一種UWB脈沖發(fā)生器的設計與實現(xiàn)

摘    要：本文重點討論了如何利用階躍恢復二極管(SRD)來實現(xiàn)極窄脈沖的產(chǎn)生，對這種脈沖發(fā)生器的原理和電路調(diào)試作了具體的分析。通過電路的變化最終得到兩種不同的脈沖。

關鍵詞：超寬帶；極窄脈沖；階躍恢復二極管

引言

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現(xiàn)通信。這種脈沖的脈寬只有1個多ns，有的甚至不到1ns，并且其帶寬可以達到或者超過3GHz。

從本質(zhì)上講，產(chǎn)生ns級寬度短脈沖的信號源是UWB技術的前提條件。單個無載波窄脈沖信號有兩個特點：一是激勵信號的波形為具有陡峭前后沿的單個短脈沖，二是激勵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開關的陡峭上升/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ＰＮ結(jié)反向加電，在雪崩狀態(tài)的導通瞬間獲得陡峭上升沿，整形后獲得極短脈沖，這是目前應用最廣泛的方案。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，脈沖寬度可以達到1ns以下。

圖1 簡單的脈沖發(fā)生器電路

階躍恢復二極管(SRD)也是一種PN結(jié)二極管，但它在管芯設計和結(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二極管產(chǎn)生窄脈沖的方法。

脈沖發(fā)生器的設計與實現(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能量經(jīng)由高速開關器件快速放電而得到。提高輸出脈沖性能的途徑有兩個：增加器件存儲的能量，加快器件放電速度。這兩種方法都依賴于高速開關器件，因此，高速開關器件是超寬帶脈沖信號產(chǎn)生的關鍵。

圖2 管子低阻抗狀態(tài)的等效電路及其電壓波形

階躍恢復二極管是一種充分利用少子儲存效應的器件。作為一種PN結(jié)二極管，普通整流管要求正向時管子導通,反向截至，因此少子儲存效應對整流器件顯然是不利的。而對階躍二極管，當加上正向電壓時，大量少數(shù)載流子注入I層并儲存起來，反向時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間內(nèi)關斷，關斷瞬間產(chǎn)生了電流跳變，形成一個很窄的脈沖。

圖3 管子高阻抗狀態(tài)的等效電路及其電壓波形

理想的階躍恢復二極管在正向和反向偏置時，具有兩種阻抗狀態(tài)。正向：C正向=Cmax→?，相当釉懲讟q茍?zhí)录姶态－h(huán)聰潁篊反向=Cmin，為高阻抗狀態(tài)。簡化的脈沖串發(fā)生器電路如圖1所示。頻率為f1的激勵信號使階躍管正向?qū)?，直至二極管的儲存電荷釋放完為止，脈沖發(fā)生器的等效電路如圖2所示。此時輸出電壓維持在階躍管的接觸電勢f。與此同時，激勵電感L中儲存輸入信號的能量。當輸入信號電壓同階躍管的偏壓大小相等、符號相反，而儲存電荷又降為零時，階躍二極管自低阻抗狀態(tài)轉(zhuǎn)為高阻抗狀態(tài)。脈沖發(fā)生器的等效電路如圖3所示，激勵電感釋放其儲存能量，在R’上造成如下形式的阻尼振蕩電壓：                                     
(1)
其中x是阻尼系數(shù)，它為                                       
                              (2)
而b是阻尼振蕩角頻率       
                      (3)
實際上，在負載R’上能觀察到的僅僅是此阻尼振蕩波形的第一個半周期，因為電壓超過管子的接觸電勢時，階躍二極管又重新處于低阻抗狀態(tài)，輸出電壓將維持在f。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，每個脈沖之間的間隔為1/f1，脈沖根部寬度為
         (4)

脈沖產(chǎn)生電路及分析

階躍恢復二極管的選取

階躍恢復二極管的工作依賴于載流子的復合，在設計電路時，為了獲得高效率與高輸出功率，二極管的載流子壽命t愈長愈好，階躍時間tst愈短愈好。t與tst是一對互相制約的參數(shù)，在選管子時應綜合考慮，t主要決定階躍二極管的輸入信號頻率上限，由下式表示：fin?/2pt，實際使用應選擇t=10/2pfin左右。

階躍時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間的倒數(shù)來定義，存在以下關系：fhigh=1/tst
為避免傳輸線對脈沖發(fā)生器過載，在50W系統(tǒng)中，階躍管阻抗的要求為10(W)<XD<20(W)；由此可以確定所需的C反向值：XD=1/2pfNC反向。因此，本方案最終選取了電子五十五所生產(chǎn)的WY411C型階躍恢復二極管。

電路原理圖

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

圖4 脈沖發(fā)生器原理圖

(1)計算激勵電感L(一般取阻尼系數(shù)x=0.3)
L=tp2(1-x2)/p2C0                              (5)

其中tp是脈沖寬度
(2)計算調(diào)諧電容CT
CT用來調(diào)諧脈沖發(fā)生器的輸入導納，調(diào)諧后脈沖發(fā)生器的輸入阻抗為純電阻，CT的值為
CT =1/(2pf1)2LX0  
                          (6)
(3)計算輸入電阻
Rin=w1LR0                                      (7)
式(5)和(6)中的X0、R0為阻抗倍乘系數(shù)，分別取1.0和1.4。

(4)匹配網(wǎng)絡設計

圖5 阻抗匹配低通濾波器
為了使脈沖發(fā)生器的輸入電阻與信號源內(nèi)阻(一般為50W)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)G形阻抗變換器。對于這種電路，應有：；輸入阻抗為一純電阻，其值為LM/RinCM，
且應等于Rg。由此可求出：                                   
                          
                                                       (8)
                         (9)
低通濾波器的3分貝帶寬為：
                     (10)

(5)偏置電路設計
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f的時間間隔內(nèi)，二極管的正向電阻遠小于R，信號源通過小的正向電阻向電容C1充電；當外加交流電壓小于恐擋⑹茍芙敕聰蜆ぷ髑蚴?，二极蛊H氏趾艽蟮牡繾?與R比較而言)，電容C1通過電阻R放電。如果C1R的時間常數(shù)比基波電壓的周期大得多，則放電電流可以認為是一常數(shù)；于是在電阻R上就產(chǎn)生一個壓降，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，所以隨著激勵電壓幅度的變化，偏壓隨之改變，從而可以自動調(diào)節(jié)工作點。偏壓電阻值可按下式估算：
R≈2t/pN2C0                              (11)
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壓降，所得的脈沖就是一個高斯脈沖波形；如果電路中有C3，所得脈沖就是一個高斯脈沖的一階導數(shù)。

實驗結(jié)果

上述公式只能對元器件的值進行大概的估算，還要通過反復實踐進行修正。筆者在電路調(diào)試過程中，為了得到較窄的脈沖寬度，反復實踐修正元器件的值。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為幾十交蚣赴俳，通過對R的微調(diào)，可以改變產(chǎn)生脈沖的重復周期。CM和CT分別為780pF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數(shù)波形(有偏置電容C3)，脈寬1.5ns左右，Vpp為7V。

圖6 有偏置電容C3時的波形

實踐表明，有時理論計算的數(shù)值與實際電路的數(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；設計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)的理論尚不完善。■

參考文獻
1.FONTANA R J.Recent system applications of short-pulse ultra-wideband (UWB) technology[J].IEEE Tran Microwave Theory Tech,2004,52(9):2087-2104
2.陳振威，鄭繼禹. 基于SRD的超寬帶脈沖產(chǎn)生與設計.桂林電子工業(yè)學院院報.2005.10