CN102121983B - 超宽带雷达脉冲发射机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带雷达脉冲发射机及方法，涉及脉冲信号产生技术，该脉冲发射机由微波三极管，阶跃恢复二极管(SRD)及肖特基二极管组成，利用微波三极管的开关特性，通过电容的充放电过程形成边沿较快信号，使阶跃恢复二极管由导通变为截止，从而产生超宽带高斯窄脉冲。改变供电电压以及充放电电容的大小，可调节高斯脉冲的宽度与幅度。本发明的脉冲发射机包括皮秒级脉冲电路、纳秒级脉冲电路、单周期脉冲电路或双极性对脉冲电路，产生的脉冲信号波形质量好，能满足不同脉冲雷达发射机系统的应用需求。

Description

超宽带雷达脉冲发射机及方法

技术领域

本发明涉及脉冲信号产生技术领域，是一种超宽带雷达脉冲发射机及方法，为脉冲型超宽带雷达提供不同应用要求的高斯脉冲信号。

背景技术

超宽带技术是一种通过亚纳秒极窄脉冲信号进行数据通信的无线技术，由于其具有高速率，低功耗和低成本等优点，使其在精确定位，探地雷达，无损检测，无线通信以及人质营救，城市反恐等诸多领域有着重要的应用前景。

在超宽带通信的各项关键技术中，窄脉冲信号产生技术一直是射频电路研究领域中倍受关注的技术问题。产生脉冲的方式有多种：有利用雪崩管的雪崩效应产生窄脉冲，有利用射频三极管结合微分电路产生窄脉冲，有利用阶跃恢复二极管的阶跃特性产生高斯窄脉冲。脉冲宽度的可调性则主要通过PIN管来改变微带线的长度，实现起来较复杂，且对PCB基片的加工要求高，使成本提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种超宽带雷达脉冲发射机及方法，为各种雷达系统产生所需的不同脉冲信号，以克服现有的脉冲产生电路结构较复杂，不易于调节的缺陷。本发明的发射机结构简单，成本低廉，非常适合小型化超宽带雷达的应用，产生的脉冲信号波形良好，拖尾很小，可满足不同的脉冲雷达发射机系统的需要。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种超宽带雷达脉冲发射机，包括触发时钟、可调脉冲信号发生器和脉冲整形单元；其触发时钟输出端与可调脉冲信号发生器输入端电连接，可调脉冲信号发生器输出端与脉冲整形单元输入端电连接，脉冲整形单元输出端与发射天线固接；其中，

可调脉冲信号发生器包括微波三极管开关电路、阶跃恢复二极管脉冲形成电路，触发时钟输出端接微波三极管开关电路输入端，微波三极管开关电路输出端接阶跃恢复二极管脉冲形成电路输入端，阶跃恢复二极管脉冲形成电路输出端接脉冲整形单元输入端；

脉冲整形单元为肖特基二极管整形电路，整形电路输出端接发射天线。

所述的超宽带雷达脉冲发射机，其所述可调脉冲信号发生器，产生皮秒级脉冲信号、纳秒级脉冲信号、单周期脉冲信号或双极性对脉冲信号。

所述的超宽带雷达脉冲发射机，其所述皮秒级脉冲信号，其产生电路包括：

微波三极管开关电路：微波三极管Q1的集电极串接于微波三极管Q2的基极，之间通过耦合电容C1连接；两三极管Q1、Q2的基极与发射极之间各并联有一肖特基二极管D1、D2，三极管Q1的发射极接电源正极，三极管Q1的基极接时钟触发信号的输入，集电极经电阻R1接电源负极；三极管Q2的发射极接电源负极，集电极经电阻R2接电源负极；

三极管Q2的集电极接充放电电路，充放电电路另一端分别串接肖特基二极管D3的负极、阶跃恢复二极管D4的正极；肖特基二极管D3的正极接脉冲发射天线的输入，阶跃恢复二极管D4的正极接地；

充放电电路：为阻容电路，电容C2两端并联两电阻R2、R3，两电阻R2、R3的结点接电源正极，且电容C2两端分别电连接于三极管Q2的集电极，及肖特基二极管D3的负极、阶跃恢复二极管D4的正极。

所述的超宽带雷达脉冲发射机，其所述纳秒级脉冲信号，其产生电路包括：微波三极管开关电路、充放电电路；

充放电电路：为阻容电路，电容C2两端并联两电阻R2、R3，两电阻R2、R3的结点接电源正极，且电容C2两端分别电连接于三极管Q2的集电极，及接脉冲发射天线的输入。

所述的超宽带雷达脉冲发射机，其所述单周期脉冲信号，是皮秒级脉冲信号，其产生电路是在皮秒级脉冲信号产生电路中，于肖特基二极管D3的正极端分别接微带短路线T1、电阻RL，微带短路线T1和电阻RL的另一端分别接地。

所述的超宽带雷达脉冲发射机，其所述双极性对脉冲信号，是皮秒级脉冲信号，其产生电路包括：

微波三极管开关电路：

变压器的初级两端分别接时钟触发信号的输入，及接地，变压器的次级两端分别接两微波三极管Q1、Q2的基极，电感的中间抽头接地，三极管Q1、Q2的基极间接有肖特基二极管D1；两微波三极管Q1、Q2的发射极相连，集电极分别接一充放电电路中电容C2、C3的一端，两电容C2、C3的另一端经阶跃恢复二极管D4相连，且分别与肖特基二极管D2、D3的负极和正极电连接，两肖特基二极管D2、D3的输出信号接脉冲发射天线的输入。

所述的超宽带雷达脉冲发射机，其所述皮秒级脉冲信号，脉冲宽度由阶跃恢复二极管的上升时间决定，产生200ps-800ps的皮秒级高斯脉冲，电压幅度为1.2V-10V，脉冲质量好，适合分辨率高于6cm的超宽带系统的应用。

所述的超宽带雷达脉冲发射机，其所述纳秒级脉冲信号产生电路，产生的脉冲信号脉冲宽度为1ns-10ns，电压幅度为7V-20V。

一种所述的超宽带雷达脉冲发射机的工作方法，其包括步骤：

步骤一、电路的触发脉冲为方波信号，控制着微波三极管电路的开启和关闭；

步骤二、微波三极管具有快速开关作用，并对基级输入信号整形为边沿更快、相位相反的信号；

步骤三、微波三极管结合充放电电容，在电容的一端形成纳秒级的脉冲信号；

步骤四、该纳秒级信号在阶跃恢复二极管从导通状态变为截止状态时，产生皮秒级窄脉冲信号；

步骤五、肖特基二极管对脉冲底部整形，输出高斯脉冲。

所述的超宽带雷达脉冲发射机的工作方法，其改变供电电压及充放电电路中电容C2、或电容C2、C3的大小，以调节高斯脉冲的脉冲宽度与电压幅度，实现脉冲信号的可调。

本发明的积极效果和优点：本发明基于微波三极管、充放电电容、肖特基二极管和阶跃恢复二极管产生各种形式的高斯脉冲信号，从而达到满足不同雷达系统发射机应用需求的目的；另外，脉冲电路结构紧凑、小巧，便于雷达系统的小型化设计。

附图说明

图1为本发明的超宽带雷达脉冲发射机结构原理框图；

图2为本发明的皮秒级脉冲发射机电路原理图；

图3为本发明的纳秒级脉冲发射机电路原理图；

图4为本发明的单周期脉冲发射机电路原理图；

图5为本发明的双极性对称脉冲发射机电路原理图。

具体实施方式

本发明的超宽带雷达脉冲发射机，其脉冲产生方法包括以下步骤：

步骤一、电路的触发脉冲为方波信号，控制着微波三极管电路的开启和关闭。

步骤二、微波三极管具有快速开关作用，并可以对基级输入信号整形为边沿更快、相位相反的信号。

步骤三、微波三极管结合充放电电容，在电容的一端形成纳秒级的脉冲信号。

步骤四、该纳秒级信号在阶跃恢复二极管从导通状态变为截止状态时，产生皮秒级窄脉冲信号。

步骤五、肖特基二极管对脉冲底部整形，输出高斯脉冲。

为了实现满足雷达系统不同需要的冲发射机，本发明包括：皮秒脉冲产生方法、纳秒级脉冲产生方法、单周期脉冲产生方法和双极性对称脉冲产生方法

a)皮秒级脉冲电路包括微波三极管、阶跃恢复二极管、充放电电容和肖特基二极管。利用微波三极管的“开关”特性以及电容的充放电过程，以及阶跃恢复二极管的阶跃特性产生极窄的脉冲。脉冲宽度主要有阶跃管的上升时间决定。可产生200ps-800ps的皮秒级高斯脉冲，幅度1.2V-10V，脉冲质量好，适合分辨率要求较高的超宽带系统应用中。

b)纳秒级脉冲电路包括微波三极管和充放电电容，利用微波三极管的“开关”特性，产生脉宽为1ns-10ns的高斯脉冲，幅度7V以上的脉冲信号，这种脉冲的穿透性较强，辐射距离较远。

c)单周期脉冲电路包括微波三极管、充放电电容阶跃恢复二极管。在所述皮秒级脉冲电路的基础上，利用短路传输线的反射原理，产生单周期脉冲。无直流成分的单周期脉冲信号因其频带宽、与天线等其它单元匹配更容易，在超宽带雷达中得到了广泛应用。

d)双极性对称脉冲电路包括微波三极管、充放电电容、肖特基二极管和阶跃恢复二极管，将两个微波三极管的发射极相连，形成两个快速“开关”，在阶跃恢复二极管的两级产生两路对称的皮秒级脉冲信号。这种脉冲形式适合平衡馈电型天线，比如Bow-Tie天线，两路输出信号分别与天线的两个馈电点连接。

图1为脉冲发射机结构原理框图，主要包括触发时钟、三极管开关电路、阶跃恢复二极管(SRD)脉冲形成电路和肖特基二极管整形电路。

触发脉冲为3V方波信号，为发射机提供时钟触发；

微波三极管为高速开关，与触发时钟相连，控制微波电路的开和关；

微波开关与阶跃二极管相连，在三极管集电极输出边沿更快的阶跃信号；

阶跃二极管与产生阶跃信号的微波开关电路相连，该阶跃信号使阶跃恢复二极管从导通状态变为截止状态，得到窄脉冲信号。

肖特基二极管整形电路与阶跃恢复二极管相连，将阶跃恢复二极管产生的脉冲信号进行底部去杂波，得到振铃小、质量高的高斯脉冲。

图2为皮秒级脉冲产生方法，Q1，Q2为微波宽带三极管，D1、D2、D3为肖特基二极管，D4为阶跃恢复二极管，C2为充放电电容。其产生步骤如下，包括：

步骤一、当时钟触发信号由下降沿向上升沿跳变时，三极管Q1，Q2没有导通处于“关”状态时，电源电压通过电阻R2对C2充电，SRD管正向偏置；

步骤二、当时钟触发信号由上降沿向下升沿跳变时，三极管Q1，Q2同时导通，使两只三极管处于“开”状态，此时C2，R3，SRD构成一个放电回路，C2通过电阻R3进行放电，

步骤三、阶跃恢复二极管(SRD)D4的阶跃特性，SRD反向偏置时并不会马上截止，而是经历一段时间再完全截止，从而形成一个高斯窄脉冲信号。

步骤四、调节电容C2，R3的取值，对脉冲信号的脉宽与幅度有决定性作用，当它们的取值较大时，脉冲幅度较大，同时脉冲宽度较宽。

步骤五、肖特基二极管D3对脉冲底部杂波削去，得到高斯脉冲信号。

图3纳秒级脉冲产生方法，以图2为基础，包括微波三极管的开关以及电容；

微波三极管与触发时钟相连，控制开关的状态，经过Q1、Q2两级开关电路，得到快沿阶跃信号；

电容C2的充放电过程是产生脉冲的关键，C2电容值越大，相应的充放电时间也越长，所产生的脉冲幅度也会更大，但脉冲幅度也会更宽一些。

图4为单周期脉冲电路，以图2为基础，包括皮秒级脉冲电路、微带短路线，其中，

皮秒级脉冲电路产生皮秒级脉冲信号；

微带短路线T1与皮秒级脉冲电路相连，对负极性皮秒级脉冲信号整形，负脉冲信号沿短路线T1方向传播，在微带短路线终端会发生全反射，产生一个正脉冲信号，此延时后的正脉冲与负脉冲合并产生单周期脉冲信号。微带线的长度L必须满足 $L=\frac{1}{2}\mathrm{\τ}{V}_P=\frac{1}{2}\mathrm{\τ}\frac{C_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}}},$ 其中τ为经过微带线之前的前级脉冲宽度，ε_re为微带线基片的有效介电常数，C₀为真空中的光速。

图5为双极性脉冲电路，以图2为基础，产生一对相位相反，幅度相同的平衡脉冲。包括：微波三极管Q1，Q2、充放电电容C2、C3、阶跃恢复二极管D4、肖特基二极管D1、D2和D3。阶跃恢复二极管(SRD)D4两端产生双路对称的高斯脉冲信号，其脉冲宽度与幅度分别由阶跃恢复二极管(SRD)的上升沿和充放电电容的大小决定；D2和D3的作用为削去脉冲底部的杂波。

本发明结合现有技术中各种方法的优点，采用微波三极管和阶跃恢复二极管(SRD)设计可调脉冲信号发生器，其特点是充分利用微波三极管的开关特性以及阶跃管的阶跃特性。通过调节供电电压或充放电电容值，来实现脉冲幅度与宽度的调整，适合在冲击型超宽带系统中应用。

Claims (5)

1.一种超宽带雷达脉冲发射机，包括触发时钟、可调脉冲信号发生器和脉冲整形单元；其特征在于：触发时钟输出端与可调脉冲信号发生器输入端电连接，可调脉冲信号发生器输出端与脉冲整形单元输入端连接，脉冲整形单元输出端与发射天线固接；其中，

可调脉冲信号发生器包括微波三极管开关电路、阶跃恢复二极管脉冲形成电路，触发时钟输出端接微波三极管开关电路输入端，微波三极管开关电路输出端接阶跃恢复二极管脉冲形成电路输入端，阶跃恢复二极管脉冲形成电路输出端接脉冲整形单元输入端；

脉冲整形单元为肖特基二极管整形电路，整形电路输出端接发射天线；

其中，所述可调脉冲信号发生器，产生皮秒级脉冲信号、纳秒级脉冲信号、单周期脉冲信号或双极性对脉冲信号；

所述皮秒级脉冲信号，其产生电路包括：

微波三极管开关电路：微波三极管Q1的集电极串接于微波三极

管Q2的基极，之间通过耦合电容C1连接；两三极管Q1、Q2的基

极与发射极之间各并联有一肖特基二极管D1、D2，三极管Q1的发

射极接电源正极，三极管Q1的基极接时钟触发信号的输入，集电极经

电阻R1接电源负极；三极管Q2的发射极接电源负极，集电极经电阻

R2接电源负极；

三极管Q2的集电极接充放电电路，充放电电路另一端分别串接

肖特基二极管D3的负极、阶跃恢复二极管D4的正极；肖特基二极

管D3的正极接脉冲发射天线的输入，阶跃恢复二极管D4的正极接

地；

充放电电路：为阻容电路，电容C2两端并联两电阻R2、R3，两

电阻R2、R3的结点接电源正极，且电容C2两端分别电连接于三极

管Q2的集电极，及肖特基二极管D3的负极、阶跃恢复二极管D4的

正极；

所述纳秒级脉冲信号，其产生电路包括：微波三极管开关电路、充放电电路；充放电电路为阻容电路，电容C2两端并联两电阻R2、R3，两电阻R2、R3的结点接电源正极，且电容C2两端分别电连接于三极管Q2的集电极，及脉冲发射天线的输入；

所述单周期脉冲信号，是皮秒级脉冲信号，其产生电路是在皮秒级脉冲信号产生电路中，于肖特基二极管D3的正极分别接微带短路线T1、电阻RL，微带短路线T1和电阻RL的另一端分别接地；

所述双极性对脉冲信号，是皮秒级脉冲信号，其产生电路包括：

微波三极管开关电路：变压器的初级两端分别接时钟触发信号的

输入，及接地，变压器的次级两端分别接两微波三极管Q1、Q2的基

极，电感的中间抽头接地，三极管Q1、Q2的基极间接有肖特基二极

管D1；两微波三极管Q1、Q2的发射极相连，集电极分别接一充放

电电路中电容C2、C3的一端，两电容C2、C3的另一端经阶跃恢

复二极管D4相连，且分别与肖特基二极管D2、D3的负极和正极电

连接，两肖特基二极管D2、D3的输出信号接脉冲发射天线的输入；

改变供电电压及充放电电路中电容C2、或电容C2、C3的大小，

以调节高斯脉冲的脉冲宽度与电压幅度，实现脉冲信号的可调。

2.如权利要求1所述的超宽带雷达脉冲发射机，其特征在于：所述皮秒级脉冲信号，脉冲宽度由阶跃恢复二极管的上升时间决定，产生200ps-800ps的皮秒级高斯脉冲，电压幅度为1.2V-10V，脉冲质量好，适合分辨率高于6cm的超宽带系统应用。

3.如权利要求1所述的超宽带雷达脉冲发射机，其特征在于：所述纳秒级脉冲信号产生电路，产生的脉冲信号脉冲宽度为1ns-10ns，电压幅度为7V-20V。

4.一种如权利要求1所述的超宽带雷达脉冲发射机的工作方法，其特征在于：包括步骤：

步骤一、电路的触发脉冲为方波信号，控制着微波三极管电路的开启和关闭；

步骤二、微波三极管具有快速开关作用，并对基级输入信号整形为边沿更快、相位相反的信号；

步骤三、微波三极管结合充放电电容，在电容的一端形成纳秒级的脉冲信号；

步骤四、该纳秒级信号在阶跃恢复二极管从导通状态变为截止状态时，可调脉冲信号发生器产生皮秒级窄脉冲信号；

步骤五、肖特基二极管对脉冲底部整形，输出高斯脉冲。

5.如权利要求4所述的超宽带雷达脉冲发射机的工作方法，其特征在于：改变供电电压及充放电电路中电容C2、或电容C2、C3的大小，以调节高斯脉冲的脉冲宽度与电压幅度，实现脉冲信号的可调。

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