一種超寬脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)

摘要：超寬帶UWB是一種利用納秒級(jí)窄脈沖發(fā)送信息的技術(shù)。重點(diǎn)討論了一種采用級(jí)聯(lián)雪崩晶體管結(jié)構(gòu)UWB極窄脈沖發(fā)生器,并對(duì)其電路及雪崩晶體管的工作原理進(jìn)行了具體分析。實(shí)驗(yàn)獲得的UWB輸出脈沖寬度約為1.22ns,上升時(shí)間約為863ps。

關(guān)鍵詞：UWB（Ultra Wideband） 超寬帶 雪崩晶體管 脈沖發(fā)生器

目前,UWB技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際無線通信技術(shù)研究的新熱點(diǎn),日益受到重視和關(guān)注。2002年2月14日,美國(guó)FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì)）首次批準(zhǔn)了UWB產(chǎn)品的民用銷售和使用。

UWB即超寬帶,它是一種利用納秒級(jí)極窄脈沖發(fā)送信息的技術(shù),其信號(hào)相對(duì)帶寬即信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%。一個(gè)典型的中心頻率為2GHz（即寬度為500ps）的UWB脈沖信號(hào)的時(shí)域波形及其頻譜圖分別如圖1所示。

一般通信技術(shù)都是把信號(hào)從基帶調(diào)制到載波上,而UWB則是通過對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制,從而具有GHz量級(jí)的帶寬。UWB具有發(fā)射信號(hào)功率譜密度低（數(shù)十mW范圍）、難以截獲、抗多徑、低成本、極好的穿透障礙物能力等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無線接入和通信、雷達(dá)、定位、汽車防撞、液面感應(yīng)和高度測(cè)量應(yīng)用。

UWB信息調(diào)制方式需結(jié)合UWB傳播特性和脈沖產(chǎn)生方法綜合考慮,通?？刹捎妹}沖位置調(diào)制（Pulse Position Modulation）和正反極性調(diào)制（Antipodal Modulation）,這里采用PPM調(diào)制。

從本質(zhì)上看,UWB無線技術(shù)是發(fā)射和接收超短電磁能量脈沖的技術(shù),它采用極窄脈沖直接激勵(lì)天線。因此,極窄脈沖的產(chǎn)生就顯得尤為重要。目前,UWB極窄脈沖的產(chǎn)生方法主通過雪崩三極管、隧道二極管或階躍恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)。其中隧道二極管和階躍恢復(fù)二極管所產(chǎn)生的脈沖,上升時(shí)間可以達(dá)幾十至幾百皮秒,但其幅度較小,一般為毫伏級(jí)。采用了利用雪崩三極管的雪崩效應(yīng)的方案,同時(shí)采用雪崩三極管級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生極窄脈沖,最后得到輸出脈沖上升時(shí)間約為863ps,幅度約為1.2V。

1 雪崩效應(yīng)理論

當(dāng)NPN型晶體管的集電極電壓很高時(shí),收集結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度比放大低壓運(yùn)用時(shí)大得多。進(jìn)入收集結(jié)的載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速,從而獲得很大能量,它們與晶格碰撞時(shí)產(chǎn)生了新的電子-空穴時(shí),新產(chǎn)生的電子、空穴又分別被強(qiáng)電場(chǎng)加速而重復(fù)上述過程。于是流過收集結(jié)的電流便“雪崩”式迅速增長(zhǎng),這就是晶體管的雪崩倍增效應(yīng)。

晶體管在雪崩區(qū)的運(yùn)用具有如下主要特點(diǎn)：

（1）電流增益增大到正常運(yùn)用時(shí)的M倍,其中M為雪崩倍增因子。