CN101257293A - 利用非线性传输线的脉冲生成器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种脉冲生成器，包括：能够得到具有较小半值宽度和较大振幅的脉冲的非线性传输线，其中多个具有单位线单元和二极管的传输线单元被串联连接；连接到非线性传输线的传输端的脉冲生成器；以及连接到非线性传输线的接收端的偏压相关元件，其中传输线单元中的二极管的阳极连接到传输线而阴极接地，并且偏压相关元件的一端连接到传输线的接收端而另一端被偏置到负电势。

Description

利用非线性传输线的脉冲生成器
相关申请的交叉引用
本发明基于并主张2007年2月26日递交的在先日本专利申请NO.2007-045925的优先权，该日本专利申请的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
在此描述的技术涉及生成极窄脉冲的脉冲生成器，并且更具体地涉及利用连接二极管的非线性传输线的脉冲生成器。
背景技术
从脉冲生成器中输出的脉冲包括在从直流到高频的较广范围内的频率分量，因此，脉冲生成器被广泛用于宽带无线电通信系统或者生成示波器的采样脉冲的测量系统。
图1是示出在宽带无线电通信系统中的脉冲生成器的示例的示图。如图1所示，由脉冲生成器12生成的脉冲对基带信号生成器11生成的基带(震荡)信号进行调制，并且之后由带通滤波器13对其进行滤波，在传输放大器14中对其进行放大并且经由发射/接收切换开关15将其从天线16发射。另一方面，由发射天线16接收的无线电波经由发射/接收切换开关15被传输到接收放大器并且在那里被放大，然后，由带通滤波器18对其进行滤波，在检测器19中进行检测，并且在基带信号再生器20中进行再生。
如图示意性示出的，在从天线16发射的信号中，具有脉冲的部分对应于数据值“1”并且不具有脉冲的部分对应于数据值“0”。为了增大可以传输的信息量，需要使得用于数据的时间(数据宽度)变短从而使脉冲变窄。
在脉冲生成器之中，由于通过传输线的非线性来缩减脉宽的影响，使得利用非线性传输线的脉冲生成器能够生成极窄脉冲，该极窄脉冲的半值宽度(half value width)为几个皮秒。可以将脉冲生成器应用于下一代宽带无线电通信系统或者测量系统。
例如在如下的文献中描述了使用非线性传输线的脉冲生成器，“Generation of 3.5-ps fall-time shock waves on a monolithic GaAs nonlineartransmission line”，Madden，C.J.；Rodwell，M.J.W.；Marslanad，R.A.；Bloom，D.M.；Pao，Y.C.，IEEE Electron Device Letters vol.9，no.6 Pages：303-305 1988。
图2A和2B是示出在上述文献中描述的使用非线性传输线的脉冲生成器的示图：图2A示出其配置；并且图2B示出该脉冲生成器的特性(输入信号和输出信号)。如图2A所示，使用传统非线性传输线的脉冲生成器具有生成脉冲信号的脉冲生成源21、非线性传输线22、终端电阻器23和输入电阻器24，在所述非线性传输线22中，诸如具有单位线单元(unitline unit)P1和二极管D1的传输线单元、具有P2和D2的传输线单元、具有P3和D3的传输线单元等之类的多个传输线单元被串联连接。如图2B所示，当来自脉冲生成源21的脉冲被输入到线的传输端时，在通过线传播脉冲信号的过程中，由于二极管的非线性效应使得信号的下降逐渐变陡。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种脉冲生成器，包括：非线性传输线，其中多个具有单位线单元和二极管的传输线单元被串联连接；连接到非线性传输线的传输端的脉冲生成器；以及连接到非线性传输线的接收端的偏压相关(bias-dependent)元件，其中传输线单元中的二极管的阳极连接到传输线而阴极接地，并且其中偏压相关元件的一端连接到传输线的接收端而另一端被偏置到负电势。
附图说明
通过结合附图的以下描述，将更清楚地理解所述特征和优点，其中：
图1是对在脉冲生成器中生成的脉冲的使用示例进行说明的示图。
图2A和2B是示出利用传统非线性传输线的脉冲生成器的配置和电路特性的示图。
图3A和图3B是解释在传统示例中尾部变缓的原因的示图。
图4A到图4C是对实施例中的脉冲生成器的原理进行说明的示图。
图5是示出实施例中的脉冲生成器的配置的示图。
图6是示出在实施例的脉冲生成器中所使用的放大器的配置的示图。
图7是示出实施例中的脉冲生成器的输出信号特性(电路特性)的示图。
图8是示出实施例中的脉冲生成器的修改示例的配置的示图。
图9是示出实施例中的脉冲生成器的输出信号特性(电路特性)的示图。
具体实施方式
在对实施例进行说明之前，将参考图3A和图3B来解释在利用传统非线性传输线的脉冲生成器中上升尾部(tail)变缓的原因。如图3A所示，假设从0.8V降至0V然后回升到0.8V的脉冲被输入。如图3B所示，在构成非线性传输线的二极管D的端子之间的电容依赖于二极管两端的端子之间的电压，也就是说，端子之间的电容随着从V3/2到V2的端子之间的电压V增大。因此，当端子之间的电压为VON或者更高时，端子之间的电压快速增大。对于通过非线性传输线传播的信号而言，因此当电压电平为VON或者更低时二极管电容较小，并且当电压电平为VON或者更高时二极管电容快速增大。在此，用(LC)-1/2(L：线电感，C：线电容)来表示二极管电容的传播速度。因此，当信号电平为VON或者更低时，二极管的电容较小，传播速度增大，并且信号快速改变。与之相反，当信号电平为VON或者更高时，二极管的电容快速增大，传播速度降低，并且信号的改变变得缓慢。因此，尾部出现。
与此相对的，如图4A所示，偏压相关元件31被连接到非线性传输线22的接收端。偏压相关元件31的一个端子连接到传输线的接收端，另一个端子被偏置到处于预定电势的电源。
如图4B所示，偏压相关元件31的电抗具有如下的特性：其在端子之间的电压小于预定值VC时具有较大值，并且在端子之间的电压大于预定值VC时具有较小值。因此，当电平较低时，到达接收端的信号被输入处于断路状态(open state)的电路，而当电平较高时，所述信号被输入处于短路状态的电路。如图4C所示，当具有尾部的信号从非线性传输线到达偏压相关元件31的部分时，振幅较大的接近脉冲峰值的部分变为断路，因此发生同相全反射，并且在最大值处接收端的入射波和反射波的总电势翻倍。与之相反，出现尾部并且振幅较小的部分被短路，因此发生反相全反射。因此，入射波和反射波彼此抵消以形成总电势并且尾部变小。作为尾部缩减的结果，脉冲振幅也会增大。
图5是示出本实施例中的脉冲生成器的配置的示图。
如图示意性示出的，本实施例中的脉冲生成器具有脉冲生成源21、非线性传输线22、输入电阻器24、偏压相关元件31和放大器32，在所述非线性传输线22中，诸如具有单位线单元P1和二极管D1的传输线单元、具有P2和D2的传输线单元等之类的多个传输线单元被串联连接。
通过使用在InP基片上形成的共面线(线宽20μm，间隔15μm)P1、P2...和具有在InP基片上形成的高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅极肖特基二极管D1、D2...来实现非线性传输线22。传输线P1、P2...的长度分别是48μm，并且二极管D1、D2...的栅极宽度分别是20μm。传输线P1、P2...的阻抗Z0是50Ω。如图示意性示出的，二极管D1、D2...的一端(阳极)连接到传输线并且另一端(阴极)接地。在传输端处，设置50Ω的输入电阻器24，并且经由输入电阻器24从脉冲生成源21输入如图所示的脉冲信号，该脉冲信号从0V降至-0.8V然后回升到0V。偏压相关元件31具有这样的电路配置，其中将具有0.48μm的栅极长度和5μm的栅极宽度的两个二极管D11和D12阴极彼此相对地连接，此外将0.3nH的电感L并联连接到其两端。偏压相关元件31的一端连接到非线性传输线22的接收端，并且另一端被偏置到-0.1V。当两个二极管彼此相对时，当偏压较低时电容值较大并且当偏压较高时电容值较小，因此可以得到类似于在图4B中示出的特性的特性。因此，通过如上所述的举措减小了尾部长度。
为了得到更大的脉冲振幅，使用作偏压相关元件31的二极管D11和D12的电抗具有比非线性传输线22的特性阻抗更大的值。在考虑到在脉冲快速改变的接近峰值部分与脉冲缓慢改变的尾部部分之间所包含的频率分量不同这一事实的前提下配置电感L。脉冲在尾部部分改变缓慢，因此电感实质上被短路，并且在脉冲峰值部分快速改变，因此电感实质上被断路。通过这种方式，电感L还用于减小尾部长度。如以上所说明的，彼此相对地连接的二极管D11和D12以及电感L增大了缩减尾部长度和增大脉冲振幅的效果。
图6是示出放大器32的电路配置的示图。如图示意性示出的，放大器32由源极跟随电路组成，其中具有0.13μm的栅极长度和20μm的栅极宽度的两个InP HEMT被串联连接。该放大器的输入阻抗为5kΩ。
图7示出当将脉宽为10ps并且振幅为0.8V(从0V到-0.8V)的脉冲应用于图5中的实施例的脉冲生成器时的输出信号波形。此外，图7还示出用作参考的当将相同脉冲应用于在图2中的传统电路的接收端处添加了放大器的配置时的输出信号波形。在任一示例中，放大器的输入阻抗是5kΩ。在偏压相关元件31和放大器32之间的导线长度是50μm。如果偏压相关元件31和放大器32彼此不足够接近，那么将不能够得到由偏压相关元件引起的效果，因为信号相位在其间改变。因此，期望配置偏压相关元件31和放大器32使得其间距离最短。从上述观点出发，在本实施例中的50μm的距离是足够短的距离，并且可以得到由偏压相关元件31引起的效果。如果在InP基片上集成非线性传输线22、偏压相关元件31和源极跟随放大器32，那么将偏压相关元件31和放大器32配置为彼此接近至大约50μm是可以实现的。
如图7所示，虽然因较大尾部导致在传统电路中半值宽度为4.5ps并且距峰值的脉宽为0.8V，但是在本实施例的电路中，其得到了相当可观地改善，例如半值宽度为1.7ps并且距峰值的脉宽为1.4V。换言之，脉冲的半值宽度被减小到38％并且脉冲幅度增大到传统脉冲幅度的175％。此外，如图7所示，脉冲的电压值在降低到峰值之后上升，然而，在回升到0V的过程期间出现了较小峰值。当被用作脉冲信号时，有效脉冲底(pulse base)是直到出现峰值为止的宽度，因此，此部分被假设为底并且距峰值的电势差被假设为脉冲振幅，并且因此由其值是从底到峰值的一半的部分来定义半值宽度。
图8是示出图5的实施例中的脉冲生成器的修改示例的配置的示图。图8中的修改示例是这样的示例，其中放大器32被去除并且50Ω的终端电阻器34被串联连接到图5中脉冲生成器配置中的接收端。此外，也可以将放大器32连接到图8中的接收端，并且可以将这种情况视为将具有50Ω的输入阻抗的放大器用作图5的配置中的放大器32的情况。
图9示出图8中的修改示例的电路特性，也就是说，在与图7的条件相同的条件下的输出信号波形。在该情况下，虽然在传统电路中半值宽度为2.7ps并且距峰值的脉宽为0.68V，但是在修改示例的电路中，其得到了相当可观地改善，例如半值宽度为2.4ps并且距峰值的脉宽为0.75V。因此，脉冲的半值宽度被减小到传统半值宽度的90％，并且脉宽增大到传统脉宽的110％。
通常使用与传输线的特性阻抗匹配的电阻元件作为传输线的接收端。然而，在利用非线性传输线的脉冲生成器的情况下，不能够通过终端电阻器来消除波形的不完善。如在本发明中示出的，当利用非线性传输线时，通过将偏压相关元件用作终端元件来对波形进行整形的技术是有效的。
可以将上述配置应用于利用非线性传输线的脉冲生成器。
因上述配置导致可以生成极窄脉冲，因此其对于实现下一代超宽带无线电传输系统或者甚高速采样示波器而言是有用的。

Claims (15)

1.一种脉冲生成器，包括：
非线性传输线，其中多个具有单位线单元和二极管的传输线单元被串联连接；
连接到所述非线性传输线的传输端的脉冲生成器；以及
连接到所述非线性传输线的接收端的偏压相关元件，
其中所述传输线单元中的所述二极管的阳极连接到所述传输线并且所述传输线单元中的所述二极管的阴极接地，并且
其中所述偏压相关元件的一端连接到所述传输线的所述接收端并且所述偏压相关元件的另一端被偏置到负电势。
2.如权利要求1所述的脉冲生成器，还包括连接到所述传输线的所述接收端的放大器。
3.如权利要求1所述的脉冲生成器，还包括连接到所述传输线的所述接收端的终端电阻器。
4.如权利要求1所述的脉冲生成器，
其中所述偏压相关元件具有如下的特性：当端子之间的电压小于预定值时所述偏压相关元件的电抗较大，并且当端子之间的所述电压大于所述预定值时所述电抗较小。
5.如权利要求2所述的脉冲生成器，
其中所述偏压相关元件具有如下的特性：当端子之间的电压小于预定值时所述偏压相关元件的电抗较大，并且当端子之间的所述电压大于所述预定值时所述电抗较小。
6.如权利要求3所述的脉冲生成器，
其中所述偏压相关元件具有如下的特性：当端子之间的电压小于预定值时所述偏压相关元件的电抗较大，并且当端子之间的所述电压大于所述预定值时所述电抗较小。
7.如权利要求1所述的脉冲生成器，
其中所述偏压相关元件包括各阴极电极被彼此相对地连接的两个二极管和与所述两个二极管并联连接的电感。
8.如权利要求2所述的脉冲生成器，
其中所述偏压相关元件包括各阴极电极被彼此相对地连接的两个二极管和与所述两个二极管并联连接的电感。
9.如权利要求3所述的脉冲生成器，
其中所述偏压相关元件包括各阴极电极被彼此相对地连接的两个二极管和与所述两个二极管并联连接的电感。
10.如权利要求4所述的脉冲生成器，
其中所述偏压相关元件包括各阴极电极被彼此相对地连接的两个二极管和与所述两个二极管并联连接的电感。
11.如权利要求7所述的脉冲生成器，
其中构成所述偏压相关元件的所述二极管具有比所述非线性传输线的特性阻抗更大的电抗值。
12.如权利要求8所述的脉冲生成器，
其中构成所述偏压相关元件的所述二极管具有比所述非线性传输线的特性阻抗更大的电抗值。
13.如权利要求9所述的脉冲生成器，
其中构成所述偏压相关元件的所述二极管具有比所述非线性传输线的特性阻抗更大的电抗值。
14.如权利要求10所述的脉冲生成器，
其中构成所述偏压相关元件的所述二极管具有比所述非线性传输线的特性阻抗更大的电抗值。
15.如权利要求2所述的脉冲生成器，
其中所述放大器具有较高输入阻抗。
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