摘 要：介紹了一種可用于超寬帶(UWB)穿墻雷達(dá)的脈沖發(fā)生電路，討論并分析了UWB中幾種常用窄脈沖產(chǎn)生方法的特點(diǎn)及其局限性?；谘┍廊龢O管和射頻雙極性晶體管的雪崩特性，設(shè)計并制作了UWB脈沖電路發(fā)生器，指出電路中需要注意的事項及改進(jìn)脈沖性能的方法，并獲得亞納秒級的超短、快速前沿的單極性UWB脈沖，幅度為28 V，寬度為0.95 ns。

關(guān)鍵詞：超寬帶；納秒；脈沖發(fā)生器；雪崩特性；穿墻雷達(dá)；射頻三極管

中圖分類號：TN911文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1004373X(2008)1900703

Design of Ultra-narrow Pulse Generator in Ultra-wideband Through-wall Radar

WANG Bangyao，LIU Xiaoyun

(School of Automation Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，610054，China)

Abstract：A pulse generator used in through-wall Ultra Wideband (UWB) radar is introduced.Several kinds of commonly used narrow pulse generating methods are presented and their merits and limitations are analysed.Based on the avalanche characteristicof avlanch transistor and RF-BJT，sub-nanosecond UWB pulse is designed and fabricated with satisfying result of 28 V amplitude and pulse width of 0.95 ns.Key points and improvements are also discussed.

Keywords：ultra-wideband;nanosecond;pulse generator;avalanche effect;through-wall radar;RF transistor

1 引 言

超寬帶(Ultra Wideband)，也叫作數(shù)據(jù)脈沖，指相對其中心頻率有高比例的帶寬。一般來說任何波形，只要帶寬大于中心頻率的25%，就可認(rèn)為是“超寬帶”。超寬帶使用脈寬很窄的基帶脈沖，典型為納秒級，其頻譜分布覆蓋從低頻至幾萬兆赫的極寬的頻率范圍。相比傳統(tǒng)的通過對載波進(jìn)行各種調(diào)制實(shí)現(xiàn)的“窄帶”通信技術(shù)而言，超寬帶技術(shù)使用納秒甚至是皮秒級的電磁能量脈沖來作為信息的傳輸載體，因此也稱為“無載波”(Carrier-free)、“基帶”(Baseband)技術(shù)。由于脈沖持續(xù)時間極短，導(dǎo)致信號帶寬很大，通常具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術(shù)具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，首先它開辟了一個千兆赫茲容量的新無線信道；其發(fā)射信號的功率譜密度極低，對現(xiàn)有的傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)影響很??；它還強(qiáng)抗截獲和多徑免疫力強(qiáng)，通信抗干擾和保密能力強(qiáng)。另外超寬帶信號有極好的穿透障礙物能力，定位精度高。因此，超寬帶技術(shù)廣泛應(yīng)用于超寬帶通信、穿墻探地雷達(dá)、高速數(shù)據(jù)通信、加速器技術(shù)等領(lǐng)域。

從本質(zhì)上看，UWB技術(shù)就是發(fā)射和接收超短電磁脈沖的技術(shù)，因此，在UWB技術(shù)所有應(yīng)用中如何產(chǎn)生用于信息傳輸?shù)募{秒級窄脈沖成為關(guān)鍵。一般高壓窄脈沖的產(chǎn)生電路主要包括以下幾個部分：直流高壓電源、觸發(fā)系統(tǒng)、高壓主開關(guān)、儲能元件或系統(tǒng)以及脈沖成形系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 一般脈沖源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直流高壓電源為儲能元件或系統(tǒng)提供充電電源，使其能夠達(dá)到一定能量；觸發(fā)系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生合適觸發(fā)脈沖使主開關(guān)開啟；高壓主開關(guān)在未被觸發(fā)時保持關(guān)閉狀態(tài)，使儲能元件能夠儲能，當(dāng)被觸發(fā)后則開啟，儲能元件通過此開關(guān)對負(fù)載放電形成脈沖輸出。

要產(chǎn)生高壓極窄脈沖的技術(shù)核心是要做到高壓快速開關(guān)，這也是本文研究的重點(diǎn)。目前通常用的高壓電子開關(guān)有2類：

(1) 電真空器件以二次電子發(fā)射管、放電間隙開關(guān)、觸發(fā)管、氫閘管等為代表；

(2) 固體器件，以階越恢復(fù)二極管、雪崩三極管、高壓MOSFET管、高頻BJT晶體管為代表。雖然電真空器件脈沖源，就技術(shù)指標(biāo)而言能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，但是其體積龐大，裝置復(fù)雜，需要許多外圍驅(qū)動裝置。其可靠性較低，抖動較大，限制了其應(yīng)用范圍，特別是在無線超寬帶通訊和穿墻探測雷達(dá)等要求精度較高、體積較小的場合，這種缺點(diǎn)顯得尤為突出。而以高頻BJT晶體管和雪崩三極管為代表固體電路方案在脈沖重頻穩(wěn)定度、波形一致性及重頻上限上表現(xiàn)突出，能滿足人們希望實(shí)現(xiàn)高壓快脈沖電路的精確化、小型化和固體化的要求，已成為納秒級脈沖發(fā)生器的首選元件。

2 雪崩三極管窄脈沖的產(chǎn)生原理

雪崩管機(jī)理是基于載流子倍增效應(yīng)。在強(qiáng)電場的加速作用下，阻擋層中的電子獲得了較大的能量，當(dāng)它與附近的原子撞擊時可能產(chǎn)生新的電子空穴對，這種連鎖反應(yīng)即是載流子倍增效應(yīng)。一般來說雪崩三極管的輸出特性有4個區(qū)域：線性區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)與雪崩區(qū)。對NPN型晶體管，雪崩區(qū)是當(dāng)基極注入為負(fù)值(IB<0)時，基射結(jié)處于反向偏置，集電極電流IC隨集電極電壓UCE和-IB急劇變化的區(qū)域。圖2中BVCEO到BVCBO之間的區(qū)域就是雪崩區(qū)。圖中BVCEO是基極開路時，集電極與射極之間的擊穿電壓；BVCBO是射極開路時，集電極與基極之間的擊穿電壓。

圖2 雪崩區(qū)擊穿電壓間的關(guān)系

當(dāng)雪崩過程發(fā)生時，集電極電流IC與發(fā)射極電流IE之間的關(guān)系是:

IC=α*=αMIE

式中α為共基低電壓的電流放大系數(shù)；α*為共基雪崩區(qū)的電流放大系數(shù)；M為倍增系數(shù)，它表征在雪崩區(qū)域內(nèi)電流倍增的程度。

M=11-(UCE/BVCEO)m

其中：m為與材料有關(guān)的系數(shù)。對于p型硅材料m=2；n型硅材料m=4。上式表明，在雪崩區(qū)域內(nèi)，集電極電流隨集電極電壓的變化比較急劇，比低電壓集電極電流增大M倍。

利用BJT的雪崩特性產(chǎn)生窄脈沖的基本電路如圖3所示。

沒有觸發(fā)脈沖輸入時，雪崩三極管基極處于反向偏置，高壓直流電源VCC經(jīng)過大阻值限流電阻RC加到三極管的集電極，并經(jīng)過RC，RL給C充電。此時，雪崩三極管處于截止?fàn)顟B(tài)和臨界雪崩狀態(tài)。儲能電容C進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后兩端電壓為UCE約為VCC。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)，三極管迅速進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，儲能電容C通過雪崩三極管和負(fù)載電阻RL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，由于基極輸入觸發(fā)脈沖的寬度比較寬，上升時間長，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)，VCC通過限流電阻RC和負(fù)載電阻RL向C充電，經(jīng)過大約(3~5)(RC+RL)×C的恢復(fù)時間，儲能電容C進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，兩端電壓近似為VCC，為下一次觸發(fā)作好準(zhǔn)備。由上面可以看出，由于三極管雪崩效應(yīng)，儲能電容C的放電過程非?？臁放電時，在負(fù)載電阻RL上形成一個很窄的負(fù)極性脈沖輸出。由于RCRL，所以C充電時，RL上的電壓很小，可以忽略。

圖3 單級雪崩管脈沖發(fā)生器電路圖

雪崩脈沖電路的工作頻率，主要取決于電源電壓對RC，RL，C的充電時間常數(shù)τ=(RC + RL)C。RL通常為50 Ω，RC通常選為幾千歐姆到幾十千歐姆，所以充電時間常數(shù)τRCC。要使脈沖重復(fù)頻率(PRF)提高，必須使RC盡量小，即減小電路RCC恢復(fù)時間，使得雪崩電路能夠較快的恢復(fù)，要保證觸發(fā)脈沖來到時，C已充電完畢，電源電壓經(jīng)RC對C的充電時間常數(shù)必須小于觸發(fā)脈沖的周期T，即(3～5)τ

總之，雪崩脈沖產(chǎn)生電路中的元件的選取并不完全是由某一因素所決定的，必須合理地考慮各個參數(shù)之間的相互關(guān)系，基本的原則就是要求保證電路能夠穩(wěn)定可靠地工作，同時滿足相應(yīng)的指標(biāo)要求。

3 多級并聯(lián)改善脈沖特性

多級并聯(lián)，就是多個雪崩管由電源并聯(lián)充電，然后串聯(lián)向負(fù)載放電。它具有突出優(yōu)點(diǎn)：可以以較低的電源電壓得到較高的輸出脈沖，幅度遠(yuǎn)高于電源電壓。圖4是一個5級雪崩管并聯(lián)的脈沖源發(fā)生電路。

圖4 多級雪崩管并聯(lián)的脈沖源發(fā)生器

下面分析一下其脈沖發(fā)生機(jī)理。觸發(fā)脈沖加入前，各雪崩管截止，但已處于臨界雪崩狀態(tài)。C1~C5各電容均充有直流偏置電源電壓EC。觸發(fā)脈沖加入后，首先引起T1雪崩擊穿，于是C2左端電勢等于C1右端電勢，即等于EC，記作：UC2-LEFT=UC1-RHGTEC，而且，電容充電后，其上面所充電荷，不會瞬間放電完畢，因而兩端電勢差幾乎維持不變，即有UC2-LEFT=UC2-RHGT+ECEC+EC=2EC，此時，在C2右端，可得到兩倍EC的瞬間電勢。以此類推，在C5右端，將得到幾乎5倍EC的瞬間電勢。當(dāng)然，由于電容 C1～C5此時相當(dāng)于串聯(lián)，并由C1左端對地、C5右端對地放電，所以此電勢將迅速凋落，從而形成脈沖波形。電路兩端均接入負(fù)載可以有效防止反射，以獲得較好波形，在RL1上獲得正脈沖，RL2上獲得負(fù)脈沖。缺點(diǎn)是輸出脈沖幅度減半。

多級并聯(lián)時，有幾點(diǎn)特別需要注意：

(1) 觸發(fā)脈沖和產(chǎn)生的脈沖之間的共地問題成了多級并聯(lián)觸發(fā)電路需要解決的首要問題。在單級脈沖產(chǎn)生電路中(如圖3)，觸發(fā)脈沖Vi的接地端和產(chǎn)生的脈沖接地端是共地的，不存在任何問題，而在多級并聯(lián)電路中(如圖4)，觸發(fā)脈沖的接地端和產(chǎn)生脈沖的接地端無法直接連在一起。將觸發(fā)脈沖的地和產(chǎn)生脈沖的地通過一個變壓器耦合隔離后可以有效隔離解決這個問題，另外要合適選擇觸發(fā)脈沖的微分電路來調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比，防止占空比過大使雪崩管功率過大發(fā)熱而燒毀。

(2) 儀器電源、開關(guān)電源、示波器、脈沖源電路板，觸發(fā)源電路板都需用粗電線接到一個板上，再統(tǒng)一接到大地上。由于產(chǎn)生的高壓脈沖很窄(高頻)，如果接地不夠好，將使系統(tǒng)的地是“浮地”，從而使得到的波形是虛假的。

4 試驗(yàn)結(jié)果

(1) 采用雪崩三極管ZTX415

該雪崩管瞬時雪崩電流達(dá)60 A，VCEO和VCBO值分別為100 V和260 V。實(shí)驗(yàn)時逐漸增加雪崩管的并聯(lián)級數(shù)。隨著級數(shù)的增加，脈沖的幅度和寬度都有改善，當(dāng)級連4級時得到了脈沖寬度2.78 ns，幅度超過300 V，重復(fù)頻率為10 kHz的波形。級連到6級，最終脈沖寬度為2.7 ns。繼續(xù)級連更多雪崩管已經(jīng)無法再改善脈沖寬度，波形的拖尾卻變得更長了。脈沖的上升時間一直是2 ns左右，沒有隨級數(shù)的增加而減小。

這是因?yàn)殡S著級數(shù)的增加，回路的等效電感增加，直接影響電流的變化速度；級連使電路的等效電阻增加，因此負(fù)載上獲得的波形幅度不會一直增大，分布參數(shù)使得波形變差。

(2) 采用射頻三極管MMBT3904

[JP2]MMBT3904的VCBO和VCEO分別為60 V和40 V，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得，MMBT3904的雪崩電壓實(shí)際接近80 V左右。經(jīng)過單級雪崩實(shí)驗(yàn)的得知，MMBT3904的雪崩電流遠(yuǎn)沒有ZTX415雪崩管大，但上升時間比ZTX415雪崩管短，實(shí)驗(yàn)測得兩級MMBT3904級連電路產(chǎn)生的脈沖上升時間為0.9 ns。當(dāng)把MMBT3904級連到4~5級后，得到最理想的脈沖，其幅度為114 V，脈寬2.42 ns，上升時間為0.73 ns，下降時間為2.80 ns。[JP]

5 改善脈沖波形的方法

(1) 在末端負(fù)載前串聯(lián)一個三極管可以有效防止波形反射和減少放電時間。這是因?yàn)楫?dāng)末端電容在放電后電量減少到一定程度后三極管便截止，從而減少放電時間使脈寬變小。

(2) 末端電容銳化法，即在末端負(fù)載前串接一適當(dāng)電容。當(dāng)脈沖變化速度快時，電容等效為短路，當(dāng)脈沖拖尾時，輸出便自行截止。

當(dāng)采用上述方法后，對MMBT3904級聯(lián)電路取銳化電容4.7 pF，最終得到幅度28 V，0.95 ns的窄脈沖。

本文分析了雪崩三極管產(chǎn)生窄脈沖的機(jī)理，采用雪崩管多級并聯(lián)的方法產(chǎn)生了幅度超過300 V，脈寬2.78 ns的窄脈沖；采用高頻晶體管多級并聯(lián)電路產(chǎn)生114 V，脈寬2.42 ns的窄脈沖。采用電容銳化法，最終得到幅度28 V，0.95 ns的脈沖。本文設(shè)計與制作的電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，性能穩(wěn)定。該窄脈沖可以應(yīng)用于超寬帶無線通訊和穿墻探地雷達(dá)。

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作者簡介

王幫耀 男，1981年出生，研究生。主要從事超寬帶穿墻雷達(dá)方面的研究工作。

劉曉云 女，1963年出生，副教授。主要從事數(shù)字圖像處理、智能信息處理技術(shù)方面的教學(xué)和研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文