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

1 引言

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。

2 晶體管的雪崩效應(yīng)

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)。

3 脈沖信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)及仿真

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。

4 結(jié)論

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。

[1]Rolf K，Marcos D K.Short-range wireless communications[M].West Sussex：John Wiley&SonsLtd，2009：97～112.

[2]崔意奇.UWB 脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：湘潭大學(xué)，2010.

[3]朱彥龍.極化探地雷達(dá)時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)分析及其應(yīng)用研究[D].桂林：桂林電子科技大學(xué)，2015.

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[5]曾媛媛.探地雷達(dá)淺層小目標(biāo)回波信號(hào)處理方法研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[6]朱彥龍，歐陽(yáng)繕，周麗軍.探地雷達(dá)瞬態(tài)晚時(shí)響應(yīng)開(kāi)始時(shí)刻的估計(jì)方法[J].信號(hào)處理，2016，32（1）：98～104.

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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)。