張穎穎 張盼盼 朱彥龍
(河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院信息科學(xué)與工程系 河南鄭州 451400)
超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)及仿真
張穎穎 張盼盼 朱彥龍
(河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院信息科學(xué)與工程系 河南鄭州 451400)
為滿足探地雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射源的需求,提出一種簡(jiǎn)便的超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)方法。以雙極型射頻晶體管為基礎(chǔ),利用其雪崩特性,通過(guò)并串聯(lián)同步觸發(fā)方式設(shè)計(jì)制作發(fā)生電路。仿真結(jié)果表明,本方法設(shè)計(jì)出的電路能夠滿足一定的指標(biāo)要求。
超寬帶;脈沖發(fā)生電路;晶體管;雪崩特性
近些年來(lái),超寬帶(Ultra Wide Band)無(wú)線通信技術(shù)引起了通信領(lǐng)域的極大重視,并取得了迅猛發(fā)展。相對(duì)于其他通信方式,超寬帶技術(shù)有通信速率高、隱蔽性好、系統(tǒng)容量大、多徑分辨能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)[1]。一般而言,超寬帶技術(shù)分為脈沖UWB技術(shù)及載波調(diào)制UWB技術(shù)。相較于后者,前者的應(yīng)用更加廣泛。由于脈沖UWB技術(shù)直接發(fā)射和接收極窄脈沖信號(hào)進(jìn)行通信,因此,超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生電路是一個(gè)很重要的器件[2]。
超寬帶探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,GPR)系統(tǒng)基于先進(jìn)的瞬態(tài)無(wú)載波電磁脈沖反射原理,是一種新型的探測(cè)工具[3],因其具有高分辨率、高效率、無(wú)損性、結(jié)果簡(jiǎn)單易懂等特點(diǎn)[4],被廣泛地應(yīng)用于考古發(fā)掘、路基結(jié)構(gòu)探測(cè)、地下水污染治理、災(zāi)害地質(zhì)勘察、礦產(chǎn)資源勘探等工程技術(shù)領(lǐng)域[5]。
在探地雷達(dá)系統(tǒng)中,由超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波,電磁波在地下傳播的過(guò)程中,遇到一定電性的目標(biāo)時(shí),發(fā)生一定的反射、折射等現(xiàn)象,根據(jù)接收天線獲取的探地雷達(dá)資料,可以輕松實(shí)現(xiàn)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的判斷[6]、目標(biāo)方位的識(shí)別[3]。因此,設(shè)計(jì)出一種行之有效的脈沖信號(hào)發(fā)生電路,是探地雷達(dá)系統(tǒng)諸多關(guān)鍵技術(shù)中最為重要的一環(huán)。
常見(jiàn)的產(chǎn)生寬度極窄的超寬帶脈沖信號(hào)的電路主要有兩種,一種是電子方法,另一種是光電方法。其中,電子方法又分為兩類:
(1)利用組合邏輯門電路的競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象產(chǎn)生[7]。
此種方式能產(chǎn)生高斯脈沖的各階微分形式,主要缺點(diǎn)是脈沖幅度較低,功耗較大。
(2)利用晶體管的雪崩特性控制儲(chǔ)能電容的方式產(chǎn)生。
相比于第一種方式,此種方式可以產(chǎn)生脈沖幅度較高的近似高斯脈沖信號(hào),功耗也得到一定的控制。
除此以外,也可以利用隧道二極管、階躍恢復(fù)二極管、場(chǎng)效應(yīng)管等集成電路完成窄脈沖信號(hào)的產(chǎn)生[8],但實(shí)現(xiàn)手段復(fù)雜,不夠簡(jiǎn)便。
通常,晶體管的工作特性有四個(gè)個(gè)區(qū)域:截止區(qū)、飽和區(qū)、放大區(qū)和雪崩區(qū)。當(dāng)輸入電壓小于基極-發(fā)射極電壓時(shí),晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置狀態(tài),晶體管工作于截止區(qū)。隨著輸入電壓的增大,發(fā)射結(jié)漸漸地轉(zhuǎn)變?yōu)檎蚱茫娊Y(jié)仍然處于反向偏置狀態(tài)時(shí),晶體管工作于放大區(qū),放大倍數(shù)由晶體管本身的性質(zhì)確定。此時(shí),輸出回路中的電流隨著輸入回路中電流的增大而增大,呈一定的線型關(guān)系。輸出電流在增大的過(guò)程中,最大值受限于電路的外部參數(shù),因此,輸出回路的電流并不能隨著輸入回路電流的增大而一直增大,隨著臨界條件的到來(lái),晶體管脫離放大區(qū),而進(jìn)入飽和區(qū)。
雪崩區(qū)是雪崩晶體管中PN結(jié)所特有的一種現(xiàn)象。當(dāng)晶體管集電結(jié)反向偏置,且處于強(qiáng)電場(chǎng)的作用下,被電場(chǎng)加熱的少數(shù)載流子擁有較高的能量,這些載流子與共價(jià)鍵中的價(jià)電子相互碰撞,把價(jià)電子撞出共價(jià)鍵,形成新的空穴-電子對(duì)。新產(chǎn)生的空穴和電子在被電場(chǎng)加速后,再次碰撞產(chǎn)生新的價(jià)電子。如此循環(huán)往復(fù),載流子便會(huì)產(chǎn)生雪崩式的倍增,致使流過(guò)集電結(jié)的電流急劇增加,這種現(xiàn)象稱之為晶體管的雪崩效應(yīng)。雪崩晶體管工作在雪崩區(qū),并擁有較強(qiáng)的雪崩效應(yīng)。
超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生電路如圖1所示,采用多個(gè)相同規(guī)格參數(shù)的雪崩晶體管并串聯(lián)的結(jié)構(gòu)方式,通過(guò)增大輸出電流,以產(chǎn)生較高幅值的脈沖信號(hào)。其中,R為基極偏置電阻,共4個(gè);RC為晶體管的靜態(tài)負(fù)載電阻,共 4個(gè);RL為動(dòng)態(tài)負(fù)載電阻,且 RC>>RL;C1、C2、C6、C8為雪崩儲(chǔ)能電容,C3、C4、C5、C7為觸發(fā)信號(hào)耦合電容;VCC為脈沖信號(hào)發(fā)生電路的直流電源;選用型號(hào)為NPNBFS17的晶體管作為信號(hào)發(fā)生電路的主要器件,其特征頻率為1GHz,集電極-基極雪崩擊穿電壓為25V,集電極-發(fā)射極雪崩擊穿電壓為15V。
圖1 脈沖信號(hào)發(fā)生電路原理圖
若要獲取幅度較高的高斯脈沖信號(hào),需將電路兩端的輸入脈沖進(jìn)行同步。當(dāng)輸入脈沖未加載到電路中時(shí),晶體管處于截止?fàn)顟B(tài),此時(shí),電容C1、C2、C6、C8在電源電壓的作用下進(jìn)行充電,充電完畢后,電容兩端電壓近似等于電源電壓。當(dāng)輸入脈沖加載到電路中時(shí),基極產(chǎn)生電流,晶體管發(fā)生雪崩擊穿,工作區(qū)由高阻區(qū)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)阻區(qū),儲(chǔ)能電容在晶體管中產(chǎn)生驟然變大的雪崩電流,通過(guò)負(fù)載電阻RL進(jìn)行放電,于是,在RL兩端便產(chǎn)生一個(gè)幅度極窄,幅度極大的脈沖信號(hào)。
3.1 電路器件參數(shù)的選取
3.1.1 雪崩電容 C1、C2、C6、C8
雪崩儲(chǔ)能電容的取值一般較小,選取的測(cè)試范圍為0.5~3pF,通過(guò)仿真得到相應(yīng)結(jié)果,如表1所示。
表1 不同雪崩電容的輸出特性
由表1可知,隨著雪崩電容值的增加,電路輸出脈沖的幅值也就越大,當(dāng)增大至2pF之后,脈沖幅值增大較小,脈沖的寬度相對(duì)較明顯。因此,雪崩電容選取1.4pF,較為合適。
3.1.2 靜態(tài)負(fù)載電阻RC
靜態(tài)電阻的取值一般為幾千歐,選取的測(cè)試范圍為1~5kΩ,通過(guò)仿真得到相應(yīng)的結(jié)果,如表2所示。
表2 不同靜態(tài)負(fù)載的輸出特性
由表2可知,隨著靜態(tài)電阻的漸漸增大,電路輸出脈沖的幅值漸漸變小,脈沖半寬影響較小。因此,負(fù)載電阻選取1kΩ,較為合適。
3.1.3 基極偏置電阻R及耦合電容C
基極偏置電阻及耦合電容一般要滿足以下關(guān)系式:
從而保證輸入脈沖輸入時(shí),電路能夠充電完畢。
綜上所述,脈沖信號(hào)發(fā)生電路中各電子元器件的參數(shù)取值如下:C1、C2、C6、C8為 1.4pF,C3、C4、C5、C7為 51pF,R 為 200Ω,RC為 1kΩ,RL為50Ω。
3.2 電路的仿真結(jié)果
采用ADS2009對(duì)圖1所示電路進(jìn)行仿真,仿真過(guò)程中,直流電源電壓選為25V,電路激勵(lì)為方波信號(hào),周期為100ns,占空比為50%,幅值為5V的方波信號(hào),得到的仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2 脈沖信號(hào)發(fā)生電路ADS仿真結(jié)果
由仿真結(jié)果圖可知,得到的脈沖信號(hào)近似為高斯脈沖信號(hào),幅度值約為10.5V,脈沖半寬近似為400ps,上升沿約500ps,下降沿約1800ps。
針對(duì)探地雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)脈沖源的實(shí)際需求,利用晶體管的雪崩特性,采用多個(gè)晶體管并串聯(lián)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出一種超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生電路的方法。通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)發(fā)生電路的原理分析及相關(guān)參數(shù)的取值討論,仿真得到幅度約為10.5V,脈沖半寬近似為400ps,上升沿約500ps,下降沿約1800ps的高斯脈沖信號(hào)。
在后續(xù)的研究中,將對(duì)仿真電路進(jìn)行PCB制板,進(jìn)一步研究實(shí)際電路中的具體效果。另外,對(duì)于脈沖幅度提升的研究,不同的設(shè)計(jì)方法層出不窮,如何找尋一種實(shí)際的手段,來(lái)滿足日新月異的探地雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)脈沖源的需求,仍然是研究的熱點(diǎn)之一。
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TN78
A
1004-7344(2016)14-0278-02
2016-5-2
張穎穎(1988-),女,漢族,河南鄭州人,碩士研究生,河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院助教,研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理、圖像處理。
張盼盼(1986-),女,漢族,河南武陟人,碩士研究生,河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院助教,研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理。
朱彥龍(1987-),男,漢族,河南蘭考人,碩士研究生,河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院助教,研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理技術(shù)。