摘要：在分析現(xiàn)超寬帶無線電的載體—窄脈沖產(chǎn)生方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出產(chǎn)生超寬帶納秒級(jí)脈沖的邏輯框圖,并由此設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路原理圖、PCB版圖,經(jīng)實(shí)物調(diào)試測(cè)出輸出波形,最后指出該電路的應(yīng)用領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：超寬帶 超寬帶無線電 納秒級(jí)脈沖
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(diǎn)。在傳統(tǒng)的通信技術(shù)中,通常把信號(hào)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(duì)持續(xù)時(shí)間為納秒或亞納秒級(jí)窄脈沖進(jìn)行調(diào)制,這樣UWB信號(hào)將具GHz量級(jí)的帶級(jí)。超寬帶技術(shù)相對(duì)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(cè)等。
UWB的特點(diǎn)：發(fā)射信號(hào)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(diǎn)。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(diǎn)和關(guān)鍵所在。為此,本文探討了一種納秒級(jí)脈沖發(fā)生電路的原理和設(shè)計(jì),完成了實(shí)物制作,給出測(cè)得的實(shí)際結(jié)果。
1 現(xiàn)有的方法和缺陷
事實(shí)上人們對(duì)超寬帶雷達(dá)的研究是非常早的,從上個(gè)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(guó)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(shí)間的信號(hào),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(jià)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(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(jiǎn)單,但此時(shí)已不太適于雷達(dá)方面的應(yīng)用了。因?yàn)槊}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(duì)前人所作的工作和現(xiàn)有的器件,改進(jìn)并設(shè)計(jì)了超寬帶納秒級(jí)脈沖成形電路,然后完成了具體電路的研制和測(cè)試。
圖2 電路原理圖
2 設(shè)計(jì)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(chǔ)在三極管集電極端的電容快速放電而產(chǎn)生納秒級(jí)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(shí)即便斷掉輸入信號(hào),也可以產(chǎn)生自激式納秒級(jí)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(shí)加上PPM信號(hào)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(duì)輸入的PPM信號(hào)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(duì)信息不同調(diào)制方式的需求。
2.2 電路設(shè)計(jì)
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(jì)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(gè)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(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)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(chǔ)電荷的作用,它的大小對(duì)脈沖幅度和持續(xù)時(shí)間都有決定性影響,同時(shí)脈沖幅度和持續(xù)時(shí)間都有決定性影響,同時(shí)脈沖幅度和持續(xù)時(shí)間也是一對(duì)矛盾的量,需要折中考慮。電路的設(shè)計(jì)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(jì)不當(dāng)時(shí),其分布電容可高達(dá)十幾波法;接口匹配應(yīng)用輸入信號(hào)和輸出脈沖能夠有盡可能小的損耗和失真,以便于測(cè)試和輻射。
2.3 實(shí)測(cè)結(jié)果
對(duì)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(shí)加入TTL電平的激勵(lì)信號(hào),測(cè)得輸出窄脈沖波形。其中所用示波器為HP的54503A,帶寬500MHz,測(cè)試結(jié)果稍有失真。
表1 調(diào)試結(jié)果
| 反饋分壓電阻（單位：k) | 12 | 20 | 30 | 40.5 | |
| 電源輸出端的電壓VSOURCE | 可調(diào)電阻取最大值500k時(shí) | 55 | 33 | 22 | 15 |
| 可調(diào)電阻取最小值0時(shí) | 100 | 65 | 42 | 29 | |
| 由反饋控制產(chǎn)生的電壓輸出范圍（單位：V） | 55～100 | 33～65 | 22～42 | 15～29 | |
