CN103929154B - 皮秒级单周期脉冲发射机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种皮秒级单周期脉冲发射机。该皮秒级单周期脉冲发射机利用射频三极管的开关特性、宽带线性功率放大三极管的驱动能力、阶跃恢复二极管的阶跃特性、变容二极管的电容可变特性以及微带短路线的全反射特性等产生皮秒级的单周期脉冲信号，输出脉冲正负极性对称性好、峰峰值幅度大，脉冲底宽窄、拖尾小，适合于高分辨率的脉冲型超宽带雷达系统应用。

Description

皮秒级单周期脉冲发射机

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种皮秒级单周期脉冲发射机。

背景技术

超宽带技术具有许多引人注目的特性，如低功率、强渗透能力、定位精度高、数据传输率高等，因此，超宽带技术被广泛的应用于日常生活中。例如，超宽带技术能被应用于探地雷达、穿墙雷达、生命检测雷达、雷达成像、精确定位和跟踪等领域中。在联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)的授权下，超宽带技术应用于通信系统中，满足其短距离和高数据率的需求。

脉冲发生器是超宽带系统的重要组成部分，在一定程度上，脉冲发射机的输出脉冲带宽决定了超宽带系统的工作带宽。常用的脉冲产生方法有：逻辑电路、非线性传输线电路、激光时域电路、隧道二极管电路、雪崩三极管电路、阶跃恢复二极管电路等。然而，这些电路单独工作时，均存在着各自的缺陷：逻辑电路产生的脉冲底宽相对较大；根据非线性传输线技术和激光时域技术设计的电路结构复杂性大，不便于调试；隧道二极管产生脉冲电压幅度较小；而雪崩三极管要求一个高的击穿电压，需增加高压供电模块。

常用的单周期脉冲产生方法有两种：一种是利用微分电路对单极性脉冲进行微分；另一种是脉冲合成技术，将正负极性脉冲合成为单周期脉冲。

在实现本发明的过程中，申请人发现上述利用微分电路对单极性脉冲进行微分的单周期脉冲产生方式，脉冲幅度由于微分效应损失较大，输出单周期脉冲幅度相对较小，对单极性脉冲信号的对称性和边沿速率有较高要求，且产生的单周期脉冲的主脉冲后端拖尾大，振铃水平较高，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，影响了高分辨率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，本发明提供了一种皮秒级单周期脉冲发射机，以减小微分效应损失，提高单周期脉冲幅度。

(二)技术方案

本发明皮秒级单周期脉冲发射机包括：脉冲信号发生电路，用于利用输入的触发脉冲信号触发产生皮秒级单极性脉冲信号，包括：充放电电路，包括：第二充放电电容C2，其第一端通过第三电阻R3连接至第二电源正极VCC2，其第二端通过第五电阻R5和第四可变电阻R4连接至第三电源正极(VCC3)；宽带线性功率放大三极管驱动脉冲形成电路，其中，宽带线性功率放大三极管Q2的连接关系如下：其基极通过并联的第二电阻R2和第一电容C1连接至触发脉冲信号的输入端；其集电极连接至第二充放电电容C2的第一端；其发射极连接至地；阶跃恢复二极管脉冲形成电路，其中，阶跃恢复二极管D1的连接关系如下：其正极端通过第一电感L1连接至第二充放电电容C2的第二端；其负极端连接至地；以及耦合电路模块，包括：第三耦合电容C3，其第一端连接至阶跃恢复二极管D1的正极端，其第二端输出皮秒级单极性脉冲信号；脉冲信号压缩整形电路，其前端电性连接至脉冲信号发生电路，用于对其产生的皮秒级单极性脉冲信号进行压缩整形；以及单周期脉冲形成电路，其前端电性连接至脉冲信号压缩整形电路，用于将压缩整形后的皮秒级单极性脉冲信号合成为皮秒级单周期脉冲信号。

(三)有益效果

本发明皮秒级单周期脉冲发射机利用射频三极管的开关特性、宽带线性功率放大三极管的驱动能力、阶跃恢复二极管的阶跃特性、变容二极管的电容可变特性以及微带短路线的全反射特性等产生皮秒级的单周期脉冲信号，输出脉冲正负极性对称性好、峰峰值幅度大，脉冲底宽窄、拖尾小，适合于高分辨率的脉冲型超宽带雷达系统应用。

附图说明

图1为根据本发明实施例皮秒级单周期脉冲发射机的结构示意图；

图2为图1所示皮秒级单周期脉冲发射机的电路图。

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。

本发明利用射频三极管、宽带线性功率放大三极管、阶跃恢复二极管、变容二极管以及微带短路线的全反射特性等产生皮秒级的单周期脉冲信号。射频三极管对输入的触发信号进行整形，宽带线性功率放大三极管在触发脉冲信号的作用下产生大幅度的脉冲驱动信号，阶跃恢复二极管将脉冲驱动信号整形为窄脉冲信号，并联的变容二极管对窄脉冲信号进行压缩整形，产生脉冲底宽窄、幅度大的单极性极窄脉冲信号；采用电感等效的微带短路线的全发射特性合成产生皮秒级的单周期脉冲信号，适用于高分辨率的超宽带系统。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种皮秒级单周期脉冲发射机。图1为根据本发明实施例皮秒级单周期脉冲发射机的结构示意图。图2为图1所示皮秒级单周期脉冲发射机的电路图。

请参照图1和图2，本实施例皮秒级单周期脉冲发射机包括：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触发脉冲信号触发产生大幅度皮秒级单极性脉冲信号；脉冲信号压缩整形电路，其前端电性连接至脉冲信号发生电路，用于对产生的皮秒级单极性脉冲信号进行压缩整形；以及单周期脉冲形成电路，其前端电性连接至脉冲信号压缩整形电路，用于将压缩整形后的皮秒级单极性脉冲信号合成为皮秒级单周期脉冲信号。

以下分别对本实施例皮秒级单周期脉冲发射机的各个组成部分进行详细说明。

1、触发信号产生电路

本实施例中，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1MHz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～12V之间，脉冲宽度可以介于30ns～800ns之间，信号重复频率可以介于100KHz～3MHz之间。

此外，本发明中也可以不包含该触发信号产生电路，而直接由外界输入一满足上述条件的触发信号，同样可以实现本发明。

2、触发信号整形电路

请参照图2，该触发信号整形电路为一射频三极管开关电路，其中，射频三极管Q1(BFG31)基极连接至触发信号输入端，集电极通过第一电阻R1连接至地，发射极直接连接至第一电源正极VCC1(+12V)，整形后的单端触发脉冲信号由射频三极管Q1的集电极输出；

该触发信号整形电路中，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的一正极性触发脉冲信号。

本发明并不以此为限，触发信号整形电路还可以由NPN型射频三极管开关电路替代，在NPN型射频三极管的发射极产生边沿快的一正极性触发脉冲信号，提供给宽带线性功率放大三极管Q2的基极；

触发信号整形电路输出的触发脉冲信号幅度可以介于2V～12V之间，脉冲宽度可以介于2ns～10ns之间，脉冲重复频率可以介于100KHz～3MHz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单端触发脉冲信号，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：第二充放电电容C2，其第一端通过第三电阻R3连接至第二电源正极VCC2(取值在40V～50V之间)，其第二端通过第五电阻R5和第四可变电阻R4连接至第三电源正极VCC3(+9V)；

宽带线性功率放大三极管驱动脉冲形成电路，其中，宽带线性功率放大三极管Q2的连接关系如下：其基极通过并联的第二电阻R2和第一电容C1连接至射频三极管Q1的集电极；其集电极连接至第二充放电电容C2的第一端；其发射极连接至地；

阶跃恢复二极管脉冲形成电路，包括：阶跃恢复二极管(SRD)D1，其正极端通过第一电感L1、第五电阻R5和第四可变电阻R4连接至第三电源正极VCC3，其负极端连接至地，第一电感L1的第一端连接至第二充放电电容C2的第二端；

耦合电路模块，包括：第三耦合电容C3，其第一端连接至阶跃恢复二极管D1的正极端，其第二端连接至第一电感线LL1的第一端。

对于阶跃恢复二极管脉冲形成电路中的阶跃恢复二极管D1而言，在正向偏置状态下，阶跃恢复二极管处于导通状态，电荷存储于其PN结附近，当其处于反向偏置状态时，存储的电荷被提取，直至全部存储电荷被提取完毕，阶跃恢复二极管内电流立即降为零，产生电流的阶跃，从而产生窄的脉冲电压信号。

该脉冲信号发生电路中，宽带线性功率放大三极管在触发脉冲信号的作用下快速导通，通过第二充放电电容C2的充放电过程，在宽带线性功率放大三极管的集电极产生大幅度、快前沿的负极性脉冲驱动信号。脉冲驱动信号和偏置电流控制着阶跃恢复二极管的导通和反向截止状态，利用阶跃恢复二极管的阶跃特性产生窄脉冲信号。该窄脉冲信号的脉冲前沿由阶跃恢复二极管的阶跃时间决定，脉冲后沿由第二充放电电容C2和第三电阻R3的大小决定。

4、脉冲信号压缩整形电路

请参照图2，该脉冲信号压缩整形电路为一变容二极管并联整形电路，其中，第一变容二极管D2、第二变容二极管D3、第三变容二极管D4、第四变容二极管D5、第五变容二极管D6和第六变容二极管D7的正极端均依次连接至第一电感线LL1上，相隔等间距，其负极端均连接至地；第一电感线LL1的第一端通过第七电阻R7和第六可变电阻R6连接至第三电源正极VCC3。

对于变容二极管并联整形电路中的第一变容二极管D2、第二变容二极管D3、第三变容二极管D4、第四变容二极管D5、第五变容二极管D6和第六变容二极管D7而言，在反向偏置状态时，其自身电容值跟随相应的偏置电压的大小的改变而改变，存在一个非线性关系。当阶跃恢复二极管脉冲形成电路产生的负极性脉冲信号到达时，这六支变容二极管几乎同时处于反向偏置状态，对于负极性脉冲信号的下降沿，其上各点电压由顶部到底部逐渐减小，即相应的反向电压逐渐增大，则其相应的变容二极管的电容逐渐减小，则后一个点的传播速度总是相比前一个点增加，这样底端所需传输时间相对顶端所需传输时间较短，所以，脉冲下降时间减小，产生压缩效果；同理，对于其上升沿，其上各点电压由底部到顶部逐渐增大，即相应的反向电压逐渐减小，则其相应的变容二极管的电容逐渐增大，则后一个点的传播速度总是相比前一个点减小，这样底端在时间上比顶端超前到达输出端，脉冲上升时间减小；经过变容二极管一级级的整形压缩，从而在第六变容二极管D7的正极端产生单极性的极窄脉冲信号。该单极性的极窄脉冲信号的幅度和宽度由变容二极管的电容电压特性决定，即选取的变容二极管的型号决定，也与变容二极管的并联级数、间隔位置相关。

5、单周期脉冲形成电路

请参照图2，该单周期脉冲形成电路包括第四耦合电容C4和第二电感L2，第四耦合电容C4的第一端连接至第一电感线LL1的第二端，其第二端作为本实施例大幅度皮秒级单周期脉冲发射机的单周期脉冲输出端；其中，第二电感L2的第一端连接至第四耦合电容C4的第二端，其第二端连接至地。

该单周期脉冲形成电路中，利用第四耦合电容C4对脉冲信号压缩整形电路输出的负极性极窄脉冲信号进行耦合微分，将短路的第二电感L2等效为短路微带线，利用短路微带线的反射原理产生正极性极窄脉冲信号，在该单周期脉冲形成电路的输出端，负极性极窄脉冲信号和正极性极窄脉冲信号叠加合成皮秒级的单周期脉冲信号。该单周期脉冲信号的宽度和幅度由第四耦合电容C4和第二电感L2的大小决定。

所述的大幅度皮秒级单周期脉冲发射机的工作方法，其改变第二充放电电容C2、第三耦合电容C3、第四耦合电容C4的大小，微带短路线的长度(即第二电感L2的大小)，可以调节输出脉冲的脉冲宽度和电压幅度，实现输出可调性。

本实施例大幅度皮秒级单周期脉冲发射机的工作过程如下：

步骤一、当触发信号由低电平跳变为高电平时，射频三极管Q1处于关闭截止状态，第二电源VCC2通过第三电阻R3对第二充放电电容C2进行充电，阶跃恢复二极管D1处于正向偏置状态，第一电感L1在偏置电路的作用下储存能量；

步骤二、当触发信号由高电平跳变为低电平时，射频三极管Q1快速导通，在其集电极产生一个快前沿正极性触发脉冲信号，通过第二电阻R2和第一电容C1构成的微分电路送给宽带线性功率放大三极管Q2的基极，Q2快速导通，第二电阻C2上存储的电荷通过Q2、D1构成的放电回路进行放电；

步骤三、根据阶跃恢复二极管D1的阶跃特性，SRD在正向偏置时存储的电荷在反向偏置状态下被提取，直至全部存储电荷被提取完毕，产生电流的阶跃，从而产生窄的脉冲电压信号；

步骤四、调节第二充放电电容C2和第一电感L1的取值，可以调节SRD输出的窄脉冲信号的脉冲宽度和电压幅度，第二充放电电容C2的取值在100nf～300nf之间，第一电感L1取值在200nH～10uH之间，当它们的取值越大时，脉冲幅度越大，同时脉冲宽度也越大；

步骤五、SRD产生的窄脉冲信号送给并联的多级变容二极管进行整形，将脉冲宽度越压越小；通过使用不同型号的变容二极管、调节变容二极管的个数、两两之间的位置间隔(即改变变容管之间的电感值)，可以改变输出的整形后的极窄脉冲的宽度和幅度，变容二极管的个数、两两之间的位置间隔与可变电容二极管的型号相关，本领域技术人员可以根据选取变容二极管的型号选取合适的变容二极管个数以及两两之间的位置间隔大小；

步骤六、第二电感L2等效于一个微带短路线，其可以对经过变容二极管整形后的负极性皮秒级极窄脉冲信号进行整形合成，产生皮秒级的单周期脉冲信号；第四电容C4第二端输出的负极性极窄脉冲信号沿两个方向传播，一个是沿输出端直接传输给负载，另一个是沿第二电感L2第二端的方向传播，在第二电感L2的对地端发生全反射作用，产生一个幅度大小近似相等、极性相反的正极性脉冲信号，该信号再重新传输给输出端，在输出端该正极性的脉冲信号与原始的负极性的脉冲信号相叠加，形成单周期的脉冲信号。

步骤七、调节电容第三耦合电容C3、第四耦合电容C4的大小，其中第三耦合电容C3的取值均在100nf～300nf之间，第四耦合电容C4的取值在0.1pf～10pf之间，调节第二电感L2的大小，取值在100nH～1uH之间，可以调节输出脉冲的脉冲宽度和电压幅度，实现输出可调性。第四可变电阻R4、第五电阻R5的阻值均与所选取的阶跃恢复二极管的型号相关。第六可变电阻R6和第七电阻R7的阻值均与所选取的可变电容二极管的型号相关。本领域技术人员可以根据选取阶跃恢复二极管和变容二极管的型号选取合适的阻值。

实际测试表明，本实施例产生的大幅度皮秒级单周期脉冲信号，脉冲宽度在200ps～800ps，为皮秒量级，峰峰值电压幅度为25V～40V，正负脉冲对称性好，主脉冲后端拖尾小、振铃水平低，无直流成分，频带宽，与天线等负载单元匹配性好，满足高分辨率超宽带发射机的设计需求，可应用于多种超宽带探测实践中。

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皮秒级单周期脉冲发射机有了清楚的认识。

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由NPN型射频三极管开关电路替代，在NPN型射频三极管的发射极产生边沿快的一正极性触发脉冲信号，提供给宽带线性功率放大三极管Q2的基极；

(3)给阶跃恢复二极管D1提供正向偏置的电压源VCC3可以用恒流源来代替；

(4)上述实施例中，基于电路可调性，设置了第四可变电阻R4和第六可变电阻R6，事实上，在第五电阻R5和第七电阻R7选取合适阻值时，R4和R6可以省去。

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，产生边沿较快的触发脉冲信号，利用宽带线性功率放大三极管的驱动能力产生大幅度的脉冲驱动信号，在驱动脉冲的作用下，利用阶跃恢复二极管的阶跃特性产生窄脉冲信号，利用变容二极管的电容电压特性对阶跃恢复二极管脉冲形成电路产生的窄脉冲信号进行压缩整形，产生极窄的单极性脉冲信号，利用单周期脉冲形成电路将单极性脉冲信号转换为单周期脉冲信号。并且实现输出脉冲的幅度与宽度的可调，满足高分辨率超宽带发射机的设计需求，可应用于多种超宽带探测实践中。

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)

1.一种皮秒级单周期脉冲发射机，其特征在于，包括：

脉冲信号发生电路，用于利用输入的触发脉冲信号触发产生皮秒级单极性脉冲信号，包括：

充放电电路，包括：第二充放电电容(C2)，其第一端通过第三电阻(R3)连接至第二电源正极(VCC2)，其第二端通过第五电阻(R5)和第四可变电阻(R4)连接至第三电源正极(VCC3)；

宽带线性功率放大三极管驱动脉冲形成电路，其中，宽带线性功率放大三极管(Q2)的连接关系如下：其基极通过并联的第二电阻(R2)和第一电容(C1)连接至触发脉冲信号的输入端；其集电极连接至所述第二充放电电容(C2)的第一端；其发射极连接至地；

阶跃恢复二极管脉冲形成电路，其中，阶跃恢复二极管(D1)的连接关系如下：其正极端通过第一电感(L1)连接至第二充放电电容(C2)的第二端；其负极端连接至地；以及

耦合电路模块，包括：第三耦合电容(C3)，其第一端连接至阶跃恢复二极管(D1)的正极端，其第二端输出皮秒级单极性脉冲信号；

脉冲信号压缩整形电路，其前端电性连接至所述脉冲信号发生电路，用于对其产生的皮秒级单极性脉冲信号进行压缩整形，该脉冲信号压缩整形电路为变容二极管并联整形电路，包括：第一电感线(LL1)，其第一端连接至脉冲信号发生电路的输出端，其第二端连接至单周期脉冲形成电路的输入端；以及第一变容二极管(D2)、第二变容二极管(D3)、第三变容二极管(D4)、第四变容二极管(D5)、第五变容二极管(D6)和第六变容二极管(D7)，其中，六个变容二极管的正极端均依次连接至第一电感线(LL1)上，相隔等间距，其负极端均连接至地；以及

所述单周期脉冲形成电路，其前端电性连接至脉冲信号压缩整形电路，用于将压缩整形后的皮秒级单极性脉冲信号合成为皮秒级单周期脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的皮秒级单周期脉冲发射机，其特征在于，所述第二电源正极(VCC2)的电压取值介于40V～50V之间，所述第三电源正极(VCC3)的电压为+9V。

3.根据权利要求1所述的皮秒级单周期脉冲发射机，其特征在于：

所述第二充放电电容(C2)的电容值介于100nf～300nf之间；

所述第一电感(L1)的电感值介于200nH～10uH之间；

所述第三耦合电容(C3)的电容值介于100nf～300nf之间。

4.根据权利要求1所述的皮秒级单周期脉冲发射机，其特征在于，所述单周期脉冲形成电路包括：

第四耦合电容(C4)，其第一端连接至脉冲信号压缩整形电路的输出端，其第二端作为皮秒级单周期脉冲发射机的单周期脉冲输出端；以及

第二电感(L2)，其第一端连接至第四耦合电容(C4)的第二端，其第二端连接至地。

5.根据权利要求4所述的皮秒级单周期脉冲发射机，其特征在于：

所述第四耦合电容(C4)的电容值介于0.1pf～10pf之间，所述第二电感L2的电感值介于100nH～1uH之间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的皮秒级单周期脉冲发射机，其特征在于，还包括：

触发信号整形电路，其前端电性连接至触发信号输入端，用于对触发信号进行整形处理；

其中，所述脉冲信号发生电路的前端连接至所述触发信号整形电路，整形处理后的触发脉冲信号被输入至所述脉冲信号发生电路。

7.根据权利要求6所述的皮秒级单周期脉冲发射机，其特征在于，所述触发信号整形电路包括：

射频三极管(Q1)，其基极连接至触发信号输入端；其集电极通过第一电阻(R1)连接至地；其发射极直接连接至第一电源正极(VCC1)，整形后的单端触发脉冲信号由该射频三极管(Q1)的集电极输出。

8.根据权利要求6所述的皮秒级单周期脉冲发射机，其特征在于，还包括：

触发信号产生电路，其输出端电性连接至所述触发信号整形电路的前端，用于产生触发信号，并将该触发信号输入至所述触发信号整形电路。

9.根据权利要求8所述的皮秒级单周期脉冲发射机，其特征在于，所述触发信号产生电路为一方波发生器，该方波发生器的输出端电性连接至所述触发信号整形电路的前端，其产生的触发信号的幅度介于5V～12V之间，脉冲宽度介于30ns～800ns之间，信号重复频率介于100KHz～3MHz之间。