超寬帶脈沖產(chǎn)生電路的研究與設(shè)計(jì)

摘 要： 在UWB脈沖信號(hào)發(fā)生器的研制中，通過分析UWB脈沖波形的特征，以一階高斯脈沖為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了一種以振蕩源、儲(chǔ)能元件和高速開關(guān)為主體的UWB脈沖產(chǎn)生電路系統(tǒng)模型，并且在實(shí)際電路中設(shè)計(jì)了不同的實(shí)現(xiàn)方式。利用復(fù)雜可編程器件（CPLD）為UWB脈沖發(fā)生模塊設(shè)計(jì)了脈沖時(shí)序觸發(fā)電路。針對(duì)脈沖的產(chǎn)生方案，設(shè)計(jì)了一種利用雪崩晶體管產(chǎn)生UWB脈沖的電路，實(shí)際測試得到了1 ns以內(nèi)的窄脈沖；與此同時(shí)設(shè)計(jì)了一種基于階躍恢復(fù)二極管的UWB脈沖發(fā)生電路，在PSpice中仿真得到了寬度約400 ps的UWB脈沖信號(hào)。仿真結(jié)果表明，PSpice建立的SRD模型符合理論分析，設(shè)計(jì)的UWB脈沖信號(hào)發(fā)生電路也完全滿足在超寬帶引信上使用的需求。

關(guān)鍵詞： 超寬帶脈沖； 雪崩晶體管； 階躍恢復(fù)二極管； PSpice仿真

中圖分類號(hào)： TN925?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）03?0131?04

Research and design of UWB pulse generating circuit

GU Liai

（Department of Science and Engineering， Chengde Radio and TV University， Chengde 067000， China）

Abstract： For the development of UWB pulse signal generator， and based on the analysis of the characteristics of UWB pulse waveform， a system model of the UWB pulse generating circuit taking oscillation source， energy?storage elements and high?speed switch as the main body is proposed by regarding the first?order Gaussian pulse as the design objective. The different implementation measures were designed in actual circuit. The complex CPLD is adopted to design the pulse sequential trigger circuit for the UWB pulse generating module. A UWB pulse generating circuit was designed by avalanche transistors， and the narrow pulse within 1 ns was obtained by actual testing. A UWB pulse generating circuit based on step recovery diodes （SRD） was designed， and the UWB pulse signal whose width is approximate 400 ps was obtained in PSpice simulation. The simulation results show that the established SRD model accords with the theoretical analysis， and the designed UWB pulse signal generating circuit can completely meet the use of UWB fuze.

Keywords： UWB pulse； avalanche transistor； step recovery diode； PSpice simulation

近年來，超寬帶（Ultra Wide?Band，UWB）短距離無線通信引起了全球通信技術(shù)領(lǐng)域極大的重視。高峰值功率、窄脈沖以及高重復(fù)頻率將成為脈沖技術(shù)的主要發(fā)展方向，其在軍事通信、激光技術(shù)、高速成像、工業(yè)測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。其中高性能、低功耗的UWB成為未來最富有競爭力的技術(shù)之一。符合要求的窄脈沖是超寬帶技術(shù)的基礎(chǔ)，產(chǎn)生適合各種要求的超寬帶脈沖也是超寬帶的關(guān)鍵技術(shù)之一。而現(xiàn)有的超寬帶脈沖產(chǎn)生技術(shù)并不能完全滿足應(yīng)用的需要；或是脈沖幅度不夠，或是脈沖寬度達(dá)不到要求[2]。本文主要致力于解決上述問題，探討幅度更高，寬度更窄的超寬帶脈沖的方法，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電路。

1 UWB脈沖產(chǎn)生方案設(shè)計(jì)

產(chǎn)生具有超寬帶特性的窄脈沖信號(hào)一般是使用一個(gè)極快速的開關(guān)通過對(duì)儲(chǔ)能元件的放電來實(shí)現(xiàn)的。如圖1所示，高速開關(guān)受觸發(fā)信號(hào)控制，每當(dāng)觸發(fā)信號(hào)的上升沿到達(dá)時(shí)，高速開關(guān)迅速打開，對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行放電，形成窄脈沖信號(hào)的上升沿，然后迅速關(guān)斷，形成窄脈沖信號(hào)的下降沿。各種方案的區(qū)別主要是對(duì)圖1中高速開關(guān)的選擇不同。下面分別介紹并比較各種超寬帶脈沖產(chǎn)生方法。

1.1 階躍恢復(fù)二級(jí)管脈沖產(chǎn)生電路

利用階躍管產(chǎn)生窄脈沖時(shí)，輸入正弦波的周期應(yīng)大于階躍恢復(fù)二極管的存貯時(shí)間，但不能太大，否則其輸出并非脈沖，而是只有正半周的正弦波；另外，為了使二極管具備足夠多的載流子存貯并能夠及時(shí)驅(qū)散，要求散信號(hào)源必須能輸出足夠大的電流。

采用階躍管電路可以得到較為陡峭的脈沖沿（10 ps量級(jí)），脈沖寬度也能做到很窄（100 ps量級(jí)），但由于器件性能的限制，脈沖輸出幅值較?。ㄒ话爿^大時(shí)可做到幾伏量級(jí)）。該電路常用于倍頻電路或微功率脈沖雷達(dá)（MIR）電路。

1.2 雪崩三極管脈沖產(chǎn)生電路

具有明顯的雪崩效應(yīng)的晶體管稱之為雪崩晶體管[3]，其基本工作電路圖如圖2所示。

在輸入脈沖到來時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)過電容[C]及[RB]作用用于觸發(fā)晶體管T的雪崩狀態(tài)，迅速進(jìn)入雪崩區(qū)并處于低阻狀態(tài)，電容[C2]上存貯的電荷此時(shí)則通過T及[RL]放電，其放電時(shí)間常數(shù)近似為[RLC2，]當(dāng)放電完畢時(shí)晶體管T的雪崩狀態(tài)也停止，T再次進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，偏置電壓[VCC]再次給電容[C2]充電，為下次的觸發(fā)做準(zhǔn)備，這時(shí)充電時(shí)間常數(shù)近似為[R2C2。]可以測到在輸出端產(chǎn)生了一個(gè)幅值較高的正窄脈沖。在電路中[C2]的電容值與生成脈沖的幅度有關(guān)，當(dāng)電容值大時(shí)脈沖幅值高，但脈沖寬度也會(huì)變大，在應(yīng)用時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況做調(diào)整。

跟據(jù)課題研究的需要和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，本文在階躍恢復(fù)二極管方案中，通過對(duì)階躍二極管建模，優(yōu)化二極管參數(shù)，得到幅度比較高的脈沖信號(hào)，以克服該方案幅度太低的缺陷。在雪崩方案中，結(jié)合MARX電路的原理，設(shè)計(jì)多級(jí)雪崩電路。

2 脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

雪崩晶體管電路產(chǎn)生的脈沖幅度往往有限，不能滿足需要。若要求輸出功率較大時(shí)，可以采用多管聯(lián)合工作方式。電路還采用了雪崩管級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)，這樣可以增加所產(chǎn)生脈沖的幅度，還可以使脈沖的寬度變得更窄。對(duì)皮秒量級(jí)的脈沖電路來說，電路中每個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間延遲都會(huì)對(duì)輸出的脈沖產(chǎn)生影響，使脈沖變寬[4]。為了消除雪崩電路中的依次延時(shí)現(xiàn)象，將同步觸發(fā)脈沖信號(hào)添加到多個(gè)晶體管的基極部分，同時(shí)使晶體管產(chǎn)生雪崩擊穿現(xiàn)象，使負(fù)載上快速的獲得的脈沖的上升段，從而得到陡直的超寬帶脈沖。其脈沖發(fā)生電路原理圖如圖3所示。

雪崩晶體管電路中應(yīng)確定的電路參數(shù)主要有雪崩晶體管，[VCC、]雪崩電容[C、]負(fù)載電阻[R]等[5]。由于晶體管的雪崩性能不能準(zhǔn)確的由直流參數(shù)所表征，一般地，擊穿電壓較低的晶體管雪崩上升時(shí)間會(huì)更快、脈沖重復(fù)周期也會(huì)比較高，然而脈沖的幅度卻比較低，因此在使用的過程中需加以權(quán)衡。本文在脈沖發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)中選擇金屬殼TO?18封裝的2N2369A三極管。該三極管具有比較快的開關(guān)速度，較大的雪崩電流，以及較低的擊穿電壓。

據(jù)圖3所示電路原理圖，采用Protel軟件設(shè)計(jì)了如圖4所示的PCB電路板。

由于采用了級(jí)聯(lián)電路，就要盡量保證各級(jí)同步觸發(fā)，尤其是這個(gè)超寬帶脈沖發(fā)生器電路工作在超高頻狀態(tài)，對(duì)時(shí)間非常敏感，這一點(diǎn)顯得尤為重要。首先為了減小分布參數(shù)的影響，各級(jí)電路需保持一致，各級(jí)電路對(duì)應(yīng)部分應(yīng)盡量采用相同長度和寬度的連線。其次為了減小器件誤差，各級(jí)電路的相應(yīng)元件應(yīng)選用相同型號(hào)，相同批次的產(chǎn)品。最后，為了減少焊接過程中產(chǎn)生的分布誤差，盡量采用貼片式封裝的元件，并且在焊接過程中，應(yīng)保持焊點(diǎn)均勻。

典型的基于階躍恢復(fù)二極管SRD管的超寬帶脈沖發(fā)生電路原理圖如圖5所示。圖中：[V0]為直流偏置電源；[f0]為激勵(lì)脈沖源；[L]是激勵(lì)電感。假設(shè)負(fù)載電阻無限大，則對(duì)于正向流過的電流[i，]階躍二極管等同短路，因此[V]近似為零（接觸電壓）。對(duì)于反向流通的電流[i，]位于階躍二極管上的儲(chǔ)存電荷進(jìn)行放電，這時(shí)[V]仍為0（但實(shí)際為導(dǎo)通電壓）。但是當(dāng)儲(chǔ)存電荷快要放電完畢時(shí)，電流要突然減小，而電感作為一個(gè)慣性元件，將不使其變小，而產(chǎn)生一個(gè)反向感應(yīng)電壓，這時(shí)二極管上有一個(gè)反向高壓脈沖出現(xiàn)，此后，二極管重復(fù)上述的周期過程。

圖5 超寬帶脈沖發(fā)生電路原理圖

在二極管的導(dǎo)通期間，脈沖發(fā)生器的等效電路如圖4所示，其中信號(hào)源的電壓為[sin（ωt+α），]偏壓為[V，]并且有一個(gè)激勵(lì)電感為[L。]設(shè)[t=0，i=I，]則[L>0]后，電流[i]可以利用暫態(tài)電路的求解方法求出[6]。在二極管的儲(chǔ)存電荷放電完畢后，二極管上的電壓為零，其中電流值為最大。若此時(shí)外加電壓亦為零，則電感兩端的電壓為零，這個(gè)最大電流要開始迅速減小，于是電感上產(chǎn)生一個(gè)反向電壓脈沖。

3 基于CPLD的觸發(fā)脈沖源電路設(shè)計(jì)

在本文中，采用CPLD的方案，利用CPLD輸出脈沖信號(hào)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于可以產(chǎn)生多種類型的觸發(fā)信號(hào)，還可以為以后的工作預(yù)留接口，比如能用CPLD產(chǎn)生編碼脈沖，這種方案靈活、實(shí)用、可擴(kuò)展性強(qiáng)[7]。

本文選用了Altera的MAX3000A系列CPLD中的EPM3064ATC44作為控制器。CPLD外圍電路主要包括電源電路、CPLD配置下載電路、時(shí)鐘電路以及應(yīng)用電路。此處選用的CPLD的芯片的內(nèi)核電壓和I/O電壓均為3.3 V，而電路外部電源輸入為12 V，以需要加電壓轉(zhuǎn)換電路來產(chǎn)生所需要的工作電壓。采用的電源轉(zhuǎn)換芯片是LM7805和AS1117，其中LM7805將直流電壓從12 V變換為5 V，AS1117則將直流電壓從5 V變換為3.3 V。并且在電壓轉(zhuǎn)換芯片兩側(cè)加上10 μF的鉭電容和0.1 μF的瓷片電容起濾波作用。時(shí)鐘電路選用50 MHz的有源晶振，管腳4接電源，管腳2接地，管腳3為時(shí)鐘輸出端。選用的CPLD配置方式為JTAG方式，JTAG接口由4個(gè)必需的信號(hào)TDI，TDO，TMS和TCK，以及1個(gè)可選的信號(hào)TRST構(gòu)成。其中：TDI用于測試數(shù)據(jù)的輸入；TDO用于測試數(shù)據(jù)的輸出；TMS是模式控制管腳，決定JTAG電路內(nèi)部的TAP狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)；TCK是測試時(shí)鐘，其他信號(hào)線都必須與之同步；TRST是一個(gè)可選的信號(hào)，如果JTAG電路不用，可以將它連到地。

如圖6是在QuartusⅡ5.0的開發(fā)環(huán)境中功能仿真結(jié)果圖。圖中：iclk是輸入時(shí)鐘信號(hào)，rst是復(fù)位信號(hào)，oclk是輸出信號(hào)，odclk是延遲的輸出信號(hào)。iclk是周期為50 MHz的時(shí)鐘信號(hào)；oclk是脈寬為20 ns、周期為5 MHz的脈沖序列；odclk與oclk是相同的信號(hào)，只是滯后了20 ns。圖7為兩路波形的實(shí)測結(jié)果，與仿真結(jié)果一致。

4 仿真結(jié)果與分析

對(duì)雪崩三極管的脈沖產(chǎn)生電路進(jìn)行仿真分析。使用Agilent33220A標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器代替觸發(fā)信號(hào)源，觸發(fā)脈沖信號(hào)頻率5 MHz，占空比10%。觸發(fā)脈沖信號(hào)的脈寬為[15 000 000×]10%=20 ns。使用標(biāo)準(zhǔn)直流電壓源做直流偏置電源，輸出電壓設(shè)置為雪崩晶體管的臨界雪崩電壓。測試時(shí)時(shí)分別改變各主要電路元件參數(shù)，來研究各參數(shù)對(duì)電路性能的不同影響。首先測試單級(jí)脈沖雪崩電路，固定負(fù)載電阻[R=51 ]Ω，改變雪崩電容[C]的值。體管的臨界雪崩電壓。然后固定[C=3 ]pF，測試多級(jí)電路的性能。各次測量結(jié)果的數(shù)據(jù)見表1和表2。顯然，雪崩電容越小，儲(chǔ)能越少，得到的脈沖越窄，但是能量比較小，脈沖幅度有限。

由測試結(jié)果可以看出：脈沖寬度受電容影響更大，可以通過改變雪崩電容來調(diào)節(jié)，脈沖幅度受負(fù)載電阻影響比較大，可以通過改變負(fù)載電阻來調(diào)節(jié)。當(dāng)在脈沖幅度與寬度兩者之間進(jìn)行平衡的過程中，可以考慮對(duì)電路中相應(yīng)的元件與參數(shù)進(jìn)行改變，從而獲得不同的UWB脈沖信號(hào)[8]。文中設(shè)計(jì)的雪崩三極管脈沖發(fā)生器能在較低的電源電壓下穩(wěn)定工作，并輸出一定幅度和寬度的超寬帶脈沖信號(hào)，可以達(dá)到5 MHz以上的脈沖重復(fù)工作頻率，且電路結(jié)構(gòu)簡單，滿足在超寬帶引信上使用的需求。

對(duì)階躍恢復(fù)二極管脈沖產(chǎn)生電路進(jìn)行仿真。做仿真前首先要建立SRD的仿真模型[9]。仿真中SRD最核心的參數(shù)是載流子壽命[τ；]PN結(jié)過渡系數(shù)[M。]用PSpice分析時(shí)，根據(jù)選用的階躍管參數(shù)，列出模型主要仿真參數(shù)見表3。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)在PSpice仿真軟件中建立SRD模型，仿真結(jié)果如圖8所示。圖中在階躍管兩端加入負(fù)脈沖，測量階躍管的電流波形。圖8中，二極管出現(xiàn)了明顯的階躍現(xiàn)象，其反相導(dǎo)通時(shí)間約等于載流子壽命[τ。]可見，對(duì)SRD的建模是符合理論分析的。

5 結(jié) 論

本文主要圍繞超寬帶脈沖的產(chǎn)生技術(shù)，首先進(jìn)行了超寬帶脈沖的總體方案設(shè)計(jì)，進(jìn)而提出了一種以振蕩源、儲(chǔ)能元件和高速開關(guān)為主體的UWB脈沖產(chǎn)生電路系統(tǒng)模型。結(jié)合引信探測方面具體要求，選擇了雪崩晶體管和階躍恢復(fù)二極管作為設(shè)計(jì)方案。采用PSpice軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，得到了幅度約為20 V，寬度400 ps的超寬帶脈沖。設(shè)計(jì)出了脈沖發(fā)生器需要的觸發(fā)信號(hào)電路，通過測試對(duì)比單管電路和級(jí)聯(lián)電路的區(qū)別。實(shí)際調(diào)試電路得到了寬度約為1 ns，幅度約24 V的超寬帶脈沖信號(hào)，符合引信上運(yùn)用的需要。CPLD方案比較復(fù)雜，但可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以用程序控制脈沖編碼，也可以產(chǎn)生多路相關(guān)的脈沖序列，可以用在超寬帶脈沖收發(fā)電路中，值得在今后的研究中進(jìn)行更多的應(yīng)用。

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