

FMMT417模型可以去官网去找，如下所示Spice Models，下面第一行的Avalanche就是雪崩三极管，注意下载下的SPICE可能包含多个器件：

新建原理图命名为FMMT417_Model，在原理图最上方选择File->Import按钮，将地址指向之前下载得到的模型文件：


点击路径下面的Option选项，按照如下格式设置，设置完成后点击确定：

回到之前的Import界面再次点击Ok，使用默认的选项和名称即可，如果又弹出个只有OK的界面，直接点击OK：

点击OK后出现一个选择框，我们这边使用FMMT417，因此直接选择对应的器件即可：

点击后得到导入之后的电路原理图，其中 14 端口对应雪崩三极管的发射极，15 端口对应雪崩三极管的基极，16 端口对应雪崩三极管的集电极：

修改symbol，使得之后的设计更加方便明确：

3.FMMT417触发信号产生电路

这边使用的是瞬时仿真，首先插入相关的元器件与信号源，信号源如下设置：

运行仿真，查看脉冲源波形，符合预期：

构建如下的触发信号发生电路：

得到的仿真结果如下所示，可以看到输出的电压是负的，这符合雪崩三极管基极反偏的特性：

4.FMMT417Marx产生电路

构建如下的五阶Marx电路，其中第一级为脉冲触发产生电路，最后一级是缓冲级，中间有5个marx电路（我这样理解，有问题请指正）

运行结果如下所示（有时可能会运行报错，多点几次运行碰运气就行了，应该是仿真设置的问题），可见级数越高输出电压峰值越高，使用5级marx可以获得1000V的脉冲峰值：

5. Q&A 可以加入功分器模型实现marx电路输出脉冲合成或者分配吗?

依靠自己现有的知识回答一下这个问题，限制marx电路的功分器应用无非有两个方面，一个是电压（击穿）因素，一个是带宽因素。

击穿电压比较好理解，如果使用微带线进行设计这并不会成为主要的限制点。下面简单说明一下带宽的限制因素，我们知道marx电路输出的是脉冲，必然包含极其丰富的谐波分量，如果功分器的带宽不够，必然会造成高频分量的缺失，从而导致时域脉冲的展宽。简单给出一个mark电路频域的仿真结果：

从上图可以看到，对于一个1kv的波形，其主要的频率分量在50MHz处达到峰值，谐波到1GHz都有大概15V的峰值，这要求功分器的带宽至少要从DC-1GHZ，对于更加陡峭的脉冲，这个要求更高。
我们在输出末端加入低通滤波器模拟功分器的带宽特性：

DC-1GHz带宽的功分器结果：（脉冲明显展宽了）

DC-0.5GHz带宽的功分器结果：（脉冲非常明显展宽了）

即使带宽足够，但是不同频率下的功分器带来的分配比例不一样，也会造成类似的效果，可以通过附加的电路进行补偿。
总结：功分会降低原有脉冲发生器的性能，主要是导致时域脉冲的展宽，只能通过补偿尽可能减少这种影响了（博主简单分析，有错误欢迎指出，我不是专门干marx的）