CN103227624B - 基于srd的二阶微分高斯脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器，包括时钟源、驱动电路、微分电路、SRD高斯窄脉冲发生电路，由时钟源产生的时钟激励信号通过依次连接的驱动电路、微分电路和SRD高斯窄脉冲发生电路后形成窄脉冲信号，二阶微分高斯脉冲成形电路位于所述SRD高斯窄脉冲发生电路与负载之间，所述窄脉冲信号经过二阶微分高斯脉冲成形电路输出亚纳秒级、二阶微分高斯脉冲信号。采用本发明的技术方案，其产生的有益效果是脉冲的直流分量及低频分量较小，频谱利用率高，另外采用平面电路设计，电路简单、体积小易于集成，适合短距离超宽带无线通信系统。

Description

基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器

技术领域

本发明涉及脉冲信号产生技术领域，具体涉及一种基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器，为超宽带无线通信系统提供高辐射效率的脉冲信号。

背景技术

超宽带技术是一种通过纳秒级窄脉冲信号进行数据通信的无线技术，在这类通信体制中，脉冲无需调制到载波上，而是通过调制脉冲的位置（PPM调制）、脉冲幅度（PAM）、脉冲的开关（OOK）等实现通信。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、无损检测等诸多领域有着光明的应用前景。

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备受关注的技术问题。目前，获取窄脉冲的方法主要有两大类：一类采用半导体集成电路，体积小，成本低，但功率容量小、频率响应窄；另一类利用雪崩晶体管、阶跃恢复二极管（SRD）、隧道二极管等高速电子器的非线性效应产生窄脉冲。其中，SRD是窄脉冲发生器设计中最为常用的半导体二极管，具有响应速度快、重复速率高等优势。在基于SRD的窄脉冲发生器设计中，多数的设计方案用来产生高斯脉冲，但是，高斯脉冲有很大的直流分量，直流分量不能通过天线辐射出去，因此高斯脉冲的频谱利用率低下。将高斯脉冲进行微分，能有效的消除直流分量，且随着微分阶数的增加，脉冲的能量谱密度向频率高端移动，提高了频谱利用率。

文献“ULTRAWIDEBANDMONOCYCLEPULSEGENERATORWITHDUALRESISTIVELOADEDSHUNTSTUBS”(MaTG,WuCJ,ChengPK,etal.Ultra-widebandmonocyclepulsegeneratorwithdualresistiveloadedshuntstubs[J].MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,2007,49(2):459-462.)给出了一种基于SRD串联结构的一阶微分窄脉冲产生电路。该电路采用双并联枝节获得了一阶微分的窄脉冲，双电阻加载使脉冲的振铃更小，但脉冲的峰峰值不足600mV，电压转换率较低。

文献“NOVELLOWCOSTHIGHERORDERDERIVEACTIVEGAUSSIANPULSEGERATORCIRCUIT”（LowZN,CheongJH,LawCL.NovellowcosthigherorderderivativeGaussianpulsegeneratorcircuit[C]//CommunicationsSystems,2004.ICCS2004.TheNinthInternationalConferenceon.IEEE,2004:30-34.）给出了一种基于并联SRD结构产生高斯窄脉冲，通过5阶的带通滤波器成形，实现了高阶微分的高斯脉冲，但是带通滤波器成形网络增加了电路尺寸，提高了成本。

从目前的研究来看，电压转换率高、结构简单的高阶微分高斯脉冲发生器还没有理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以提高频谱利用率，且电路结构简单、脉冲对称性好、振铃较小，适合应用于短距离超宽带无线通信系统的基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，该基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器，包括时钟源、驱动电路、微分电路、SRD高斯窄脉冲发生电路，由时钟源产生的时钟激励信号通过依次连接的驱动电路、微分电路和SRD高斯窄脉冲发生电路后形成窄脉冲信号，二阶微分高斯脉冲成形电路位于所述SRD高斯窄脉冲发生电路与负载之间，所述窄脉冲信号经过二阶微分高斯脉冲成形电路输出亚纳秒级、二阶微分高斯脉冲信号。

本发明进一步的改进在于，所述时钟源采用有源时钟振荡器，由直流电源DC、时钟振荡器和串联电阻Rs构成，输出方波信号。

时钟源选用有源晶振，由直流电源DC、时钟振荡器和串联电阻Rs构成；直流电源DC的负端接地，正端接时钟振荡器的电源端，时钟振荡器的接地端接地，输出端串接电阻Rs，时钟振荡器的输出为方波信号。

本发明进一步的改进在于，所述驱动电路采用集成电路，加速有源时钟振荡器输出方波信号的上升沿和下降沿。

本发明进一步的改进在于，所述微分电路由串联电容C1和并联电阻R1构成。

采用微分电路代替了直流偏置网络，使电路结构更简单，为了增加脉冲输出幅度，通常需要为SRD高斯窄脉冲发生电路提供直流偏置，微分电路在触发源由低电平向高电平跳变时产生正的尖脉冲，触发源由高电平向低电平跳变时产生负的尖脉冲，微分电路产生的正、负尖脉冲分别为SRD提供正向及反向偏置。

本发明进一步的改进在于，所述SRD高斯窄脉冲发生电路由并联阶跃恢复二极管SRD1、串联电容C2、并联电阻R2、串联阶跃恢复二极管SRD2构成。

其中，阶跃恢复二极管SRD1正端与微分电路输出端连接，负端接地，串联电容C2用于阶跃恢复二极管SRD1和阶跃恢复二极管SRD2之间的耦合，电阻R2用于调整阻抗匹配，该SRD高斯窄脉冲发生电路用于产生窄脉冲信号，其产生窄脉冲信号的过程如下：时钟信号为高电平，阶跃恢复二极管SRD1导通，负载短路输出为0；时钟信号由高电平向低电平跳变时，微分电路产生负的尖脉冲，为阶跃恢复二极管SRD1提供反向偏置电压，由于SRD的反向恢复阶跃特性，加速了负脉冲的下降沿，阶跃恢复二极管SRD1迅速截止，负脉冲经电容C2耦合至阶跃恢复二极管SRD2,阶跃恢复二极管SRD2反向偏置，产生反向电流流过负载，在负载上形成窄脉冲。

本发明进一步的改进在于，所述二阶微分高斯脉冲成形电路由微带短路枝节、串联电容C3构成。

二阶微分高斯脉冲成形电路，利用终端短路微波传输线的反射特性，在SRD高斯窄脉冲发生电路的输出端，反射脉冲和输出脉冲叠加，先形成一阶脉冲，输出耦合电容C3具有高通滤波特性，该电容C3和负载构成微分网络，最终的输出端脉冲为二阶微分高斯脉冲。

本发明能够产生亚纳秒级二阶微分的脉冲信号，由于时域上脉冲宽度很窄，在频域上能够得到丰富的谐波分量，其功率-10dB带宽约5.6GHz，脉冲的直流分量及低频分量较小，频谱利用率高，另外采用平面电路设计，电路简单、体积小易于集成，适合短距离超宽带无线通信系统。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：

图1是二阶微分脉冲发生器原理框图；

图2是本发明基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器电原理图；

图3是本发明阶跃恢复二极管SRD1锐化负脉冲下降沿波形；

图4是本发明阶跃恢复二极管SRD2形成的高斯窄脉冲波形图；

图5是本发明完整电路输出脉冲波形的仿真结果图；

图6是本发明完整电路输出脉冲波形的实测结果图；

其中：1-时钟源，2-驱动电路，3-微分电路，4-SRD高斯窄脉冲发生电路，5-二阶微分高斯脉冲成形电路，6-SMA输出接头。

具体实施方式

如图1所示，整个电路由时钟源1、驱动电路2、微分电路3、SRD高斯窄脉冲发生电路4、二阶微分高斯脉冲成形电路5构成，时钟源1选用有源晶振，由直流电源DC和时钟振荡器构成，直流电源DC的负端接地，正端接时钟振荡器的电源端，时钟振荡器的接地端接地，输出端串接约10Ω的电阻Rs，时钟振荡器的输出为方波信号。

如图2所示，驱动电路2输入管脚接电阻Rs，电源管脚接DC，接地端接地，驱动电路输出为方波信号，微分电路3由串联电容C1和并联电阻R1组成，微分电路3串接于驱动电路2和SRD高斯窄脉冲发生电路4之间，电容C1和电阻R1电路参数的选择，需折中考虑微分尖脉冲的幅度、时间常数及阻抗匹配，最终优化值为C1=51pF,R1=150Ω。

如图2所示，SRD高斯窄脉冲发生电路4由阶跃恢复二极管SRD1、电容C2、电阻R2和阶跃恢复二极管SRD2构成，其中，阶跃恢复二极管SRD1正端与微分电路3输出端连接，负端接地，串联电容C2用于阶跃恢复二极管SRD1和阶跃恢复二极管SRD2之间的耦合，电阻R2用于调整阻抗匹配，R2和C2的取值分别51pF和820Ω。SRD高斯窄脉冲发生电路4用于产生窄脉冲信号，其产生窄脉冲信号的过程如下，时钟信号为高电平，阶跃恢复二极管SRD1导通，负载短路输出为0；时钟信号由高电平向低电平跳变时，微分电路3产生负的尖脉冲，为阶跃恢复二极管SRD1提供反向偏置电压，由于SRD的反向恢复阶跃特性，加速了负脉冲的下降沿，阶跃恢复二极管SRD1迅速截止，负脉冲经电容C2耦合至阶跃恢复二极管SRD2,阶跃恢复二极管SRD2反向偏置，产生反向电流流过负载，在负载上形成窄脉冲。

如图2所示，二阶微分高斯脉冲成形电路5位于SRD高斯窄脉冲发生电路4与负载之间，由微带短路枝节TL2、电容C3及50Ω微带传输线构成，微带短路枝节TL2一端和阶跃恢复二极管SRD2负端连接，另一端接地；容值约1pF的电容C3一端和阶跃恢复二极管SRD2负端连接，一端接50Ω微带传输线（附图2中的RL是50Ω的负载不是50Ω的微带传输线，50Ω的微带线用于和负载匹配，RL一端接50Ω的微带线，另一端接地）最后由SMA同轴连接器固接（附图2给出的是电路原理图，做仿真设计时负载用RL代替，SMA只是连接器,用于50Ω的微带线到实际测试同轴电缆的连接，仿真时不需要SMA，而实际加工的电路板，50Ω的RL并不存在，任何输入阻抗为50Ω的系统都可以通过SMA连接至电路输出端口，SMA在实际电路板中才能看到）。二阶微分高斯脉冲形成过程如下，阶跃恢复二极管SRD2输出窄脉冲，脉冲信号经微带枝节传输，由于微带枝节终端短路，脉冲发生反射，反射脉冲为正的窄脉冲，输出脉冲和反射脉冲在SRD2输出端叠加，形成一阶微分的高斯脉冲，一阶微分的高斯脉冲向负载RL负载RL（RL代表的是所有输入阻抗为50Ω的系统，比如网络分析仪、示波器等测量仪器或天线等器件）传输，串联电容可用作一阶的高通滤波单元，最终负载得到皮秒级、二阶微分的高斯脉冲。

二阶微分高斯脉冲产生方法，主要包括以下步骤：

由高精度的时钟源1产生时钟激励信号；脉冲源的激励信号来自时钟源1，为外部提供的时钟，由直流电源DC和时钟振荡器构成，时钟振荡器振荡频率为1.8432MHz,直流供电电压Vcc=3V，当振荡器直接接入50Ω负载（即负载RL）时，输出信号为方波，峰峰值电压为3V。

驱动电路2选用TI的或非门集成芯片SN74LVC1G02（或非门是专有名词，或在这里不具有选择替代的意思，SN74LVC1G02是或非门的型号），直流供电电压Vcc=3V，输出方波信号，方波的上升沿及下降沿约1.5ns。

微分电路3由串联电容C1和并联电阻R1构成，输入的时钟信号由低电平到高电平跳变时，微分电路3输出正的尖脉冲；输入时钟信号由高电平向低电平跳变时，产生负的尖脉冲。微分电路3输出的正、负脉冲用于为后级的SRD提供导通、截止的正向及反向偏置电压，这样，SRD高斯窄脉冲发生电路4不再需要额外的直流偏置网络。

SRD选用MA-COM的MA44769阶跃恢复二极管，其主要参数包括：少子寿命10ns、结电容0.6pF、渡越时间150ps、反向击穿电压30V，SRD高斯窄脉冲发生电路4由两级SRD构成，并联阶跃恢复二极管SRD1，主要锐化脉冲边缘（如图3所示，图中的虚线表示不存在SRD1时的脉冲波形，实线表示并联SRD1后的脉冲波形），SRD1的存在使负脉冲的下降时间达到150ps左右，脉冲的宽度主要由串联阶跃恢复二极管SRD2来决定，其工作过程如下：时钟信号为高电平，阶跃恢复二极管SRD1正向偏置，阶跃恢复二极管SRD1导通，负载短路输出为0；时钟信号由高电平向低电平跳变时，微分电路3产生负的尖脉冲，为阶跃恢复二极管SRD1提供反向偏置电压，由于SRD的反向恢复阶跃特性，加速了负脉冲的下降沿，阶跃恢复二极管SRD1迅速截止，负脉冲经电容C2耦合至阶跃恢复二极管SRD2，阶跃恢复二极管SRD2反向偏置，产生反向电流流过负载，在负载上形成窄脉冲（如图4所示）。

二阶微分高斯脉冲成形电路5，利用终端短路微波传输线（既是微带短路枝节TL2）的反射特性，在SRD高斯窄脉冲发生电路4的输出端，反射脉冲和输出脉冲叠加，先形成一阶脉冲，输出耦合电容C3具有高通滤波特性，该电容和负载构成微分网络，最终的输出端脉冲为二阶微分高斯脉冲，脉冲波形如图5所示。

电路实现及实验结果：完整的基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器制作在相对介电常数为4.2、厚度0.6mm的FR-4介质基片上，整个电路大小约25mm×45mm，采用3V纽扣电池为时钟振荡器及驱动电路供电，经SMA连接器同轴输出，使用AgilentInfiniiMax90000系列示波器对脉冲进行了时域测量，测试结果如图6所示，测试结果表明，脉冲发生器形成了二阶微分高斯脉冲，脉冲峰-峰值约1.2V，50%幅度的脉冲宽度约450ps，脉冲的振铃较低约-17dB，波形对称性较好。

Claims (1)

1.一种基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器，包括时钟源（1）、驱动电路（2）、微分电路（3）、SRD高斯窄脉冲发生电路（4），其特征在于：由时钟源（1）产生的时钟激励信号通过依次连接的驱动电路（2）、微分电路（3）和SRD高斯窄脉冲发生电路（4）后形成窄脉冲信号，二阶微分高斯脉冲成形电路（5）位于所述SRD高斯窄脉冲发生电路（4）与负载之间，所述窄脉冲信号经过二阶微分高斯脉冲成形电路（5）输出亚纳秒级、二阶微分高斯脉冲信号；所述时钟源（1）采用有源时钟振荡器，由直流电源DC、时钟振荡器和串联电阻Rs构成，输出方波信号；所述驱动电路（2）采用集成电路，加速有源时钟振荡器输出方波信号的上升沿和下降沿；所述微分电路（3）由串联电容C1和并联电阻R1构成；所述SRD高斯窄脉冲发生电路（4）由并联阶跃恢复二极管SRD1、串联电容C2、并联电阻R2、串联阶跃恢复二极管SRD2构成；所述二阶微分高斯脉冲成形电路（5）由微带短路枝节、串联电容C3构成。