楊金鋼，謝 嘉，李紅英，和先孟，周祖國(guó)

（西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)源主要用于超寬帶無(wú)線(xiàn)電通信等領(lǐng)域，隨著國(guó)內(nèi)外元器件的快速發(fā)展，窄脈沖源的實(shí)現(xiàn)方法很多。早期主要有利用火花隙產(chǎn)生的窄脈沖及利用雪崩管的“雪崩”效應(yīng)產(chǎn)生的窄脈沖［1］。當(dāng)前產(chǎn)生納秒級(jí)窄脈沖的方法也可歸為兩大類(lèi)：一類(lèi)是采用低功率CMOS電路來(lái)設(shè)計(jì)并生成脈沖信號(hào)［2］；另一類(lèi)是采用階躍恢復(fù)二極管［3］（以下簡(jiǎn)稱(chēng)階躍管）與場(chǎng)效應(yīng)管、肖特基二極管或是與PIN管組合構(gòu)成的電路［2］。利用火花隙及雪崩管的“雪崩”效應(yīng)的窄脈沖源，存在電壓高、功耗大、體積大等缺點(diǎn)；采用低功率CMOS電路產(chǎn)生的窄脈沖信號(hào)存在幅度小、重復(fù)頻率低等缺點(diǎn)。采用階躍恢復(fù)二極管與場(chǎng)效應(yīng)管、肖特基二極管或是與PIN管組合構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn)的窄脈沖雖可以彌補(bǔ)上述的一些不足，但其脈沖幅度的輸出仍小于其工作電壓。

本文提出了一種采用階躍恢復(fù)二極管在雙極型晶體管的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)工作于低電壓的大幅度納秒級(jí)窄脈沖源的方法。

1 傳統(tǒng)階躍管產(chǎn)生窄脈沖原理與方法

1.1 基本方法與原理

階躍管的電流階躍特性，即階躍管由導(dǎo)通恢復(fù)到截止出現(xiàn)了電流突變。目前各型號(hào)的階躍管階躍時(shí)間（電流突變時(shí)間）一般均小于200 ps，因此可利用階躍管極小的電流階躍時(shí)間，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)極窄脈沖信號(hào)，該方法是當(dāng)前用階躍管實(shí)現(xiàn)窄脈沖的傳統(tǒng)方法。階躍管實(shí)現(xiàn)窄脈沖的原理如圖1所示。

圖1 階躍管產(chǎn)生窄脈沖原理框圖Fig.1 Principle of generating narr ow i mpulse by step recovery diode

當(dāng)激勵(lì)源的正半周加在階躍管上，管子開(kāi)始導(dǎo)通，處于正向?qū)顟B(tài)，此時(shí)階躍管相當(dāng)于一個(gè)大擴(kuò)散電容，激勵(lì)信號(hào)對(duì)其充電，因此有大量的電荷被儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)激勵(lì)源的負(fù)半周加在階躍管上，由于階躍管儲(chǔ)存了大量的電荷，電流不能立刻為零，而是直到儲(chǔ)存的電荷耗盡時(shí)，反向電流才迅速下降到反向飽和電流，并最終形成電流的階躍輸出［4］。然后通過(guò)微分整形和匹配設(shè)計(jì)，輸出窄脈沖信號(hào)。

1.2 常見(jiàn)階躍管產(chǎn)生窄脈沖電路

目前利用階躍管產(chǎn)生窄脈沖的方法有以下兩種電路［5－6］，電路如圖2、圖3所示。

圖2 無(wú)電壓偏置窄脈沖產(chǎn)生電路圖Fig.2 Circuit of generating narrow i mpulse without offset voltage

圖2 中：激勵(lì)源為脈沖，并利用電感激勵(lì)階躍管，產(chǎn)生一持續(xù)時(shí)間極短的快脈沖。該電路具有電路簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于沒(méi)有外圍的電壓偏置電路，使得階躍開(kāi)始的時(shí)間無(wú)法出現(xiàn)在反向電流達(dá)到最大值的時(shí)刻，所以其脈沖寬度和脈沖幅度電路存在嚴(yán)重矛盾，很難提高脈沖幅度。當(dāng)脈寬約1 ns時(shí)，其幅度僅能達(dá)到4 V，無(wú)法保證信號(hào)能量的傳輸，但對(duì)于一些對(duì)信號(hào)能量無(wú)要求的應(yīng)用場(chǎng)合，該電路具有一定優(yōu)勢(shì)。

圖3 帶電壓偏置窄脈沖產(chǎn)生電路圖Fig.3 Circuit of generating narrow impulse with offset voltage

圖3 中：激勵(lì)源為正弦信號(hào)，通過(guò)外加偏置電路和匹配電路，經(jīng)反復(fù)調(diào)試后，基本能保證階躍在反向電流達(dá)到最大值的時(shí)刻開(kāi)始，從而提高了該脈沖發(fā)生器的輸出脈沖幅度。但該電路在調(diào)試上存在一定難度。因此該電路僅適合于原理性驗(yàn)證，一般不在工程上使用。

2 晶體管驅(qū)動(dòng)階躍管產(chǎn)生窄脈沖方法

上述兩種用階躍管產(chǎn)生窄脈沖的傳統(tǒng)方法，主要存在以下缺點(diǎn)：

1）易受器件參數(shù)散差的影響，調(diào)試難度大；

2）無(wú)法輸出大幅度窄脈沖信號(hào)；

3）輸出脈沖寬度、形式調(diào)整困難。

為解決上述的不足，采用階躍恢復(fù)二極管在雙極型晶體管的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)工作于低電壓的大幅度納秒級(jí)窄脈沖。該電路利用階躍管的“階躍特性”，并結(jié)合晶體管的驅(qū)動(dòng)，對(duì)階躍管的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，原理框圖如圖4所示，由方波激勵(lì)源、晶體管驅(qū)動(dòng)電路、階躍輸出電路及微分電路組成。

要產(chǎn)生大幅度窄脈沖，通常要求階躍開(kāi)始的時(shí)間選擇在反向電流達(dá)到最大值的時(shí)刻。因此可利用具有極高特征頻率的晶體管，使其工作在截止區(qū)與飽和區(qū)之間轉(zhuǎn)換，輸出一個(gè)幅度大、下降沿陡的方波作為激勵(lì)源，達(dá)到大幅度窄脈沖的輸出。

圖4 階躍管驅(qū)動(dòng)改進(jìn)后窄脈沖產(chǎn)生原理框圖Fig.4 Principle of generating narrow i mpulse by step recovery diode after i mproved

為使晶體管工作在截止區(qū)與飽和區(qū)之間轉(zhuǎn)換，選擇占空比可調(diào)的方波信號(hào)作為激勵(lì)源，經(jīng)波形變換和晶體管驅(qū)動(dòng)，輸出一個(gè)具有下降沿很陡的“二次方波”（階躍管的激勵(lì)信號(hào)），并適當(dāng)調(diào)整方波的占空比，保證階躍開(kāi)始的時(shí)間選擇在反向電流達(dá)到最大值的時(shí)刻，最終經(jīng)階躍管的階躍特性和微分電路輸出大幅度納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)，電路如圖5所示。

圖5 晶體管驅(qū)動(dòng)階躍管產(chǎn)生窄脈沖電路圖Fig.5 Circuit of generating narrow i mpulse by step recover y diode with transistor driving

電路主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）激勵(lì)源為容易實(shí)現(xiàn)的方波信號(hào)；

2）外圍電路簡(jiǎn)單，工程上易實(shí)現(xiàn)，調(diào)試容易；

3）輸出脈沖幅度、脈寬及形式均可調(diào)。

3 電路仿真

為驗(yàn)證該方法的可行性，通過(guò)Or CAD軟件及修改器件的SPICE模型參數(shù)進(jìn)行晶體管驅(qū)動(dòng)階躍管產(chǎn)生窄脈沖電路的仿真?；緟?shù)：輸入信號(hào)為重復(fù)頻率10 MHz，占空比1：10的方波信號(hào)，L1、L2一般為幾十n H，C3一般為幾PF，工作電壓為5 V。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 一階高斯窄脈沖仿真圖Fig.6 Si mulation of a first-order Gauss narrow i mpulse

圖7 零階高斯窄脈沖仿真圖Fig.7 Si mulation of zero order Gauss narrow i mpulse

圖6 、圖7仿真表明：階躍管激勵(lì)源改進(jìn)后的窄脈沖產(chǎn)生電路可行，且通過(guò)適當(dāng)調(diào)整L1、L2，可以輸出不同形式的窄脈沖。

4 實(shí)物測(cè)試

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)物進(jìn)行了調(diào)試及測(cè)試，實(shí)物如圖8所示。經(jīng)實(shí)物調(diào)試后，該電路還有以下2個(gè)補(bǔ)充說(shuō)明：

1）雙極型晶體管的選擇，主要取決于晶體管的特征頻率，經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證，最終選擇了特征頻率不小于6 GHz的晶體管；

2）微分整形電路由C3、L2組成，C3基本決定脈寬、L2基本決定脈沖形式。

在負(fù)載輸出端利用Tek DPO 70404（4 G帶寬、25 GS／s采樣率）的示波器測(cè)試，測(cè)試波形如圖9、圖10所示。圖9：實(shí)際電路工作電壓12 V，輸出脈沖幅度V≈13 V，脈寬τ≈0.8 ns的一階高斯窄脈沖源；圖10：實(shí)際電路工作電壓12 V，其輸出脈沖幅度V≈12 V、脈寬τ≈0.7 ns的零階高斯窄脈沖源。由于分布參數(shù)、PCB布線(xiàn)和電容、電感的損耗等因素，實(shí)測(cè)波形振鈴要大一些，但仍與圖6、圖7仿真波形基本相似。

圖8 信號(hào)發(fā)生器實(shí)物照片F(xiàn)ig.8 Photos of real subject

圖9 實(shí)測(cè)一階高斯脈沖信號(hào)（探頭23 d B衰減）Fig.9 Measure of a first-or der Gauss i mpulse signal（Probe attenuating 23 d B）

圖10 實(shí)測(cè)零階高斯脈沖信號(hào)（探頭23 d B衰減）Fig.10 Measure of zero order Gauss impulse signal（Probe attenuating 23 d B）

5 結(jié)論

本文提出一種采用階躍恢復(fù)二極管在雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)工作于低電壓的大幅度納秒級(jí)窄脈沖源的方法，它以階躍管與雙極型晶體管為核心，并利用階躍管的階躍特性和晶體管的驅(qū)動(dòng)共同實(shí)現(xiàn)了窄脈沖的產(chǎn)生。電路主要由晶體管驅(qū)動(dòng)、階躍輸出、微分整形等單元電路構(gòu)成。仿真和測(cè)試表明：該電路的工作電壓范圍廣，具有輸出幅度不小于工作電壓、脈寬可調(diào)、易調(diào)、脈沖形式可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于集成、對(duì)PCB工藝要求不高等優(yōu)點(diǎn)，適用于超寬帶系統(tǒng)中窄脈沖的產(chǎn)生。研究還發(fā)現(xiàn)，其對(duì)提高超寬帶沖激引信的探測(cè)距離起到了關(guān)鍵作用。

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