CN101540596B - 基于共面波导的皮秒脉冲发生器 - Google Patents
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Abstract
基于共面波导的皮秒脉冲发生器，属于脉冲发生器。本发明的目的是为解决现有的脉冲发生器不能满足超宽带通信技术对极窄脉冲宽度要求的问题。本发明由介质基板、金箔、激励信号共面波导、阶跃恢复二极管和输出信号共面波导组成，介质基板表面覆有金箔，激励信号共面波导和输出信号共面波导分布于介质基板上并呈垂直排列，激励信号共面波导的输入中间导带的一端连接阶跃恢复二极管的正极，阶跃恢复二极管的负极连接在输出中间导带上，输出信号共面波导位于阶跃恢复二极管左侧的部分为终端短路传输线。本发明能够产生皮秒数量级的脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲发生器，具体涉及一种基于共面波导的皮秒脉冲发生器。
背景技术
超宽带和超宽带雷达是未来通信和雷达的发展方向。在这类通信和雷达体制中，基带信号不必调制到载波上，而是调制纳秒、亚纳秒(皮秒)脉冲的位置，实现通信和探测目标。因此这种体制信号带宽可达数GHz数量级，从而可极大的提高通信速率和探测目标的分辨能力，特别是隐形目标。而皮秒脉冲发生器是上述两种体制中硬件的核心部件。现有的脉冲发生器满足不了这种日新月异的系统对脉冲宽度的要求。
在微波、毫米波宽带测量中，矢量网络分析仪(VNA)是重要的测量仪器。VNA正在向非线性矢量网络分析仪(N-VNA)发展，并有可能逐步替代现有的VNA。基于混频器的非线性矢量网络分析仪的参考信道需要有谐波相位参考源，此外，各类非线性矢量网络分析仪在测量前必须进行宽带谐波相位绝对校准，需要可用作宽带谐波相位量值的传递标准。然而这些目前尚属空白。
发明内容
本发明的目的是为解决现有的脉冲发生器不能满足超宽带通信技术对极窄脉冲宽度要求的问题，进而提供的一种基于共面波导的皮秒脉冲发生器。
本发明由介质基板、金箔、激励信号共面波导、阶跃恢复二极管和输出信号共面波导组成，介质基板表面覆有金箔，激励信号共面波导和输出信号共面波导分布于介质基板上，激励信号共面波导和输出信号共面波导之间呈垂直排列，激励信号共面波导由第一基板、输入中间导带和输入接地导带组成，输出信号共面波导由第二基板、输出中间导带、输出接地导带和终端短路传输线组成，输入中间导带的一端连接阶跃恢复二极管的正极，阶跃恢复二极管的负极连接在输出中间导带上，输出信号共面波导位于阶跃恢复二极管左侧的部分为终端短路传输线；当激励信号共面波导(3)内的信号传输到垂直区时会分成两路，第一路沿着输出信号共面波导(5)继续传输，第二路沿着终端短路传输线(5-4)传输，会被终端短路传输线反射回来，这里终端短路传输线的结构能起到延迟及倒相的作用，反射回来的信号同第一路信号相迭加抵消产生极窄脉冲序列。
本发明的优点是：
本发明能够产生极窄脉冲信号，利用微波电路得到的这个脉冲信号发生器由于其时域宽度很窄，在频率域上能够得到丰富的谐波分量。正弦波信号输入给激励信号共面波导，由于阶跃恢复二极管也就是SRD(Step Recovery Diode)的特性，在输入信号的正半周，SRD处于开启的状态；当输入信号刚进入负半周时，在SRD的生存期内SRD仍然保持开启的状态，生存期时间结束后，在输入信号的负半周内，SRD迅速的进入关闭状态，因而产生一个阶跃函数，这个阶跃函数的边沿是否陡峭取决于SRD的过渡时间，过渡时间越短边沿就越陡峭；由电路结构可知输入信号传输到垂直区时会分成两路，第一路沿着输出信号共面波导继续传输，第二路沿着终端短路传输线传输，会被终端短路结构反射回来，这里终端短路传输线的结构能起到延迟及倒相的作用，反射回来的信号同第一路信号相迭加抵消就会产生极窄脉冲序列。此脉冲的宽度取决于终端短路传输线的长度和SRD的过渡时间，终端短路传输线越短、SRD的过渡时间越小，产生的脉冲宽度就越窄，也就是说谐波分量越丰富。由此，通过改变终端短路传输线的长度和选用不同过渡时间的阶跃恢复二极管，可以调节输出脉冲宽度从纳秒到皮秒数量级之间变化，得到丰富的谐波分量，以满足不同用户的需求。
本发明于基片上的结构设计而成，具有体积小、功耗低、输入频率可调、输出信号不确定度小、可重复性高等优点。并且本发明能够产生中宽为80ps左右的脉冲，信号带宽可达20GHz。这使得产生的脉冲更加接近于理想的δ函数，使其频谱信息更加的丰富。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图中带有剖面线的部分表示金箔，没有剖面线的部分表示介质基板，图2是沿图1中A-A线的剖视图，图3是本发明信号沿输出信号共面波导正向传播和经过终端短路传输线全反射回来被延时和倒相的信号波形图，图中曲线A为输出信号共面波导的信号波形图，曲线B为经过终端短路传输线反射回来的信号波形图，图4是本发明的输出脉冲信号序列图，图5是本发明输出的信号经处理之后得到的宽带谐波相位参考图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1～图5说明本实施方式，本实施方式由介质基板1、金箔2、激励信号共面波导3、阶跃恢复二极管4和输出信号共面波导5组成，介质基板1表面覆有金箔2，激励信号共面波导3和输出信号共面波导5分布于介质基板1上，激励信号共面波导3和输出信号共面波导5之间呈垂直排列，激励信号共面波导3由第一基板3-1、输入中间导带3-2和输入接地导带3-3组成，输出信号共面波导5由第二基板5-1、输出中间导带5-2、输出接地导带5-3和终端短路传输线5-4组成，输入中间导带3-2的一端连接阶跃恢复二极管4的正极，阶跃恢复二极管4的负极连接在输出中间导带5-2上，输出信号共面波导5位于阶跃恢复二极管3左侧的部分为终端短路传输线5-4。激励信号共面波导3和输出信号共面波导5的输入输出阻抗分别设计为50Ω。
由于共面波导独特的结构，它的输入端和输出端可以分别与同轴电缆相连，这样的连接方式使得该电路成为一个独立的脉冲信号发生器。
本发明是一种构建于共面波导之上，结合SRD阶跃恢复二极管4的新型脉冲序列信号发生器。这个电路包括一个SRD以及终端短路传输线5-4。正弦波输入信号源通过阻抗为50Ω的激励信号共面波导3输入，驱动阶跃恢复二极管SRD，由于SRD的特性，会产生一个阶跃函数。当激励信号共面波导3内的信号传输到垂直区时，就会分成两路，一路向左侧(图3中曲线B所示)，沿终端短路传输线5-4传输并被反射回来，与接下来沿着向右侧传输的信号(图3中曲线A所示)迭加抵消，产生需要的脉冲序列，脉冲序列的重复频率同输入激励信号的频率相同。产生的脉冲信号序列继续向右传输，通过输出信号共面波导5输出脉冲信号序列。
由信号与系统理论知道，为了求得一个系统的传递函数，理论上应该对其输入一个δ函数，也就是时域上是冲击信号，能量积分为1，它经过傅立叶变换得到的频谱是一条直线。实际上这样的信号只是理论上存在，实际工程当中很难实现。本发明产生的极窄脉冲信号可用来代替传统意义上的δ函数。δ函数在工程上很难实现，但是在求一个系统的传递函数上却很有价值。也就是说，利用微波电路得到的脉冲信号发生器是一个优质的替代品，对δ函数是很好的近似。在电子测量领域里，为了合成理想的脉冲信号，不仅需要知道各个频率分量的幅值信息，还要获得它们的相位信息，对于一个初相位随机的信号源，每一次测量的各个频率分量的相位其实是无意义的，各次谐波相对于基波的相位更具有参考价值，尤其在微波、毫米波宽带测量中，矢量网络分析仪(VNA)是重要的测量仪器。VNA正在向非线性矢量网络分析仪(N VNA)发展，并有可能逐步替代现有的VNA。本发明得到的脉冲信号的谐波相对相位可作为基于混频器的非线性矢量网络分析仪的参考信道必用的谐波相位参考源。此外，各类非线性矢量网络分析仪在测量前还必须进行宽带谐波相位绝对校准，本发明可用作宽带谐波相位量值的传递标准。其精度可溯源到基于NTN校准的企业标准和光电采样的国家标准，如图5所示。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于介质基板1的表面积为8mm×8mm-9mm×9mm。其它组成及连接方式与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于介质基板1的表面积为8mm×8mm。其它组成及连接方式与实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于介质基板1的表面积为8.5mm×8.5mm。其它组成及连接方式与实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式一的不同之处在于介质基板1的表面积为9mm×9mm。其它组成及连接方式与实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同之处在于介质基板1的表面积为9mm×9mm-10mm×10mm。其它组成及连接方式与实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与实施方式一的不同之处在于介质基板1的表面积为9.5mm×9.5mm。其它组成及连接方式与实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与实施方式一的不同之处在于介质基板1的表面积为9.1mm×9.1mm。其它组成及连接方式与实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与实施方式一的不同之处在于介质基板1的表面积为10mm×10mm。其它组成及连接方式与实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九的不同之处在于介质基板1的厚度为508um，金箔6的厚度为4um，介质基板1的介电常数为10±0.2。其它组成及连接方式与实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。
介质基板尺寸以实际需要来定，一般不会超过1cm×1cm，金箔厚度和介质基板厚度没有绝对要求，因所选板材而异，不影响设计。
Claims (4)
1.一种基于共面波导的皮秒脉冲发生器，其特征在于它由介质基板(1)、金箔(2)、激励信号共面波导(3)、阶跃恢复二极管(4)和输出信号共面波导(5)组成，介质基板(1)表面覆有金箔(2)，激励信号共面波导(3)和输出信号共面波导(5)分布于介质基板(1)上，激励信号共面波导(3)和输出信号共面波导(5)之间呈垂直排列，激励信号共面波导(3)由第一基板(3-1)、输入中间导带(3-2)和输入接地导带(3-3)组成，输出信号共面波导(5)由第二基板(5-1)、输出中间导带(5-2)、输出接地导带(5-3)和终端短路传输线(5-4)组成，输入中间导带(3-2)的一端连接阶跃恢复二极管(4)的正极，阶跃恢复二极管(4)的负极连接在输出中间导带(5-2)上，输出信号共面波导(5)位于阶跃恢复二极管(3)左侧的部分为终端短路传输线(5-4)；当激励信号共面波导(3)内的信号传输到垂直区时会分成两路，第一路沿着输出信号共面波导(5)继续传输，第二路沿着终端短路传输线(5-4)传输，会被终端短路传输线反射回来，这里终端短路传输线的结构能起到延迟及倒相的作用，反射回来的信号同第一路信号相迭加抵消产生极窄脉冲序列。
2.根据权利要求1所述的基于共面波导的皮秒脉冲发生器，其特征在于介质基板(1)的表面积为8mm×8mm-9mm×9mm。
3.根据权利要求1所述的基于共面波导的皮秒脉冲发生器，其特征在于介质基板(1)的表面积为9mm×9mm-10mm×10mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于共面波导的皮秒脉冲发生器，其特征在于介质基板(1)的介电常数为10±0.2。
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