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。