CN103929089B - 快前沿阶跃脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种至少包括一脉冲信号发生电路的快前沿阶跃脉冲发生器。该脉冲信号发生电路包括：充放电电路，包括一第三充放电电容C3；雪崩三极管驱动脉冲形成电路，包括一雪崩三极管Q2；阶跃恢复二极管脉冲形成电路，包括一第一阶跃恢复二极管D1；以及耦合电路，包括一第五耦合电容C5和第六耦合电容C6。本发明快前沿阶跃脉冲发生器利用射频三极管的快速开关特性、雪崩三极管的雪崩效应以及阶跃恢复二极管的阶跃特性等产生大幅度的快前沿阶跃脉冲信号，其前沿陡峭，后沿相对较缓，且后沿几乎无高频过冲，与发射天线相连时，不会引入高频振铃，有利于提高系统的浅层探测能力。

Description

快前沿阶跃脉冲发生器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种快前沿阶跃脉冲发生器。

背景技术

超宽带技术采用亚纳秒级或皮秒级窄脉冲作为传输载体，具有低功耗、低成本、发射信号功率谱密度低、高距离分辨率、高隐蔽性、强穿透能力、强抗干扰能力等优点，可以有效地应用于无线通信、无线传感器网络、探地雷达、穿墙雷达、雷达定位、跟踪、穿透障碍物成像、军事领域、安检、灾害搜救等诸多领域。在超宽带技术的各项关键技术中，窄脉冲信号发生器的研制一直是超宽带研究领域中备受关注的技术问题。

常用的脉冲产生方式有两种：一种是利用CMOS逻辑门电路的竞争-冒险现象以及组合逻辑功能产生窄脉冲；另一种是基于高速开关器件的充放电效应形成窄脉冲信号，常用的高速开关器件有雪崩三极管、射频三极管、隧道二极管、阶跃恢复二极管等，这些器件产生的脉冲特性也因其工作原理差异而各有所不同，适用于不同的需求。

上述两种脉冲产生方式分别存在各自的缺陷。利用CMOS逻辑门电路产生窄脉冲的方法，产生脉冲的幅度较小，应用上具有很大的局限性。利用高速开关器件的充放电效应形成窄脉冲的方法，各种器件单独产生脉冲信号时，在脉冲幅度和宽度上总是相互制约，如利用雪崩三极管产生脉冲信号，输出脉冲的幅度较大，但是脉冲宽度多为纳秒量级；利用阶跃恢复二极管产生脉冲信号，输出脉冲的宽度为皮秒量级，但是脉冲幅度较小。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术中脉冲发生器输出的信号多为高斯型脉冲信号，其主脉冲后端不可避免地跟随着一些过冲，其与实际的偶极子发射天线相接时，存在主脉冲后端拖尾大、反射振荡严重等缺陷，影响了超宽带雷达系统浅层探测的能力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种快前沿阶跃脉冲发生器，以尽可能减小主脉冲后端的拖尾。

(二)技术方案

本发明快前沿阶跃脉冲发生器至少包括一脉冲信号发生电路。该脉冲信号发生电路包括：充放电电路，包括：第三充放电电容C3，其第一端通过第四电阻R4和第一电感L1连接至高压供电电压HV，其第二端通过第六电阻R6连接至电源正极；雪崩三极管驱动脉冲形成电路，其中，雪崩三极管Q2的连接关系为：基极和发射极分别输入双端脉冲触发信号，其该发射极通过第五电阻R5连接至地；集电极连接至第三充放电电容C3的第一端；阶跃恢复二极管脉冲形成电路，包括：第一阶跃恢复二极管D1，其正极端通过第七电阻R7连接至第三充放电电容C3的第二端；第二阶跃恢复二极管D2，其正极端连接至所述第一阶跃恢复二极管D1的负极端，其负极端通过串联的第八电阻R8和第四电容C4连接至所述雪崩三极管Q2的发射极，所述第八电阻R8和第四电容C4之间通过第九电阻R9连接至地；以及耦合电路，包括：第五耦合电容C5，其第一端连接至所述第一阶跃恢复二极管D1的正极端，其第二端作为快前沿阶跃脉冲发生器的负脉冲输出端；以及第六耦合电容C6，其第一端连接至所述第二阶跃恢复二极管D2的负极端，其第二端作为快前沿阶跃脉冲发生器的正脉冲输出端；其中，所述第五耦合电容C5的第二端和第六耦合电容C6的第二端之间设置电阻。

(三)有益效果

本发明快前沿阶跃脉冲发生器利用射频三极管的快速开关特性、雪崩三极管的雪崩效应以及阶跃恢复二极管的阶跃特性等产生大幅度的快前沿阶跃脉冲信号，其前沿陡峭，后沿相对较缓，且后沿几乎无高频过冲，与发射天线相连时，不会引入高频振铃，有利于提高系统的浅层探测能力。

附图说明

图1为根据本发明实施例快前沿阶跃脉冲发生器的结构示意图；

图2为图1所示快前沿阶跃脉冲发生器的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明采用射频三极管、雪崩三极管和阶跃恢复二极管等构成大幅度快前沿阶跃脉冲发生器，实现脉冲宽度和电压幅度可调，适合于脉冲型超宽带雷达系统的浅层探测应用。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种快前沿阶跃脉冲发生器。图1为根据本发明实施例快前沿阶跃脉冲发生器的结构示意图。图2为图1所示快前沿阶跃脉冲发生器的电路图。请参照图1和图2，本实施例快前沿阶跃脉冲发生器包括：触发信号产生电路，用于产生触发信号；触发信号整形电路，其前端电性连接至触发信号产生电路，用于对触发信号进行整形处理；脉冲信号发生电路，其前端电性连接至触发信号整形电路，用于利用整形处理后的脉冲触发信号触发产生快前沿阶跃脉冲信号。

以下分别对本实施例快前沿阶跃脉冲发生器的各个组成部分进行详细说明。

1、单端触发信号产生电路

本实施例中，单端触发信号产生电路为一方波发生器，其产生幅度为5V，脉冲宽度为100ns，信号重复频率为500kHz的方波信号。

本发明并不以此为限，该触发信号的幅度可以介于5V～10V之间，脉冲宽度可以介于50ns～500ns之间，信号重复频率可以介于100KHz～1MHz之间。

此外，本发明中也可以不包含该单端触发信号产生电路，而直接由外界输入满足上述条件的一触发信号，同样可以实现本发明。

2、触发信号整形电路

请参照图2，触发信号整形电路包括：

变压器电路，其中，变压器T1的初级线圈的同名端通过并联的第一电容C1和第一电阻R1连接至触发信号输入端，非同名端连接至地；

射频三极管开关电路，其中，射频三极管Q1(BFG35)基极连接至变压器T1次级线圈的同名端，发射极连接至变压器T1的次级线圈的非同名端，集电极通过第二电阻R2连接至电源正极(+12V)，整形后的双端触发信号由射频三极管Q1的集电极和发射极输出。

该触发信号整形电路中，变压器T1将输入的单端脉冲触发信号转换为双端触发信号，控制着射频三极管电路的开启和关闭。射频三极管Q1有快速导通和闭合的功能，可以对触发信号进行整形，从而在集电极产生边沿快、相位相反的一负极性脉冲触发信号。

本发明并不以此为限，触发信号整形电路还可以直接由PNP型射频三极管开关电路替代，去掉变压器电路，在PNP型射频三极管的集电极产生边沿快、相位相反的一正极性脉冲触发信号，提供给雪崩三极管Q2(FMMT413)的基极；

触发信号整形电路输出的双端脉冲触发信号幅度可以介于2V～12V之间，脉冲宽度可以介于50ns～100ns之间，脉冲重复频率可以介于100KHz～1MHz之间。

此外，本发明中也可以不包含该触发信号整形电路，而直接由外界输入一满足上述条件的双端脉冲触发信号，同样可以实现本发明。

3、脉冲信号发生电路

请参照图2，该脉冲信号发生电路包括：

充放电电路，包括：第三充放电电容C3，其第一端通过第四电阻R4和第一电感L1连接至高压供电电压HV(取值在140V～200V之间)，其第二端通过第六电阻R6连接至电源正极(+12V)；

雪崩三极管驱动脉冲形成电路，其中，雪崩三极管Q2的连接关系如下：基极连接至变压器T1次级线圈的非同名端；集电极连接至第三充放电电容C3的第一端；发射极通过第五电阻R5连接至地，并通过串联的第三电阻R3和第二电容C2连接至射频三极管Q1的集电极，

阶跃恢复二极管脉冲形成电路，包括：第一阶跃恢复二极管(SRD)D1，其正极端通过第七电阻R7和第六电阻R6连接至电源正极；第二阶跃恢复二极管(SRD)D2，其正极端连接至第一阶跃恢复二极管D1的负极端，其负极端通过串联的第八电阻R8和第四电容C4连接至雪崩三极管Q2的发射极，第八电阻R8和第四电容C4之间通过第九电阻R9连接至地；

耦合电路，包括：第五耦合电容C5，其第一端连接至第一阶跃恢复二极管D1的正极端，其第二端作为本实施例快前沿阶跃脉冲发生器的负脉冲输出端；第六耦合电容C6，其第一端连接至第二阶跃恢复二极管D2的负极端，其第二端作为本实施例快前沿阶跃脉冲发生器的正脉冲输出端；其中，第五耦合电容C5的第二端和第六耦合电容C6的第二端之间串联第十电阻R10和第十一电阻R11。

对于阶跃恢复二极管脉冲形成电路中的第一阶跃恢复二极管D1和第二阶跃恢复二极管D2而言，在正向偏置状态下，阶跃恢复二极管处于导通状态，电荷存储于阶跃恢复二极管的PN结附近，当纳秒级脉冲驱动信号到达时，阶跃恢复二极管处于反向偏置状态，但其并不会立即截止，直至其PN结附近的电荷被提取完毕时，阶跃恢复二极管内电流立即降为零，产生电流的阶跃，从而产生电压的阶跃，形成前沿极快的阶跃脉冲信号。

该脉冲信号发生电路中，雪崩三极管在脉冲触发信号的作用下快速导通，产生雪崩击穿效应，通过第三充放电电容C3的充放电过程，在雪崩三极管的集电极和发射极分别产生负极性和正极性的大幅度驱动脉冲信号。阶跃恢复二极管对雪崩三极管驱动脉冲形成电路输出的驱动脉冲信号进行整形，产生快前沿阶跃脉冲信号。该快前沿阶跃脉冲信号的脉冲前沿由阶跃恢复二极管的阶跃时间决定，脉冲后沿由第三充放电电容C3和第四电阻R4的大小决定。

所述的快前沿阶跃脉冲发生器的工作方法，其改变高压供电电压HV、第三充放电电容C3和第四电阻R4的大小，可以调节输出脉冲的宽度和幅度，实现脉冲可调性。

本实施例快前沿阶跃脉冲发生器的工作过程如下：

步骤一、当触发信号处于低电平状态时，射频三极管Q1、雪崩三极管Q2均处于闭合状态，高压电源HV通过第一电感L1和第四电阻R4对第三电容C3进行充电，SRD在正向偏置电压的作用下处于正向导通状态；

步骤二、当触发信号处于高电平时，射频三极管Q1快速导通，在其集电极产生一个前沿快的负极性脉冲触发信号；

步骤三、雪崩三极管Q2在脉冲触发信号的作用下产生雪崩击穿效应，形成雪崩电流，在第三充放电电容C3的充放电过程中，Q2的集电极和发射极分别形成负极性驱动脉冲信号和正极性驱动脉冲信号；

步骤四、驱动脉冲信号同时到达第一阶跃恢复二极管D1的正极和第二阶跃恢复二极管D2的负极，第一阶跃恢复二极管D1、第二阶跃恢复二极管D2处于反向偏置状态，但它们并未立即截止，而是经过一段电荷提取的时间再完全截止，从而在第一阶跃恢复二极管D1的正极形成一个负极性的快前沿阶跃脉冲信号，在第二阶跃恢复二极管D2的负极形成一个正极性的快前沿阶跃脉冲信号；

步骤五、调节第三电容C3和第四电阻R4的取值大小，其中第三电容C3的电容取值在1nf～5nf之间，第四电阻R4的电阻取值在1kΩ～5kΩ之间，可以调节输出的快前沿阶跃脉冲信号的脉冲宽度和电压幅度，取值越大，则脉冲宽度越大，电压幅度也越大。第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9的阻值均与所选取的阶跃恢复二极管的型号相关。本领域技术人员可以根据选取阶跃恢复二极管的型号选取合适的阻值。L1只是实现滤波的功效，其电感值合适选择。第五电容C5和第六电容C6的电容相等，取10pF～100pF。

实际测试表明，本实施例产生的快前沿脉冲信号，前沿在200ps～500ps，为皮秒量级，后沿在2ns～6ns，为纳秒量级，且后沿光滑度好，没有抖动，振铃几乎为零，不需要额外增加减小振铃的电路，电压幅度为±10V～±40V，与实际天线相连接时，后端无拖尾和过冲，性能优良，匹配效果更佳，满足超宽带雷达系统的浅层探测需求。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明快前沿阶跃脉冲发生器有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)本实施例中，触发信号产生电路也可以由FPGA芯片产生，便于系统集成；

(2)触发信号整形电路还可以直接由PNP型射频三极管开关电路替代，在集电极产生正极性的脉冲触发信号送给雪崩三极管Q2的基极；

(3)给阶跃恢复二极管D1和D2提供正向偏置的电压源+VCC可以用恒流源来代替；

(4)上述实施例中，基于电路对称性的考虑，设置了第十电阻R10和第十一电阻R11，事实上，该两电阻也可以合二为一，即用一个电阻实现。

综上所述，本发明利用射频三极管对输入的触发信号进行整形，产生边沿较快的脉冲触发信号，利用雪崩三极管的雪崩击穿效应产生大幅度的驱动脉冲信号，利用阶跃恢复二极管的阶跃特性对大幅度的驱动脉冲信号进行整形，产生快前沿的阶跃脉冲信号；并且实现输出脉冲的幅度与宽度的可调，满足超宽带雷达系统的浅层探测需求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快前沿阶跃脉冲发生器，其特征在于，至少包括一脉冲信号发生电路，该脉冲信号发生电路包括：

充放电电路，包括：充放电电容C3，其第一端通过电阻R4和电感L1连接至高压供电电压HV，其第二端通过电阻R6连接至电源正极；

雪崩三极管驱动脉冲形成电路，其中，雪崩三极管Q2的连接关系为：基极和发射极分别输入双端脉冲触发信号，其该发射极通过电阻R5连接至地；集电极连接至充放电电容C3的第一端；

阶跃恢复二极管脉冲形成电路，包括：阶跃恢复二极管D1，其正极端通过电阻R7连接至充放电电容C3的第二端；阶跃恢复二极管D2，其正极端连接至所述阶跃恢复二极管D1的负极端，其负极端通过串联的电阻R8和电容C4连接至所述雪崩三极管Q2的发射极，所述电阻R8和电容C4之间通过电阻R9连接至地；以及

耦合电路，包括：耦合电容C5，其第一端连接至所述阶跃恢复二极管D1的正极端，其第二端作为快前沿阶跃脉冲发生器的负脉冲输出端；以及耦合电容C6，其第一端连接至所述阶跃恢复二极管D2的负极端，其第二端作为快前沿阶跃脉冲发生器的正脉冲输出端；其中，所述耦合电容C5的第二端和耦合电容C6的第二端之间串联设置电阻R10和电阻R11。

2.根据权利要求1所述的快前沿阶跃脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲信号发生电路中充放电电路中

所述充放电电容C3为可调电容，其电容值在1nf～5nf之间可调；

所述电阻R4为可调电阻，其电阻值在1kΩ～5kΩ之间可调。

3.根据权利要求1所述的快前沿阶跃脉冲发生器，其特征在于，所述耦合电容C5和耦合电容C6的电容值相等，介于10pF～100pF之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的快前沿阶跃脉冲发生器，其特征在于，输入至所述雪崩三极管Q2的基极和发射极的双端脉冲触发信号的信号幅度介于2V～12V之间，脉冲宽度介于50ns～100ns之间，脉冲重复频率介于100KHz～1MHz之间。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的快前沿阶跃脉冲发生器，其特征在于，所述高压供电电压HV的电压取值介于140V～200V之间，所述电源正极电压取值为+12V。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的快前沿阶跃脉冲发生器，其特征在于，还包括：

触发信号整形电路，用于将输入的单端触发信号转换为双端触发信号，并对其进行整形。

7.根据权利要求6所述的快前沿阶跃脉冲发生器，其特征在于，所述触发信号整形电路包括：

变压器电路，其中，变压器T1的初级线圈的同名端通过并联的电容C1和电阻R1连接至单端触发信号输入端，非同名端连接至地；以及

射频三极管开关电路，其中，射频三极管Q1的基极连接至所述变压器T1次级线圈的同名端，发射极连接至所述变压器T1的次级线圈的非同名端，集电极通过电阻R2连接至电源正极；

其中，所述射频三极管Q1的集电极通过串联的电容C2和电阻R3连接至所述雪崩三极管Q2的发射极，发射极连接至所述雪崩三极管Q2的基极。

8.根据权利要求6所述的快前沿阶跃脉冲发生器，其特征在于，还包括：

单端触发信号产生电路，用于产生单端触发信号，该单端触发信号的幅度介于5V～10V之间，脉冲宽度介于50ns～500ns之间，信号重复频率介于100KHz～1MHz之间。

9.根据权利要求8所述的快前沿阶跃脉冲发生器，其特征在于，所述单端触发信号产生电路为一方波发生器。