CN103326696B - 一种超宽带脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带脉冲发生器，包括纳秒级驱动正脉冲产生电路，高速开关电路，亚纳秒脉冲产生与整形电路，电压源电路，电流源电路；纳秒级驱动正脉冲产生电路将宽度随机的脉冲信号转换为宽度较为固定的纳秒级窄脉冲；高速开关电路在窄脉冲驱动下由关状态转为开状态，使亚纳秒脉冲产生与整形电路的输入端电压由静态的电源电压迅速降为接近零；亚纳秒脉冲产生与整形电路在静态时输入端无信号输入、整形电路处于正向导通状态，输出端无信号输出；当高速开关电路由关切换至开时，亚纳秒脉冲产生与整形电路的输入端输出电流，整形电路阶跃恢复二极管由正向导通变为反向导通；一段时间后，该二极管由反向导通转变为反向截止，输出端输入电流；当输出端接负载时，输出端产生负极性电压脉冲。

Description

一种超宽带脉冲发生器

技术领域

本发明涉及电子领域，特别涉及一种超宽带脉冲发生器。

背景技术

脉冲超宽带技术具有大带宽、高容量、低功耗、精准定位、结构简单、抗干扰、抗多径、体积小、重量轻等诸多优势，非常适合应用于恶劣环境条件下的高速数传、精准定位等。

在脉冲超宽带系统中，脉冲发生器不但是发射机的核心单元，同时也是接收机中的重要组成部分，脉冲信号的参数与系统的性能指标直接相关，因此满足要求的脉冲发生器的研制一直是研究的热点之一。

脉冲宽度是带宽及分辨率的决定因素，为了满足一定的应用需求，各种亚纳秒的脉冲发生器被研制出来。Jeong Soo Lee用短路传输线、阶跃恢复二极管、肖特基二极管及MESFET设计出了一款亚纳秒脉冲发生器。该脉冲发生器所产生的短脉冲经过增益为11dB的低噪放放大后峰－峰值为2V。利用肖特基二极管的快速截止特性，他们对该款脉冲发生器进行了改进，减少信号的拖尾与振铃，但信号幅度大大降低。Hiroyuki KIDA对典型的由阶跃恢复二极管和短路线组成的亚纳秒脉冲发生器做了仿真模型分析，并将实际制作的脉冲发生器所产生的脉冲信号的实测结果与仿真结果进行对比。对比结果显示，上述脉冲发生器能在驱动信号的上升沿或下降沿产生亚纳秒脉冲，所产生的脉冲重复频率低且幅度较小。Pawel Rulikowski研究了利用反相器、阶跃恢复二极管及短路线组成的对称脉冲发生器。该脉冲发器在驱动信号由低电平跳变为高电平时产生对称的底部宽度为500ps,幅度约为1V的对称脉脉冲。该脉冲发生器虽然能同时产生对称的窄脉冲，但当驱动信号由高电平跳变为低电平时还会产生形状不规则、幅度较低的脉冲。利用微波三极管、微分电路及肖特基二极管的组成的脉冲源近年来也有报道，但产生的脉冲波形较差。为了提高脉冲发生器的灵活性，Jeongwoo Han和CamNguyen设计出电可调的亚纳秒脉冲发生器。该发生器能产生宽度可以调节的脉冲信号，由于该脉冲发生器通过调节短路传输线的长度来调节反射信号的延时来调节脉冲宽度，幅度较大的脉冲信号具有较宽的脉冲宽度。M.Hanawa等人提出了电光混合结构脉冲源。该结构产生脉冲符合FCC标准，但系统较复杂。Tian Xia等人提出了一种新的高性能低振铃超宽带单周期脉冲发生器电路。该电路能产生低振铃水平的脉冲信号，但重复频率最高仅为10MHz，脉冲幅度仅为1.85V，且供电为正、负双电源供电。

上述脉冲源所产生脉冲重复频率不高，当工作于高复频率时所产生的脉冲幅度为几十、几百毫伏甚至无法产生脉冲，而且脉冲波形质量极差。为了实现码速率上百Mbps的无线通信，重复频率百MHz以上满足要求的脉冲源设计成为关键之一。Christopher R Anderson介绍了一种重复频率为100MHz脉冲源实现方法，但该脉冲源所产生脉冲幅度仅为1.2V，且拖尾十分严重，振铃水平高达30％。

A.De Angelis对前几年各种典型的脉冲产生器进行了总结，这些典型的方法都无法产生高重频、低振铃的超宽带脉冲信号。近年来公开报道了一些新的高重复频率脉冲产生方法，但大都基于SOC技术或光电混合技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的脉冲发生器无法同时得到高重频、低振铃的超宽带脉冲信号的缺陷，从而提供一种能生成同时具有高重频、低振铃的超宽带脉冲信号的脉冲发生器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超宽带脉冲发生器，包括纳秒级驱动正脉冲产生电路1、高速开关电路2，亚纳秒脉冲产生与整形电路3，电压源电路4以及电流源电路5；其中，

所述纳秒级驱动正脉冲产生电路1将外部输入的宽度随机、幅度大于2V的脉冲信号转换为稳定、宽度固定为纳秒级、幅度为5V的窄脉冲；

所述高速开关电路2在所述纳秒级脉冲产生电路1所产生的窄脉冲的驱动下由关状态转为开状态，使所述亚纳秒脉冲产生与整形电路3的输入端电压由静态的电源电压迅速降为接近零；

所述亚纳秒脉冲产生与整形电路3在静态时输入端无信号输入、整形电路处于正向导通状态，输出端无信号输出；当所述高速开关电路2由关切换至开时，所述亚纳秒脉冲产生与整形电路3的输入端输出电流，整形电路电流也由正向导通变为反向导通，此时输出端仍无信号输出；在经历一段时间后，整形电路由反向导通快速转变为反向截止，此时输出端输入电流；当输出端接负载时，在输出端产生负极性电压脉冲；

所述电压源电路4用于为脉冲发生器中的其他电路提供电能；

所述电流源电路5用于为所述亚纳秒脉冲产生与整形电路3提供正向电流。

上述技术方案中，所述纳秒级驱动正脉冲产生电路1包括D触发器及施密特反向器；其中，

所述D触发器的数据D端接入高电平＋3.3V，D触发器的时钟CLK端与外部数据输入端相连，同相输出Q端与反向器的输入端相连，反向输出端经电阻与D触发器清零端相连；所述施密特反向器实现对所述D触发器Q端输出脉冲反向二次，得到幅度为＋5V、形状比较规则的纳秒级脉冲，所述施密特反向器输出端的三个门并联后连接到后续的高速开关电路2。

上述技术方案中，所述高速开关电路2包括第二电阻R2、第二电容C2、第三电阻R3及微波三极管Q1；其中，所述第二电阻R2与第二电容C2并联，该并联电路的输入端连接到高速开关电路2的输入端，输出端连接到微波三极管Q1，微波三极管Q1的一输出端接地，另一输出端连接到该高速开关电路2的输出端，所述电阻R3一端连接到一输出电压，另一端连接到高速开关电路2的输出端。

上述技术方案中，所述亚纳秒脉冲产生与整形电路3包含隔直电容C3、微带电感L1、阶跃恢复二极管D3、第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2以及由电阻R4、电感L2组成的整形滤波电路；其中，

所述隔直电容C3与高速开关电路2的输出端连接；所述隔直电容C3、微带电感L1、第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2依次串联，所述第二肖特基二极管D2连接到整个脉冲发生器的输出端；在所述微带电感L1、第一肖特基二极管D1之间并联有阶跃恢复二极管D3，在第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2之间并联有所述整形滤波电路。

本发明的优点在于：

（1）、本发明的脉冲发生器所生成的脉冲重复频率高，可达150MHz。

（2）、本发明的脉冲发生器所生成的脉冲振铃水平极低，脉冲重复频率为100MHz时振铃水平不超过3‰。

（3）、供电简单，单电源低电压供电，供电电压＋6V。

（4）、所产生脉冲窄，脉冲宽度392ps。

（5）、所产生高重复脉冲幅度大，在重复频率为100MHz时峰－峰值为3.1V。

附图说明

图1是本发明的脉冲发生器的结构示意图；

图2是本发明的脉冲发生器中的纳秒级驱动正脉冲产生电路的示意图；

图3是本发明的脉冲发生器中的高速开关电路的示意图；

图4是本发明的脉冲发生器中的亚纳秒脉冲产生与整形电路的示意图；

图5是本发明的脉冲发生器中的电压源电路的示意图；

图6是本发明的脉冲发生器中的电流源电路的示意图；

图7是脉冲源测试结果的示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

参考图1，本发明的脉冲发生器包括纳秒级驱动正脉冲产生电路1、高速开关电路2，亚纳秒脉冲产生与整形电路3，电压源电路4以及电流源电路5。其中，所述纳秒级驱动正脉冲产生电路1、高速开关电路2以及亚纳秒脉冲产生与整形电路3依次电连接，所述电压源电路4分别与纳秒级驱动正脉冲产生电路1、高速开关电路2以及电流源电路5电连接，所述电流源电路5还与亚纳秒脉冲产生与整形电路3电连接。

下面对本发明的脉冲发生器中的各个装置做进一步说明。

纳秒级驱动正脉冲产生电路1为脉冲发生器的输入接口电路，其功能是将外部输入的宽度随机、幅度大于2V的脉冲信号转换为稳定、宽度固定为几纳秒、幅度为5V的窄脉冲，以驱动后级的高速开关电路2。

高速开关电路2在纳秒级脉冲产生电路1所产生的窄脉冲的驱动下由关（截止）状态转为开（饱和导通）状态，使所述亚纳秒脉冲产生与整形电路3的输入端电压由静态的电源电压迅速降为接近零。

亚纳秒脉冲产生与整形电路3在静态时输入端无信号输入、整形电路处于正向导通状态，输出端无信号输出。当高速开关电路2由关切换至开时，所述亚纳秒脉冲产生与整形电路3的输入端输出电流，整形电路电流也由正向导通变为反向导通，此时输出端仍无信号输出；在经历一段时间后，整形电路由反向导通快速转变为反向截止，此时输出端输入电流；当输出端接负载时，便在输出端产生负极性电压脉冲。

电压源电路4用于为脉冲发生器中的其他电路提供电压。

电流源电路5用于为亚纳秒脉冲产生与整形电路3提供正向电流。

下面对脉冲发生器中的各个部件的结构做详细描述。

参考图2，纳秒级驱动正脉冲产生电路1包括D触发器及施密特反向器；其中，D触发器的数据D端接入高电平＋3.3V，D触发器的时钟CLK端与外部数据输入端相连，同相输出Q端与反向器的输入端相连，反向输出端经电阻与D触发器清零端相连；施密特反向器的输出端的三个门并联后连接到后续的高速开关电路2。

当外部数据输入端所传输的外部数据输入信号上升沿到来时，依据D触发器特性方程：

Qⁿ⁺¹＝D （1）

由于D端接高电平，因此Q端由低电平跳变为高电平，端由高电平跳变为低电平。在输入信号上升沿到来之前，为高电平，电容C1因充满电其电压接近＋3.3V；当变为低时，电容C1通过R1放电，D触发器清零端电压逐渐降低，当其降至小于0.8V时，D触发器迅速清零，Q端由高低平跳变为低电平。这样，便在Q端得到正极性窄脉冲信号，脉冲信号的底部宽度为门延时与电容C1放电至低电平时时间之和，由于上述时间均为ns级，因此Q端脉冲可控制为ns级。所述门延时为D触发器的固定延时，电容放电时间为可变延时，可通过增加或减少τ＝R1×C1来延长或缩短该时间。

施密特反向器实现对触发器Q端输出脉冲反向二次，得到幅度为＋5V、形状比较规则的纳秒级脉冲。反向器输出端三个门并联使用，增强了对后级高速开关电路的驱动能力。

在图2所示的实施例中，D触发器采用型号为SN74LVC74A的产品，而施密特反向器则采用型号为74ACT14的产品，在其他实施例中，所述D触发器以及施密特反向器也可采用其他类型的产品。

参考图3，高速开关电路2包括电阻R2、电容C2、电阻R3及微波三极管Q1。其中，所述电阻R2与电容C2并联，该并联电路的输入端连接到高速开关电路2的输入端，输出端连接到微波三极管Q1，微波三极管Q1的一输出端接地，另一输出端连接到该高速开关电路2的输出端，所述电阻R3一端连接到一输出电压，另一端连接到高速开关电路2的输出端。

当所述纳秒级驱动正脉冲产生电路1中的反向器输出信号为低时，微波三极管的基极电流几乎为零，集电极电流为微安级，微波三极管处于截止状态，开关断开；当反向器输出信号由低电平跳变至高电平时，微波三极管也迅速由截止区经放大区进入饱和区，在本实施例中，基极电流为集电极电流约为

$I_C=\frac{6V}{R_2}=\frac{6V}{200\mathrm{\Ω}}=30\mathrm{mA}---\left(2\right)$

三极管集电极与发射极之间电压为V_CE≤0.3V，集电极电压迅速由电源电压降为与0接近，三极管集电极与发射极之间导通，开关闭合。由于三极管f_T＝5.5GHz，β=120，因此微波三极管的开关时间为纳秒级，从而能够满足高速开关的目的。

参考图4，亚纳秒脉冲产生与整形电路3包含隔直电容C3、微带电感L1、阶跃恢复二极管D3、第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2以及由电阻R4、电感L2组成的整形滤波电路。其中，所述隔直电容C3与高速开关电路2的输出端连接；所述隔直电容C3、微带电感L1、第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2依次串联，所述第二肖特基二极管D2连接到整个脉冲发生器的输出端；在所述微带电感L1、第一肖特基二极管D1之间并联有阶跃恢复二极管D3，在第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2之间并联有所述整形滤波电路。

阶跃恢复二极管D3载流子寿命选择为8ns～20ns之间，阶跃时间选择为50ps～100ps之间。作为一种优选实现方式，所述阶跃恢复二极管可选择Metelics公司生产的SMMD840及SMMD830，或M-pulse微波公司生产的MP4021及MP4031，或ADVANCED SEMICONDUCTOR公司生产的ASRD803及ASRD806，或成都亚光电子生产的2J4系列的器件。

肖特基二极管可选择INFINEON公司生产的BAT15、AVAGO公司生产的HSMS2860及成都亚光电子生产的2H12673系列的器件。

微带电感采用高阻抗的微带线实现。微带线阻抗可选择在90Ω～120Ω之间，长度可选择在9-20mm之间。微带电感也可采用高频集总参数电感，如振华富公司生产的MLCH2B1608H系列电感量在2nH～10nH之间的电感。

脉冲产生与整形电路的输入端电容可选择为1nF～10nF之间。

下面对亚纳秒脉冲产生与整形电路3的工作过程进行描述：

高速开关电路2截止时，亚纳秒脉冲产生与整形电路3处于静态，隔直电容C2左端电压为＋6V，右端电压为阶跃恢复二极管D3正向导通电压，约0.7V。当高速开关电路2开启时，由于电容电压不能突变，隔直电容C₂右端处电压迅速降为－5V左右，微带电感L1及阶跃恢复二极管D3电流反向。与普通二极管不同，阶跃恢复二极管D3在反向偏置时并不马上截止，而是在经历存储时间及阶跃时间后才完全截止。从反向偏置开始至存储时间结束这段时间，D3与正向导通时一样阻抗很小。反向电流通过微带电感L1，并储能于微带电感L1。在阶跃时间段，D3阻抗迅速由很小变为很大，而此时由于微带电感L1储能，电流不能突变，因此D3两端的反向电压迅速升高。当此电压大于D1、D2的导通电压时，D1、D2导通，负载两端产生负脉冲信号，脉冲下降时间与D₃阶跃时间相当。由于阶跃恢复二极管的阶跃时间很短，一般为40-1000ps，因此可以在脉冲整形电路两端得到下降沿为40-1000ps左右的电压信号。当D3完全截止后，由于L1储能的释放，在负载两端得到近似呈指数下降的电压。由于电感L1为微带电感，电感量为nH级，储能低，能量释放时间为亚纳秒级。这样，在负载端便可得到宽度为亚纳秒级的窄脉冲。依据电路理论，对于一阶RL电路

$i=I_0{e}^{-t/\mathrm{\τ}},\mathrm{\τ}=\frac{L}{R}---\left(3\right)$

当R＝50Ω时，若L＝10nH时，τ＝200ps。依据电磁场理论，当微带线特征阻抗很大时近似等效为电感，电感量为

$L=\frac{Z_0\mathrm{\βd}}{\mathrm{\ω}}---\left(4\right)$

其中，Z₀为微带线的特征阻抗、β为相位常数、d为微带线的长度、ω为信号频率。Z₀若选为100Ω，ω＝1.256×10¹⁰弧度，微波板介电常数选为3.38，厚度选为0.508mm，则当微带线宽度为0.27mm，长度为19.3mm时，L≈10nH。

当负极性脉冲通过D1时，往D2及整形滤波电路两个方向传播，负极性脉冲经整形滤波电路到地之后反向、衰减后与先前到达的往D2方向传播的负极性脉冲叠加使其脉冲尾部为正极性。由于D2的单向导电性，正向脉冲无法通过，低振铃负极性脉冲通过D2输出至负载两端。

参考图5，电压源电路包括线性电源U3、开关电源U4、滤波电容及其它附属电路。电压源电路为电路1及电路2提供所需电源。其中，U4将+6V变为+5V，U3将+5V变为+3.3V，以为其它电路提供电源。

参考图6，电流源电路包括电阻R4及电感L1。电R4一端与电压源相连，一端与L1相连，L1另一端与亚纳秒脉冲产生与整形电路3相连。电流源电路为阶跃恢复二极管D₃提供正向电流，电流大小为

$I=\frac{V_S-V_{D3}}{R6}=\frac{5V-0.7V}{560\mathrm{\Ω}}\≈7.7\mathrm{mA}---\left(5\right)$

以上是对本发明的脉冲发生器中各个部件的描述。在图7描述了脉冲发生器的脉冲源测试结果；其中，图7（a）为单脉冲时域波形，脉冲宽度为392ps（50％－50％），振铃水平为3‰，脉冲幅度为3.1V；图7（b）为图6（a）所示信号的频谱，由频谱可知图6（a）所示信号带宽为1.6GHz（－10dB）；图7（c）所示为脉冲重复频率为100MHz时脉冲串时域波形；图7（d）所示为脉冲重复频率为150MHz时脉冲串时域波形。上述时域波形均采用Agilent公司生产的型号为DSA-X91604A示波器测试得到，该示波器带宽为16GHz，采样率为40GSPS。由测试结果可知，本发明所实现脉冲源所产生脉冲信号重复频率高、振铃水平低适合应用于短距离高速无线通信，如太空舱内高速无线总线等应用。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种超宽带脉冲发生器，其特征在于，包括纳秒级驱动正脉冲产生电路(1)、高速开关电路(2)，亚纳秒脉冲产生与整形电路(3)，电压源电路(4)以及电流源电路(5)；其中，

所述纳秒级驱动正脉冲产生电路(1)将外部输入的宽度随机、幅度大于2V的脉冲信号转换为稳定、宽度固定为纳秒级、幅度为5V的窄脉冲；

所述高速开关电路(2)在所述纳秒级脉冲产生电路(1)所产生的窄脉冲的驱动下由关状态转为开状态，使所述亚纳秒脉冲产生与整形电路(3)的输入端电压由静态的电源电压迅速降为接近零；

所述亚纳秒脉冲产生与整形电路(3)在静态时输入端无信号输入、整形电路处于正向导通状态，输出端无信号输出；当所述高速开关电路(2)由关切换至开时，所述亚纳秒脉冲产生与整形电路(3)的输入端输出电流，整形电路阶跃恢复二极管也由正向导通变为反向导通，此时输出端仍无信号输出；在经历一段时间后，阶跃恢复二极管由反向导通快速转变为反向截止，此时输出端输入电流；当输出端接负载时，在输出端产生负极性电压脉冲；其中，

所述亚纳秒脉冲产生与整形电路(3)包含隔直电容(C3)、微带电感(L1)、阶跃恢复二极管(D3)、第一肖特基二极管(D1)、第二肖特基二极管(D2)以及由电阻(R4)、电感(L2)组成的整形滤波电路；其中，所述隔直电容(C3)与高速开关电路(2)的输出端连接；所述隔直电容(C3)、微带电感(L1)、第一肖特基二极管(D1)、第二肖特基二极管(D2)依次串联，所述第二肖特基二极管(D2)连接到整个脉冲发生器的输出端；在所述微带电感(L1)、第一肖特基二极管(D1)之间并联有阶跃恢复二极管(D3)，在第一肖特基二极管(D1)、第二肖特基二极管(D2)之间并联有所述整形滤波电路；

所述电压源电路(4)用于为脉冲发生器中的其他电路提供电能；

所述电流源电路(5)用于为所述亚纳秒脉冲产生与整形电路(3)提供正向电流。

2.根据权利要求1所述的超宽带脉冲发生器，其特征在于，所述纳秒级驱动正脉冲产生电路(1)包括D触发器及施密特反向器；其中，

所述D触发器的数据D端接入高电平+3.3V，D触发器的时钟CLK端与外部数据输入端相连，同相输出Q端与施密特反向器的输入端相连，D触发器的反向输出端经电阻与D触发器清零端相连；所述施密特反向器实现对所述D触发器Q端输出脉冲反向二次，得到幅度为+5V、形状比较规则的纳秒级脉冲，所述施密特反向器输出端的三个门并联后连接到后续的高速开关电路(2)。

3.根据权利要求1所述的超宽带脉冲发生器，其特征在于，所述高速开关电路(2)包括第二电阻(R2)、第二电容(C2)、第三电阻(R3)及微波三极管(Q1)；其中，所述第二电阻(R2)与第二电容(C2)并联，该并联电路的输入端连接到高速开关电路(2)的输入端，该并联电路的输出端连接到微波三极管(Q1)，微波三极管(Q1)的发射极接地，集电极连接到该高速开关电路(2)的输出端，所述电阻(R3)一端连接到一输出电压，另一端连接到高速开关电路(2)的输出端。