超寬帶無(wú)線(xiàn)電中納秒級脈沖產(chǎn)生研究

將超寬帶雷達應用于通信是近年來(lái)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。在傳統的通信技術(shù)中，通常把信號從基帶調制到正弦或余弦載波上，而超寬帶UWB（Ultra Wide Band）通信則是通過(guò)對持續時(shí)間為納秒或亞納秒級窄脈沖進(jìn)行調制，這樣UWB信號將具GHz量級的帶級。超寬帶技術(shù)相對于連續波通信系統具有獨到之處，應用領(lǐng)域廣泛，如雷達、通信、探測等。UWB的特點(diǎn)：發(fā)射信號功率譜密度較低，強抗截獲能力；系統復雜度低；數厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。但是這些性能的獲得都需要依賴(lài)于現有技術(shù)和工藝的可行性，特別是集成電路的工藝。UWB應用中必不可少的關(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的脈沖形狀也是UWB通信中的熱門(mén)研究點(diǎn)和關(guān)鍵所在。為此，本文探討了一種納秒級脈沖發(fā)生電路的原理和設計，完成了實(shí)物制作，給出測得的實(shí)際結果。

1 現有的方法和缺陷

　　事實(shí)上人們對超寬帶雷達的研究是非常早的，從上個(gè)世紀六七址年代即已開(kāi)始，所以目前很熱的UWB并不是什么創(chuàng )新。有許多專(zhuān)利文獻和文章都專(zhuān)門(mén)闡述如何產(chǎn)生滿(mǎn)足各種要求的窄脈沖，美國等在這方面的專(zhuān)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(xiàn)）等效成開(kāi)關(guān)，從而得到短持續時(shí)間的信號，再經(jīng)過(guò)脈沖成形網(wǎng)絡(luò )整形成滿(mǎn)足要求的波形和電壓足夠高的脈沖。這些方法造價(jià)很高，且器件龐大，更不適于現代應用；后來(lái)前蘇聯(lián)人發(fā)現二極管上速度極快的良性雪崩應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結的雪崩效應。在早期利用雪山崩效應的方案中，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(shí)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(zhù)器件的發(fā)展，產(chǎn)生雪崩效應的電壓都下降100V～130V左右，從而使得制造成本和電路本身都大為簡(jiǎn)單，但此時(shí)已不太適于雷達方面的應用了。因為脈沖較寬且幅度小，作為通信系統仍然太大；脈沖過(guò)寬，且輻射還需滿(mǎn)足FCC等要求。



　　針對前人所作的工作和現有的器件，改進(jìn)并設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 設計概要和結果

2.1 基本工作原理

　　電路的邏輯結構如圖1所示，運用開(kāi)關(guān)三極管的短暫良性雪崩效應，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90V的電壓，這時(shí)即便斷掉輸入信號，也可以產(chǎn)生自激式納秒級脈沖；調節電源模塊的輸出電壓使之剛好在開(kāi)關(guān)三極管的臨界雪崩電壓處，這時(shí)加上PPM信號促使三極管產(chǎn)生雪崩效應，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。此外調節脈沖生成電路可以得到不同形狀的窄脈沖，滿(mǎn)足對信息不同調制方式的需求。

2.2 電路設計

　　依據上述整體構思，選擇恰當元件并運用相應的仿真后，設計了原理電路圖，如圖2所示。圖2中，開(kāi)關(guān)三極管Q1的選擇是整個(gè)電路關(guān)鍵，它的參數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(kāi)關(guān)時(shí)間和轉換時(shí)間在同類(lèi)產(chǎn)品中是一流的，大多數類(lèi)似的應用都采用這種管子。以模塊為核心的電路構成了開(kāi)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(kāi)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時(shí)間都有決定性影響，同時(shí)脈沖幅度和持續時(shí)間都有決定性影響，同時(shí)脈沖幅度和持續時(shí)間也是一對矛盾的量，需要折中考慮。電路的設計需要考慮分布參數和接口匹配：分布參數，尤其是三極管集電極端到開(kāi)關(guān)電源的分布參數，在電路設計不當時(shí)，其分布電容可高達十幾波法；接口匹配應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(shí)測結果

　　對電源部分的調試結果如表1所示。選擇第二組輸出電壓加到三極管集電極，并調節可變電阻使三極管處于臨界雪崩狀態(tài)，此時(shí)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，測試結果稍有失真。

表1 調試結果


　　三極管集電極電容在雪崩狀態(tài)下通過(guò)三極管發(fā)射極的電感放電時(shí)，得到如圖3所和4所示的近似高斯脈沖一階微分形波形，其重復頻率為60kHz，最高可達200kHz；當把電感換成電阻時(shí)，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測得脈沖持續時(shí)間為5ns，峰峰值10V，測試所得波形非常穩定；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時(shí)間的納秒級脈沖。

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