基于射頻三極管的超寬帶引信脈沖源

雷華相,周國(guó)安,付紅衛(wèi)

(空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院,陜西三原 713800)

0 引言

超寬帶(UWB)引信體制以其高距離分辨率、高隱蔽性、強(qiáng)穿透能力、強(qiáng)抗干擾能力、低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn)[1],成為了各國(guó)競(jìng)相研究的一種新型主動(dòng)式引信。國(guó)內(nèi)對(duì)UWB技術(shù)的研究起步較早,在“七五”、“八五”期間曾對(duì)超寬帶引信開展過預(yù)研,雖然取得了一些成果,但是在超寬帶相關(guān)接收機(jī)、高精度脈沖延遲、引信的微功耗、微型化等關(guān)鍵技術(shù)中存在的一些問題尚未得到全面解決。自2000年以來(lái),我國(guó)的很多科研院所一直致力于超寬帶技術(shù)理論與應(yīng)用方面的研究,并開始對(duì)超寬帶引信進(jìn)行研制。

超寬帶引信關(guān)鍵技術(shù)中,納秒或亞納秒脈沖的形成技術(shù)倍受關(guān)注。目前有許多生成納秒或亞納秒脈沖信號(hào)的方法[2],但考慮到超寬帶引信的性能和成本,現(xiàn)主要采用的是階躍恢復(fù)二極管(SRD)。由文獻(xiàn)[3]知,基于SRD的超寬帶脈沖源已在引信中成功運(yùn)用。但該脈沖源成本高,電路復(fù)雜(產(chǎn)生的單極脈沖還需整形成發(fā)射效率高的雙極脈沖[4]),工作電壓高。因此本文利用射頻三極管低價(jià)和低壓雪崩特性[5],結(jié)合電感器件磁場(chǎng)能存儲(chǔ)與釋放效應(yīng),設(shè)計(jì)和制作一種基于射頻三極管的超寬帶引信脈沖源。

1 三極管雪崩特性

晶體管的輸出特性一般有飽和、線性、截止和雪崩4個(gè)區(qū)。利用三極管的雪崩倍增效應(yīng)產(chǎn)生窄脈沖的電路圖如圖1所示。

圖1 三極管脈沖產(chǎn)生電路Fig.1 The pulse generator electric circuit of BJT

當(dāng)無(wú)觸發(fā)脈沖輸入時(shí),雪崩三極管基極處于反向偏置,高壓直流電源V cc經(jīng)過大阻值限流電阻R C加到集電極,并經(jīng)過RC,RL給C充電。此時(shí),三極管處于截止和臨界雪崩狀態(tài)。儲(chǔ)能電容C進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后兩端電壓為U CE約為V cc。隨著正極性觸發(fā)脈沖的上升沿輸入,三極管發(fā)生雪崩效應(yīng),迅速進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。儲(chǔ)能電容C通過三極管和負(fù)載電阻R L迅速放電。C兩端電壓很快降低,當(dāng)C的放電電流不足以維持雪崩效應(yīng)時(shí),由于基極輸入觸發(fā)脈沖的寬度比較寬,上升時(shí)間長(zhǎng),所以三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)輸入觸發(fā)脈沖結(jié)束以后,基極重新處于反偏,三極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài),V cc通過限流電阻R C和負(fù)載電阻R L向C充電,經(jīng)過大約(3～5)(R C+R L)×C的恢復(fù)時(shí)間,儲(chǔ)能電容C進(jìn)入穩(wěn)態(tài),兩端電壓近似為V cc,為下一次觸發(fā)作好準(zhǔn)備[6]。

2 三極管脈沖源原理

2.1 脈沖源電路

在三極管脈沖電路的基礎(chǔ)上,將三極管選定為射頻三極管Q,并添加特定的電容電感,制作本文中的超寬帶引信脈沖源電路。其電路圖如圖2所示。

圖2 脈沖源電路Fig.2 The pulse generator electric circuit

設(shè)計(jì)電路增加了電感 L1、L2和電容C0、C3。它們的作用分別為:

L1的作用:

1)在C2放電完畢時(shí),L1和R2串聯(lián),電流只能按指數(shù)規(guī)律增大而不是Vcc/R2,從而使射頻三極管可靠退出雪崩導(dǎo)通狀態(tài),L 1在電流增加過程中儲(chǔ)能,因此R2的取值可以大幅度減小,充電速度加快,電路輸出UWB脈沖的PRF得以提高。

2)當(dāng)C2充電接近電源電壓時(shí),L1釋放電能,可使電容充電到電源Vcc電壓的1.4倍甚至更高,在較低電源電壓下可產(chǎn)生較大的輸出UWB脈沖幅度。

3)L 1的電感值較大,有通直流隔交流的作用,能夠有效濾除Vcc中部分諧波交流噪聲分量,減小對(duì)接收機(jī)的噪聲影響。

L2的作用:

1)L2與C2輪流放電,在R3兩端形成雙極窄脈沖。

2)在相對(duì)緩慢的充電過程中,近似認(rèn)為短路而加速C2充電過程。

C0和C3的作用:

將電源V cc中的交流紋波耦合到地,減少進(jìn)入接收機(jī)中頻電路的交流噪聲信號(hào)。設(shè)計(jì)中取C0=0.1μF,C3=10μF。

2.2 主要元件參數(shù)選擇

1)射頻三極管Q:三極管的功率損耗P必須小于三極管的功率損耗容限P max。三極管的功率損耗可由下式計(jì)算[7]。

式(1)中,C2為儲(chǔ)能電容,V0為輸出脈沖幅度,f為電路的工作頻率。

2)雪崩電容C2:C2的選擇應(yīng)該適中,C2太大,輸出脈沖寬度加寬,電路恢復(fù)期太長(zhǎng),降低了超寬帶脈沖源的重復(fù)頻率;C2太小,輸出脈沖振幅減小。通常取值為幾皮法到幾十皮法。對(duì)C2取值2.5～6.5 pF進(jìn)行仿真測(cè)試表明:電容C2值越大,脈沖幅度越大;但在增大到5.5 pF以后,脈沖幅度的增加已經(jīng)不明顯?？紤]到同時(shí)脈沖的寬度增加顯著。因此本文使用6 pF。

3)R2:電源電壓經(jīng)R2對(duì)C2的充電時(shí)間常數(shù)必須小于觸發(fā)脈沖的周期T,要求充電常數(shù)τ=R2 C2小于觸發(fā)信號(hào)的周期 T,即R2＜T/C2。但R2不能選擇太小,否則晶體管長(zhǎng)時(shí)間處于導(dǎo)通狀態(tài),導(dǎo)致溫度過高而燒壞。本文使用500Ω。

4)L1:為了加快充電速度,R2的取值應(yīng)大幅度減小;在減小R2取值時(shí)為使三極管可靠退出雪崩導(dǎo)通狀態(tài),需選擇合適的L,在C 放電完畢后,使其充電的電流緩慢增長(zhǎng)。對(duì)L1取值5～40μH進(jìn)行仿真測(cè)試表明:L1值對(duì)脈沖幅度影響不大,其主要影響脈沖寬度。在 L1=30μH 時(shí),較為理想。因此本文使用30μH。

5)L2:L 2過大,放電過程減慢,產(chǎn)生的脈沖寬度大;L2過小,放電過程較快,產(chǎn)生的脈沖寬度較窄,為了保證產(chǎn)生合適寬度脈沖,得通過仿真選取合適的電感值。通過對(duì)L 2取值4～13 nH進(jìn)行仿真測(cè)量表明:電感L2值越大,所產(chǎn)生的脈沖幅度越大,但脈沖寬度也同時(shí)增大;在增大到10 nH以后,脈沖幅度的增加已經(jīng)不明顯,而脈沖的寬度增加。因此文中使用10 nH較理想。

6)R3:R3的值越大,產(chǎn)生脈沖的幅度越大,但是脈沖存在嚴(yán)重“拖尾”,拉長(zhǎng)了脈沖。經(jīng)過仿真調(diào)試本文選擇R3=90Ω。

3 雪崩管電路動(dòng)態(tài)分析

3.1 充電等效電路分析

由于L 1?L 2,R3?R2,對(duì)圖2電路進(jìn)行簡(jiǎn)化后得到圖3。

圖3 充電等效電路Fig.3 The equivalent electric circuit of charging

令式(3)的一階導(dǎo)數(shù)為0,得

即wt+θ=tan-1(-)+nπ,當(dāng)n=0時(shí),uc2取第一個(gè)極值點(diǎn),對(duì)應(yīng)的值為:

由式(5)可知,該設(shè)計(jì)脈沖源電路在元件參數(shù)取值合理時(shí),可以實(shí)現(xiàn)uc2max＞Vcc。

3.2 放電回路分析

因?yàn)長(zhǎng)1、R2支路的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于雪崩放電回路的時(shí)間常數(shù),分析雪崩放電回路時(shí),忽略L 1、R2支路的影響,射頻三極管雪崩導(dǎo)通時(shí)采用等效電阻R on代替,其值一般為30～50Ω,放電回路等效電路如圖4所示。

圖4 放電等效電路Fig.4 The equivalent electric circuit of discharging

由元件特性和電路規(guī)律得微分方程為:

由式(6)知:當(dāng)電路滿足b2-4ac＜0,放電主要分為兩段過程:1)三極管Q由截止到雪崩擊穿導(dǎo)通,C2放電電流由0增加到最大;2)當(dāng)C2存儲(chǔ)的電荷減少,放電電流開始減小時(shí),電感L 2放電。R3兩端電壓極性迅速反轉(zhuǎn),電感對(duì)R3放電同時(shí)對(duì)電容C2反向充電,隨著放電進(jìn)行電壓越來(lái)越低。電感放電完畢時(shí),C2兩端反向充電到最大值,而C2兩端電壓對(duì)三極管Q為負(fù)壓,三極管截止,故放電過程結(jié)束。

4 軟件仿真與實(shí)際電路測(cè)試

仿真中,為了貼近真實(shí)的74HC04D輸出的脈沖,我們?cè)O(shè)置V in的頻率為10 MHz,占空比為20%,電壓為5 V,上升沿和下降沿為3 ns,CMOS電平標(biāo)準(zhǔn)的脈沖。根據(jù)電路仿真測(cè)試結(jié)果,各電路元器件的取值為:C1=300 p F,C2=6.0 pF,R1=6 000Ω,R2=500Ω,R3=90Ω,L 1=30μH,L 2=10 nH,Vcc=12 V;Q采用英飛凌公司的BFP450。利用ADS仿真軟件進(jìn)行仿真,得到的波形如圖5所示。

仿真得到的脈沖幅度V=11.022 V,脈沖峰谷寬度為:562 ps。

圖5 ADS仿真波形Fig.5 The waveform of ADS simulation

據(jù)脈沖源電路,實(shí)際電路制作在相對(duì)介電常數(shù)為2.2,厚度為1.02 mm的介質(zhì)基片上,如圖6所示。

圖6 脈沖源實(shí)物圖Fig.6 The manufacture of the pulse generator

利用與仿真相同的參數(shù)進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)電路元器件參數(shù)值在仿真環(huán)境元器件參數(shù)值附近進(jìn)行調(diào)整,Agilent 54855A 6GHz數(shù)字存儲(chǔ)示波器記錄的波形如圖7所示。

圖7 實(shí)測(cè)波形Fig.7 The real waveform of the manufacture

由圖7可得,實(shí)際電路產(chǎn)生的雙極窄脈沖的脈沖幅度V=8.608 V,脈沖峰谷寬度為700 ps,能滿足超寬帶引信的需要。仿真波形與實(shí)驗(yàn)測(cè)量波形極其相似,但脈沖幅度,脈沖峰谷寬度存在差異,一方面因仿真軟件中所有元件的數(shù)學(xué)模型都是理想的,不考慮分布參數(shù)、電容電感的損耗等因素;另一方面因儀器測(cè)量精度與仿真計(jì)算精度有較大差異。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于射頻三極管的超寬帶引信脈沖源電路,它以射頻三極管為核心,利用射頻三極管的低價(jià)和低壓雪崩特性及電感器件的磁場(chǎng)能存儲(chǔ)與釋放效應(yīng)。對(duì)電路進(jìn)行分析、仿真與實(shí)際電路測(cè)試表明:該脈沖源能滿足超寬帶引信的需要,且較文獻(xiàn)[2]中脈沖源成本更低、電路更簡(jiǎn)單、工作電壓更低,因此適合作為當(dāng)前部分引信[2]脈沖源的替換品。

[1]翟曉軍,陳明,李阿楠.基于超寬帶的隔墻探測(cè)二維成像雷達(dá)系統(tǒng)[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2007,29(4):21-23.ZHAI Xiaojun,CHEN Ming,LI Anan.Radar system of through-wall detection and two dimensional imaging based on UWB[J].Journal of Detection&Control,2007,29(4):21-23.

[2]Barrett T W.History of ultra wideband(UWB)radar&communications:Pioneers and innovators[C]//Progress in Electro-magnetics symposium 2000.Cambridge:MA,2000(4):21-23.

[3]王欣,付紅衛(wèi),向正義.超寬帶引信脈沖源的仿真設(shè)計(jì)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2006,26(3):266-268.WANG Xin,FU Hongwei,XIANG Zhengyi.Simulation and design of a pulse generator for ultra-wideband Fuse[J].Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance,2006,26(3):266-268.

[4]孟凡寶,馬弘舸,周傳明.1GW超寬帶單周期脈沖輻射源實(shí)驗(yàn)研究[J].強(qiáng)激光與粒子束,1999:11(4):473-476.MENG Fanbao,MA Hongge,ZHOU Chuanming.Ultrawide band pulse radiation source[J].High power laser and particle Beams,1999:11(4):473-476.

[5]Siwiak K,Withington P,Phelan S.Ultra-wide bandradio:The emergenceof an important RF technology[C]//IEEE Semiannual Vehicular Technology Conference VTC2001.Greece:Rhodes,2001:169-172.

[6]MILLMAN J,TAUB H.Pulse,Digital,and Switching Waveforms[M].New York:McGraw-Hill,1965.

[7]邢靜媛,劉麗莉.大幅度納秒脈沖發(fā)生器[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),1995,15(2):123-124.XING Jingyuan,LIU Lili.A large amplitude nanosecond pulse generator[J].Nuclear Electronics&Detection EChnology,1995,15(2):123-124.