采用UWB技術(shù)的脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)數(shù)字通信是通過在信道中發(fā)送包含信息的模擬波形來實(shí)現(xiàn)通信的，而超寬帶(UWB)通信是通過發(fā)送和檢測極窄脈沖序列來實(shí)現(xiàn)通信。這種脈沖的脈寬只有1個(gè)多ns，有的甚至小到lns，并目.其帶寬可以達(dá)到或者超過3GHz。

從本質(zhì)上講，產(chǎn)生ns級寬度短脈沖的信號源是UWB技術(shù)的前提條件。單個(gè)無載波窄脈沖信號有兩個(gè)特點(diǎn)：是激勵(lì)信號的波形為具有陡峭前后沿的單個(gè)短脈沖，是激勵(lì)信號具有從直流到微波的很寬的頻譜。目前產(chǎn)生脈沖源的兩類方法為：1.光電方法，基本原理是利用光導(dǎo)開關(guān)的陡峭上升，下降沿獲得脈沖信號，是最有發(fā)展前景的一種方法。2.電子方法，基本原理是利用晶體管P N結(jié)反向加電，在雪崩狀態(tài)的導(dǎo)通瞬間獲得陡峭上升沿，整形后獲得極短脈沖，這是目前應(yīng)用最廠一泛的方案。受晶體管耐壓特性的限制，這種方法一般只能產(chǎn)生幾十V到上百V的脈沖，脈沖寬度可以達(dá)到lns以下。

階躍恢復(fù)一二極管(SRD)也是一種PN結(jié)二極管，但它在管芯設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)工藝上采取了一些特殊的措施，能夠獲得電流的階躍，可以用來產(chǎn)生很窄的脈沖。本文就著重討論使用階躍恢復(fù)二極管產(chǎn)生窄脈沖的方法。

脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

階躍二極管產(chǎn)生極窄脈沖的原理傳統(tǒng)窄脈沖產(chǎn)生的基本原理是通過器件所存儲(chǔ)能量經(jīng)由高速開關(guān)器件快速放電而得到。提高輸出脈沖性能的途徑有兩個(gè)：增加器件存儲(chǔ)的能量，加快器件放電速度。這兩種方法都依賴于高速開關(guān)器件，因此，高速開關(guān)器件是超寬帶脈沖信號產(chǎn)生的關(guān)鍵。

階躍恢復(fù)二極管是一種充分利用少子儲(chǔ)存效應(yīng)的器件。作為一種PN結(jié)二極管，普通整流管要求正向時(shí)管子導(dǎo)通，反向截至，因此少子儲(chǔ)存效應(yīng)對整流器件顯然是不利的。而對階躍二極管，當(dāng)加上正向電壓時(shí)，大量少數(shù)載流子注入I層并儲(chǔ)存起來，反向時(shí)由于少子基本上被反向電場提取完畢，器件在極短的階躍時(shí)間內(nèi)關(guān)斷，關(guān)斷瞬間產(chǎn)生了電流跳變，形成一個(gè)很窄的脈沖。

理想的階躍恢復(fù)二極管在正向和反向偏置時(shí)，具有兩種阻抗?fàn)顟B(tài)。正向：

相當(dāng)于低阻抗短路狀態(tài);反向

為高阻抗?fàn)顟B(tài)。簡化的脈沖串發(fā)生器電路如圖1所示。頻率為f，的激勵(lì)信號使階躍管正向?qū)?，直至二極管的儲(chǔ)存電荷釋放完為止，脈沖發(fā)生器的等效電路如圖2所示。此時(shí)輸出電壓維持在階躍管的接觸電勢Φ。與此同時(shí)，激勵(lì)電感L中儲(chǔ)存輸人信號的能量。當(dāng)輸入信號電壓同階躍管的偏壓大小相等、符號相反，而儲(chǔ)存電荷又降為零時(shí)，階躍二極管自低阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為高阻抗?fàn)顟B(tài)。脈沖發(fā)生器的等效電路如圖3在R'上造成如下形式的阻尼振蕩 所示，激勵(lì)電感釋放其儲(chǔ)存能量，電壓：而p是阻尼振蕩角頻率

(3)

實(shí)際上，在負(fù)載R'上能觀察到半周期的僅僅是此阻尼振蕩波形的第一個(gè)，因?yàn)殡妷撼^管子的接觸電勢時(shí)，階躍二極管又重新處于低阻抗?fàn)顟B(tài)，輸出電壓將維持在Φ。所以在輸入頻率為f1的連續(xù)信號作用下，脈沖發(fā)生器的輸出電壓波形將是窄脈沖串，每個(gè)脈沖之間的間隔為1/f1，脈沖根部寬度為

.

脈沖產(chǎn)生電路及分析

階躍恢復(fù)二極管的工作依賴于載流子的復(fù)合，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為了獲得高效率與高輸出功率，二極管的載流子壽命τ愈長愈好，階躍時(shí)間tst愈短愈好。τ下與tst;。是一對互相制約的參數(shù)，在選管子時(shí)應(yīng)綜合考慮，τ主要決定階躍二極管的輸入信

階躍時(shí)間則決定了二極管高次諧波的上限，tst越小，則高次諧波越豐富，倍頻效率越高。二極管產(chǎn)生諧波的上限頻率以階躍時(shí)間的倒數(shù)來定義，存在以下關(guān)系：

為避免傳輸線對脈沖發(fā)生器過載，在50Ω系統(tǒng)中，階躍管阻抗的要求為l0(Q)

電路原理圖

實(shí)際的脈沖發(fā)生器電路包括階躍管、激勵(lì)電感、高頻調(diào)諧電容、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、偏置電路等，如圖4所不。

(4)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為了使脈沖發(fā)生器的輸入電阻與信號源內(nèi)阻(一般為50Ω)匹配，較簡便的辦法是采用變阻低通濾波器。匹配電路的簡化等效電路如圖5所示，該電路可看成是集中參數(shù)半節(jié)Г形阻抗變換器。對于這種電路，

(5)偏置電路設(shè)計(jì)

一般采用自偏置電路。自給偏置的產(chǎn)生過程簡述如下：在外加交流電壓超過二極管的接觸電位差Φ的時(shí)間間隔內(nèi)，二極管的正向電阻遠(yuǎn)小于R，信號源通過小的正向電阻向電容c.充電;當(dāng)外加交流電壓小于D值并使二極管進(jìn)入反向工作區(qū)域時(shí)，二極管呈現(xiàn)很大的電阻(與R比較而言)，電容C1通過電阻R放電。如果C1R的時(shí)間常數(shù)比基波電壓的周期大得多，則放電電流可以認(rèn)為是一常數(shù);于是在電阻R上就產(chǎn)生一個(gè)壓降，其值為I0R，并反向地加在二極管上。由于這一偏壓是整流電流引起的，所以隨著激勵(lì)電壓幅度的變化，偏壓隨之改變，從而可以自動(dòng)調(diào)節(jié)工作點(diǎn)。偏壓電阻值可按下式估算：

c3的原理與c1一樣，但其充放電過程與C1相反。如果電路中去掉c3則電路的輸出端就沒有一個(gè)壓降，所得的脈沖就是一個(gè)高斯脈沖波形;如果電路中有C3，所得脈沖就是一個(gè)高斯脈沖的一階導(dǎo)數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上述公式只能對元器件的值進(jìn)行大概的估算，還要通過反復(fù)實(shí)踐進(jìn)行修正。筆者在電路調(diào)試過程中，為了得到較窄的脈沖寬度，反復(fù)實(shí)踐修正元器件的值。利用信號發(fā)生器產(chǎn)生31MHz，24dBm的正弦波作為電路的觸發(fā)信號源，c1和cc可選用幾萬pF的大電容，偏置電容C3的容值盡可能小。自偏置電阻R為幾十Ω或幾百Ω，通過對R的微調(diào)，可以改變產(chǎn)生脈沖的重復(fù)周期。cm和ct分別為7 8 0 p F和390+45pF。LM和L分別為30nH和70nH的空心電感線圈。其中微調(diào)激勵(lì)電感L的感值對脈沖的波形影響尤為明顯。圖6是從示波器上觀察到的高斯脈沖的一階導(dǎo)數(shù)波形(有偏置電容c3)，脈寬1.5ns左右，Vpp為7V。

實(shí)踐表明，有時(shí)理論計(jì)算的數(shù)值與實(shí)際電路的數(shù)值相差頗大，其可能的原因是：管子參數(shù)的誤差及離散性較大;設(shè)計(jì)中沒有考慮寄生參量以及輸入回路與輸出回路之間的影響;大信號(特別是過激勵(lì))的理論尚不完善。