CN103219968B - 一种高功率超宽带信号发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种高功率超宽带信号发生装置包括控制单元，用于产生控制脉冲信号，所述信号发生装置还包括激光单元、高压单元和光导开关，所述激光单元与控制单元相连接用于产生激光脉冲信号，所述激光脉冲信号输入光导开关，用于提供光导开关导通光源条件，所述高压单元与光导开关相连接，用于提供光导开关导通的高压条件，所述光导开关根据所述的光源条件和高压条件选择性导通输出高压电脉冲信号。通过采用光电方法产生高功率超宽带信号，将电路方法和光学方法的优点有效地结合起来，避免了各自的缺点。
Description
技术领域
本发明属于信号源技术领域，具体涉及一种高功率超宽带信号发生装置。
背景技术
超宽带（ultrawideband，UWB）技术是从频域角度来定义的，是指相对带宽Bf﹥25%的信号，具体的：其中，fH和fL分别为频率范围的上下极限。
超宽带技术主要有以下优点：高传输效率、低功耗、通信容量大、多径分辨力强以及安全保密性好等。因此，超宽带技术有着非常广泛的应用领域，具体比如说：1、短距离（10m以内）高速无线多媒体智能家域网和个域网；2、智能交通系统。超宽带技术同时具有无线通信和定位的功能，可方便地应用于智能交通中，为车辆防撞、电子牌照、智能收费、车内智能网络、测速、监视等提供高性能、低成本解决方案；3、应用于军事领域中超宽带系统发射功率谱密度非常低，完全淹没在噪声中，被截获的概率很低，安全性非常好；4、传感器网络和智能环境，用于对各种对象（人和物）进行检测、识别、控制和通信。
高功率的超宽带信号可应用于通信、医学成像、无损检测、安全检查及材料估计等领域。更大功率容量的超宽带信号作用范围可扩展至电子对抗、探地与穿墙雷达以及反隐身雷达等军事领域。
现有的超宽带信号产生的一般方法是采用快速开关技术将高压电能转换成超短电脉冲，该超短电脉冲再经脉冲发生器转换成超宽带信号。其中，产生超短电脉冲的方法可以分为电路方法和光电方法两大类。电路方法一般是利用雪崩二极管、火花隙等电子器件来产生超短电脉冲，由于受到元件本身的局限，产生的电脉冲脉宽只能达到纳秒级甚至微秒级，且电脉冲幅值不高、重复频率低，总体功率较小，远不能满足实际的需要。与电路方法相比，光电方法因近些年光导开关材料的发展成熟，光导开关的响应速度和耐压值得到明显提升，其响应速度通常可达到皮秒级，而耐压直接可达数百千伏。由其产生的电脉冲脉宽也相应得达到皮秒量级，单个超宽带信号源峰值输出功率可达到数百兆瓦。
其中，满足一定能量与脉宽要求的激光是以上述的光电方法产生超短高压电脉冲不可或缺的条件，传统方法是采用激光器输出激光以导通光导开关。然而传统的激光器体积大、成本高，应用过程中调试难度大，不利于普及使用。
综上所述，采用电路方法产生超宽带信号具备成本低廉的优点，但是其产生的超宽带信号功率有限，不能满足实际需求；而采用传统光电方法的解决方案虽然能解决采用电路的方法中的功率问题，但时其成本、设备的体积以及安装调试难度等问题都限制了其应用。
发明内容
本发明为了解决现有的高功率超宽带信号发生装置或因功率、带宽等参数不能满足应用需求或因成本高体积大及安装维护技术复杂等问题而不能普及应用的不足，提出了一种高功率超宽带信号发生装置。
本发明的技术方案是：一种高功率超宽带信号发生装置，包括控制单元，用于产生控制脉冲信号，其特征在于，所述信号发生装置还包括激光单元、高压单元和光导开关，所述激光单元与控制单元相连接用于产生激光脉冲信号，所述激光脉冲信号输入光导开关，用于提供光导开关导通光源条件，所述高压单元与光导开关相连接，用于提供光导开关导通的高压条件，所述光导开关根据所述的光源条件和高压条件选择性导通输出高压电脉冲信号。
优选的，所述高功率超宽带信号发生装置还包括激光聚束单元，所述激光聚束单元被放于激光二极管到光导开关的光路中，用于使激光二极管输出的激光聚束。
进一步的，上述高功率超宽带信号发生装置还包括脉冲发生器和天线，所述脉冲发生器与光导开关相连接，用于将光导开关输出的高压电脉冲信号转换为射频信号，所述天线用于发射所述射频信号。
具体的，所述激光单元包括激光二极管驱动和激光二极管，所述激光二极管驱动与控制信号相连接，用于将控制信号转换为驱动信号驱动激光二极管点亮，所述激光二极管用于输出激光信号。
更进一步的，所述高功率超宽带信号发生装置包括同步单元，所述同步单元同时与激光二极管驱动和高压单元相连接，用于根据激光二极管的驱动信号控制高压单元，使高压单元产生同步的脉冲信号。
本发明的有益效果：本发明的信号发生装置通过采用光电方法产生高功率超宽带信号，将电路方法和光学方法的优点有效地结合起来，避免了各自的缺点，解决了背景技术中如下技术问题：1、电路方法产生的电脉冲脉宽只能达到纳秒级或微秒级，本发明的方案可以达到皮秒级；2、电路方法产生的超宽带信号峰值功率低；3、传统光电方法中激光器集成度低，体积较大，并且调试复杂、成本高，本发明的方案体积小易于集成，调试简单。
附图说明
图1为本发明的一优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。
如图1所示，本实施例的一种高功率超宽带信号发生装置包括控制单元、激光单元、高压单元和光导开关，激光单元与控制单元相连接，该控制单元用于产生控制脉冲信号，其中控制脉冲信号通过激光二极管驱动进行功率放大后可以控制激光二极管产生相同频率的激光脉冲信号，激光二极管产生的激光脉冲信号输入光导开关，用于提供光导开关导通光源条件，所述高压单元与光导开关相连接，用于提供光导开关导通的高压条件。其中，光导开关有三个端口，分别为光控端、输入端和输出端，其导通的条件是光控端有一定能量的激光照射同时输入端有一定的电压输入，如果满足这两个条件，光导开关即可导通。所述光导开关根据所述的光源条件和高压条件选择性导通输出高压电脉冲信号。所述的一定能量的激光和一定的电压是本领域的普通技术人员根据选择的光导开关的型号或者经过有限的实验就能很好的确定参数，在此不具体举例。
优选的，上述高功率超宽带信号发生装置还包括激光聚束单元，所述激光聚束单元被放于激光二极管到光导开关的光路中，用于使激光二极管输出的激光聚束。被聚束后的激光能量密度更大，更容易使光导开关导通。同理，对于同一发光单元和光导开关，如果采用激光聚束单元，则可以减小激光单元的能量输入，进而可以降低功耗、延长激光单元的使用寿命。由于激光二极管产生的激光脉冲信号发散角过大，故通过采用激光聚束的方式可以有效使脉冲激光能量集中，有效提升装置的整体性能。
由于通过本发明上述实施例产生的高功率超宽带信号通常需要发送到自由空间实现探测等功能，故提出另一优选方案，具体技术方案为在上述任一实施例的基础上增加脉冲发生器和天线，其中脉冲发生器与光导开关相连接，用于将光导开关输出的高压电脉冲信号转换为射频信号，天线用于发射所述射频信号。
为了更直观得理解本发明的技术方案，本实施例进一步提出一种激光单元的具体形式，本实施例的激光单元包括激光二极管驱动和激光二极管，二者相互连接，具体工作原理是控制信号输入激光二极管驱动，由激光二极管驱动将其功率放大，功率被放大后的控制信号可以直接驱动激光二极管点亮，所述激光二极管用于输出激光信号。由于激光二极管具有快速开关的特征，所以由其发出的激光为与控制脉冲信号一致的激光脉冲信号。
更进一步的，所述高功率超宽带信号发生装置还包括同步单元，同步单元同时与激光二极管驱动和高压单元相连接，用于根据激光二极管的驱动信号控制高压单元，使高压单元产生同步的脉冲信号。本实施例中同步的含义是确保当激光脉冲信号作用到光导开关时光导开关的输入端有高压信号存在。使用该同步单元也可实现部分场合需要多单元同步合成与波束扫描需求。
另外，装置中的光导开关是一种利用激光能量激励半导体材料，使其电导率发生变化而产生电脉冲的光电转换器件。在本装置中，利用经激光聚束后的激光脉冲信号照射在光导开关上，使光敏材料内部产生非平衡载流子，在瞬间增加半导体材料的电导率，此时光导开关处于导通状态；激光脉冲消失后，非平衡载流子很快被复合而产生超短高压电脉冲，此时光导开关器件电导率下降，光导开关由导通转为关断状态，这一转换过程可以在皮秒量级的时间内完成。用于触发光导开关的激光脉冲持续时间非常短，而光导开关产生电脉冲的宽度取决于触发光导开关的激光脉冲的宽度，且电脉冲的宽度与触发激光脉冲的宽度相当，所以产生的电脉冲脉宽也很窄，可以达到皮秒量级。高压单元输出高压的幅值可以在输入直流电源端调节。
光导开关产生的超短高压电脉冲经脉冲发生器可转化成超宽带信号，该超宽带信号频带上限可达到数百吉赫兹甚至太赫兹，可由天线辐射。
如图1所示实施例的高功率超宽带信号发生装置的信号产生过程如下：
1、产生激光脉冲信号：控制信号经过同步单元，再经激光二极管驱动和激光二极管产生皮秒级激光脉冲信号；
2、产生光导开关上高压同步脉冲信号：输入控制信号经过同步单元控制高压单元中开关器件的通与断输出高压同步脉冲信号，该输出高压同步脉冲信号幅值可由变压器变比和输入电源自由调节。该偏置高压加载于光导开关三端口中的输入端和输出端的金属电极处；
3、触发光导开关：经过同步单元的控制，激光脉冲信号与光导开关的高压脉冲信号同步，因此，当激光二极管产生的激光脉冲信号经过激光聚束单元后照射到光导开关上时，光导开关导通；
4、产生高压电脉冲信号：光导开关导通短路时，产生高压电脉冲信号；
5、产生高功率超宽带信号：脉冲发生器将光导开关短路时产生的高压电脉冲转换成射频信号；
6、发射高功率超宽带信号：脉冲发生器产生的高功率超宽带信号送至天线，通过天线将该信号辐射到自由空间。
本发明的技术方案包含以下优点：1、高压电脉冲脉宽小，可以达到皮秒级，经过脉冲发生器产生的超宽带信号频带大，可达到数百吉赫兹甚至太赫兹；2、光导开关产生的高压电脉冲时间抖动小，约为几个皮秒；3、激光单元具有集成度高，体积小，调试简单，成本低等优点；4、超宽带信号发生装置相比采用传统激光器的方案，具有集成度高，体积小，重量轻等优点，有利于实现超宽带信号源系统的小型化5、激光二极管与光导开关之间加有激光聚束，可以最大程度的将激光二极管产生的激光脉冲聚束，系统效率高；6、同步单元使激光脉冲信号和高压单元输出的高压脉冲信号同步，便于实现多单元的同步功率合成与波束扫描；7、产生的高功率超宽带信号将具有慢衰减特性，能够以三维脉冲结构的形式，类似孤子一样将能量集中在空间局部区域，并以比平方反比率慢的衰减方式向前传播，从而可以实现远距离传输。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定，而应以权力要求书的保护范围来限定。
Claims (1)
1.一种高功率超宽带信号发生装置，包括控制单元，用于产生控制脉冲信号，其特征在于，所述信号发生装置还包括激光单元、高压单元和光导开关，所述激光单元与控制单元相连接用于产生激光脉冲信号，所述激光脉冲信号输入光导开关，用于提供光导开关导通光源条件，所述高压单元与光导开关相连接，用于提供光导开关导通的高压条件，所述光导开关根据所述的光源条件和高压条件选择性导通输出高压电脉冲信号；激光单元到光导开关的光路中设有激光聚束单元，所述激光聚束单元用于使激光二极管输出的激光聚束；
还包括同步单元，所述同步单元同时与激光二极管驱动和高压单元相连接，用于根据激光二极管的驱动信号控制高压单元，使高压单元产生同步的脉冲信号；
还包括脉冲发生器和天线，所述脉冲发生器与光导开关相连接，用于将光导开关输出的高压电脉冲信号转换为射频信号，所述天线用于发射所述射频信号；
所述激光单元包括激光二极管驱动和激光二极管，所述激光二极管驱动与控制信号相连接，用于将控制信号转换为驱动信号驱动激光二极管点亮，所述激光二极管用于输出激光信号。
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