超寬帶無線電中納秒級脈沖產(chǎn)生研究

將超寬帶雷達(dá)應(yīng)用于通信是近年來業(yè)界的研究熱點。在傳統(tǒng)的通信技術(shù)中，通常把信號從基帶調(diào)制到正弦或余弦載波上，而超寬帶UWB（Ultra Wide Band）通信則是通過對持續(xù)時間為納秒或亞納秒級窄脈沖進(jìn)行調(diào)制，這樣UWB信號將具GHz量級的帶級。超寬帶技術(shù)相對于連續(xù)波通信系統(tǒng)具有獨(dú)到之處，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如雷達(dá)、通信、探測等。UWB的特點：發(fā)射信號功率譜密度較低，強(qiáng)抗截獲能力；系統(tǒng)復(fù)雜度低；數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點。但是這些性能的獲得都需要依賴于現(xiàn)有技術(shù)和工藝的可行性，特別是集成電路的工藝。UWB應(yīng)用中必不可少的關(guān)鍵之一是如何產(chǎn)生可以控制的UWB窄脈沖，靈活方便是UWB通信所渴望的；產(chǎn)生足夠窄的脈沖和適于信道傳輸?shù)拿}沖形狀也是UWB通信中的熱門研究點和關(guān)鍵所在。為此，本文探討了一種納秒級脈沖發(fā)生電路的原理和設(shè)計，完成了實物制作，給出測得的實際結(jié)果。

1 現(xiàn)有的方法和缺陷

　　事實上人們對超寬帶雷達(dá)的研究是非常早的，從上個世紀(jì)六七址年代即已開始，所以目前很熱的UWB并不是什么創(chuàng)新。有許多專利文獻(xiàn)和文章都專門闡述如何產(chǎn)生滿足各種要求的窄脈沖，美國等在這方面的專利有很多。在研究初期，由于器件和工藝的缺乏，主要利用微濾器件（如傳輸線）等效成開關(guān)，從而得到短持續(xù)時間的信號，再經(jīng)過脈沖成形網(wǎng)絡(luò)整形成滿足要求的波形和電壓足夠高的脈沖。這些方法造價很高，且器件龐大，更不適于現(xiàn)代應(yīng)用；后來前蘇聯(lián)人發(fā)現(xiàn)二極管上速度極快的良性雪崩應(yīng)能夠使矩形脈沖的上升沿急劇陡峭，從而使得窄脈沖的成形都傾向于利用PN結(jié)的雪崩效應(yīng)。在早期利用雪山崩效應(yīng)的方案中，由于器件的限制，通常需要在二極管或三極管上加2kV～3kV的反偏高壓，同時產(chǎn)生的窄脈沖電壓也非常高，但其高偏壓的提供本身就很困難；此后，隨著器件的發(fā)展，產(chǎn)生雪崩效應(yīng)的電壓都下降100V～130V左右，從而使得制造成本和電路本身都大為簡單，但此時已不太適于雷達(dá)方面的應(yīng)用了。因為脈沖較寬且幅度小，作為通信系統(tǒng)仍然太大；脈沖過寬，且輻射還需滿足FCC等要求。



　　針對前人所作的工作和現(xiàn)有的器件，改進(jìn)并設(shè)計了超寬帶納秒級脈沖成形電路，然后完成了具體電路的研制和測試。


圖2 電路原理圖

2 設(shè)計概要和結(jié)果

2.1 基本工作原理

　　電路的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示，運(yùn)用開關(guān)三極管的短暫良性雪崩效應(yīng)，讓存儲在三極管集電極端的電容快速放電而產(chǎn)生納秒級脈沖。電源模塊提供足以使三極管產(chǎn)生雪崩的高達(dá)90V的電壓，這時即便斷掉輸入信號，也可以產(chǎn)生自激式納秒級脈沖；調(diào)節(jié)電源模塊的輸出電壓使之剛好在開關(guān)三極管的臨界雪崩電壓處，這時加上PPM信號促使三極管產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，得到窄脈沖，從而使輸出窄脈沖承載了信息。脈沖整形電路對輸入的PPM信號進(jìn)行延遲和微分，以使之觸發(fā)雪崩效應(yīng)。此外調(diào)節(jié)脈沖生成電路可以得到不同形狀的窄脈沖，滿足對信息不同調(diào)制方式的需求。

2.2 電路設(shè)計

　　依據(jù)上述整體構(gòu)思，選擇恰當(dāng)元件并運(yùn)用相應(yīng)的仿真后，設(shè)計了原理電路圖，如圖2所示。圖2中，開關(guān)三極管Q1的選擇是整個電路關(guān)鍵，它的參數(shù)和性能決定了輸出脈沖的極限性能。在這里選用Motorola金屬管殼封裝的2N2369A，它的開關(guān)時間和轉(zhuǎn)換時間在同類產(chǎn)品中是一流的，大多數(shù)類似的應(yīng)用都采用這種管子。以模塊為核心的電路構(gòu)成了開關(guān)電源，產(chǎn)生使三極管雪崩的電壓，這一部分也可以采用別的電路替代。開關(guān)三極管集電極端2PF的小電容起存儲電荷的作用，它的大小對脈沖幅度和持續(xù)時間都有決定性影響，同時脈沖幅度和持續(xù)時間都有決定性影響，同時脈沖幅度和持續(xù)時間也是一對矛盾的量，需要折中考慮。電路的設(shè)計需要考慮分布參數(shù)和接口匹配：分布參數(shù)，尤其是三極管集電極端到開關(guān)電源的分布參數(shù)，在電路設(shè)計不當(dāng)時，其分布電容可高達(dá)十幾波法；接口匹配應(yīng)用輸入信號和輸出脈沖能夠有盡可能小的損耗和失真，以便于測試和輻射。



2.3 實測結(jié)果

　　對電源部分的調(diào)試結(jié)果如表1所示。選擇第二組輸出電壓加到三極管集電極，并調(diào)節(jié)可變電阻使三極管處于臨界雪崩狀態(tài)，此時加入TTL電平的激勵信號，測得輸出窄脈沖波形。其中所用示波器為HP的54503A，帶寬500MHz，測試結(jié)果稍有失真。

表1 調(diào)試結(jié)果


　　三極管集電極電容在雪崩狀態(tài)下通過三極管發(fā)射極的電感放電時，得到如圖3所和4所示的近似高斯脈沖一階微分形波形，其重復(fù)頻率為60kHz，最高可達(dá)200kHz；當(dāng)把電感換成電阻時，可得到單極性近似高斯脈沖型的波形，脈寬可小至1.5ns。由圖3和圖4測得脈沖持續(xù)時間為5ns，峰峰值10V，測試所得波形非常穩(wěn)定；改變放大電容、電感或電阻的大小可以得到不同幅度和持續(xù)時間的納秒級脈沖。

　　整塊電路的結(jié)構(gòu)緊湊，布線講究，整體電路比一元硬幣稍大，封裝后可作為一個獨(dú)立的小型模塊使用；另外電路是輸入方波上升沿觸發(fā)的，因此很適合應(yīng)用到跳時脈沖位置調(diào)制的超寬通信系統(tǒng)中。但為滿足現(xiàn)代通信的需求，特別考慮集成時，系統(tǒng)在很多方面都需要大大改善和提高。