CN104052435A - 增幅减宽电路单元及应用其的脉冲信号发生电路和发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种增幅减宽电路单元及应用其的脉冲信号发生电路和发生器。在增幅减宽电路单元中，利用两级级联的雪崩三极管作为一个基础单元电路构建纳秒平衡脉冲信号发生器，与单级雪崩三极管构成的脉冲产生电路相比，该纳秒脉冲信号发生器产生的脉冲信号幅度大，脉冲前沿陡峭，电路可靠性高。

Description

增幅减宽电路单元及应用其的脉冲信号发生电路和发生器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种增幅减宽电路单元及应用其的脉冲信号发生电路和发生器。

背景技术

超宽带技术是一种通过亚纳秒级或皮秒级窄脉冲信号进行数据通信的无线技术，其具有高数据传输速率、高带宽、抗多径能力强、被截获与检测的概率低、定位精度高等优点，可以有效地应用于无线局域网、透视成像、精确定位、无损检测、医疗系统(如远程医疗服务、非接触式探测心跳和呼吸)、武器控制系统(如抗干扰保密军事通信、导航、电子对抗、大型军械防撞、反恐战斗)等多个领域。

窄脉冲技术的产生是超宽带技术的一个关键。如何获得脉宽窄、峰值幅度大的脉冲是现行超宽带技术发展的一个核心内容。常见的脉冲产生方法分为两类：一类是采用低功率CMOS电路来设计生成脉冲信号，该方法电路实现简单。另一类是利用各种高速的模拟开关器件的导通与截止状态控制电容充放电形成脉冲信号。

上述两种脉冲产生方式分别存在各自的缺陷。采用低功率CMOS电路来设计生成脉冲信号的方法，脉冲输出幅度较低，且重复频率通常不高。利用各种高速的模拟开关器件的导通与截止状态控制电容充放电形成脉冲信号的方法，各种器件单独产生脉冲信号时，阶跃恢复二极管能产生皮秒级的极窄脉冲，且脉冲重复频率通常较高，但脉冲幅度较小；单级雪崩三级管和高频BJT晶体管等可以利用雪崩效应产生较大幅度的脉冲信号，但脉冲宽度通常在纳秒量级，且电路可靠性较低。

然而，现有的增幅减宽电路单元是由单级雪崩三极管构成的，由其产生的平衡脉冲信号，幅度较小，且脉冲底宽相对较宽，可靠性相对较低；同时，较多增幅减宽电路单元采用串联型级联形式，只需对最基层的单一雪崩三极管提供触发信号，然而，这种类型的电路可靠性较差，电路器件损坏率较高，实现的效果不理想。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种增幅减宽电路单元及应用其的脉冲信号发生电路和发生器，产生不同电压幅度和脉冲宽度的平衡脉冲信号，满足不同超宽带雷达系统的使用需求。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种增幅减宽电路单元。该增幅减宽电路单元包括：变压器电路，包括：第一变压器T_n1和第二变压器T_n2，其中：第一变压器T_n1，其次级线圈的非同名端通过第二电阻R_n2连接至地电极；第二变压器T_n2，其次级线圈的非同名端通过第六电阻R_n6连接至地电极；雪崩三极管脉冲产生电路，包括：第一雪崩三极管Q_n1和第二雪崩三极管Q_n2，其中，第一雪崩三极管Q_n1，其基极连接至第一变压器T_n1次级线圈的同名端；其发射极连接至第一变压器T_n1次级线圈的非同名端；第二雪崩三极管Q_n2，其基极连接至第二变压器T_n2次级线圈的同名端，其发射极连接至第二变压器T_心次级线圈的非同名端；以及充放电电路，包括：第一充放电电容C_n1和第二充放电电容C_n2，其中，第一充放电电容C_n1的第二端连接至第二雪崩三极管Q_n2的集电极，并通过第五电阻R_n5连接至高压供电电压HV；第二充放电电容C_n2的第一端连接至第一雪崩三极管Q_n1的集电极，并通过第三电阻R_n3连接至高压供电电压HV。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种脉冲信号发生电路。该脉冲信号发生电路包括：增幅减宽模块和耦合电路。增幅减宽模块，包括：N个级联的上述的增幅减宽电路单元，其中，N≥1；对于第1级增幅减宽电路单元而言，第一变压器T₁₁初级线圈的非同名端通过第一充放电电容C1连接至负极性触发脉冲信号的输入端；第二变压器T₁₂初级线圈的同名端连接至地电极；第一充放电电容C₁₁的第一端连接至第一雪崩三极管Q₁₁的发射极；对于第i级增幅减宽电路单元而言，第一变压器T_i1初级线圈的非同名端连接至第i-1级增幅减宽电路单元第一变压器T_(i-1)1初级线圈同名端，第二变压器T_i2初级线圈的同名端连接至第i-1级增幅减宽电路单元第二变压器T_(i-1)2初级线圈非同名端；第一充放电电容C_i1的第一端连接至第i-1级增幅减宽电路单元第二雪崩三极管Q_(i-1)2的发射极；第一变压器T_il次级线圈的非同名端连接至第i-1级增幅减宽电路单元第二充放电电容C_(i-1)2的第二端，其中，i≠1；对于第N级增幅减宽电路单元而言，第一变压器T_N1初级线圈的同名端连接至第二变压器T_N2初级线圈的非同名端。耦合电路，用于根据负载对增幅减宽模块输出的信号进行阻抗匹配。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种脉冲信号发生器。该脉冲信号发生器包括：单端触发信号产生电路，用于产生一单端触发信号；触发信号整形电路，连接于所述单端触发信号产生电路的后端，用于对所述单端触发信号进行整形；以及上述的脉冲信号发生电路，其中，第1级增幅减宽电路单元的第一变压器T₁₁初级线圈的非同名端通过第一充放电电容C1连接至触发信号整形电路的输出端。

(三)有益效果

由以上技术方案可知，本发明增幅减宽电路单元及应用其的脉冲信号发生电路和发生器具有以下有益效果：

(1)在增幅减宽电路单元中，利用两级级联的雪崩三极管作为一个基础单元电路构建纳秒平衡脉冲信号发生器，与单级雪崩三极管构成的脉冲产生电路相比，该纳秒脉冲信号发生器产生的脉冲信号幅度大，脉冲前沿陡峭，电路可靠性高；

(2)在脉冲信号发生电路中，利用单元叠加的模式，将多级雪崩三极管级联起来构建大幅度纳秒平衡脉冲信号发生器和大幅度毫微秒平衡脉冲信号发生器，产生的脉冲信号幅度更大，前沿更陡峭，且可以根据需要选择合适的级联级数，电路可靠性高，且采用变压器构造的并行触发模式，可以同步提供触发信号，避免触发信号间的不同步效应引起的拖尾；

(3)在脉冲信号发生电路中，通过调节高压电源的供电电压、雪崩三极管级联的级数以及充放电电容的大小，可以调节输出脉冲的幅度与脉冲宽度，产生不同频带的脉冲信号。以克服现有的脉冲产生电路结构复杂，电压幅度与脉冲宽度不能同时兼顾的窘境，本发明的发射机结构简单、电路结构小巧，产生的平衡脉冲波形对称性好、拖尾小、幅度大，可应用于脉冲型超宽带雷达系统中，满足脉冲型雷达系统对不同深度和分辨率的探测需求。

附图说明

图1为本发明大幅度毫微秒平衡脉冲信号发生器的结构示意图；

图2为根据本发明第一实施例纳秒平衡脉冲信号发生器的电路图；

图3为根据本发明第二实施例大幅度纳秒平衡脉冲信号发生器的电路图；

图4为根据本发明第三实施例大幅度毫微秒平衡脉冲信号发生器的电路图。

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。

本发明提供了一种增幅减宽电路单元及应用其的脉冲信号发生电路和发生器。由于增幅减宽电路单元是应用于脉冲信号发生电路的，而脉冲信号发生电路是应用于脉冲信号发生器的，因此以下多个实施例重点对脉冲信号发生器进行表述，其中也会对增幅减宽电路单元和脉冲信号发生电路的相关部分进行详细说明。本领域技术人员可以根据对脉冲信号发生器的描述清楚的得知本发明增幅减宽电路单元和脉冲信号发生电路的相关构成，此处不再对增幅减宽电路单元和脉冲信号发生电路进行单独说明。

一、第一实施例

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种纳秒平衡脉冲信号发生器。图1为本发明脉冲信号发生器的结构示意图。图2为根据本发明第一实施例纳秒平衡脉冲信号发生器的电路图。

请参照图1和图2，本实施例纳秒平衡脉冲信号发生器包括：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触发脉冲信号触发产生纳秒平衡脉冲信号。

以下分别对本实施例纳秒平衡脉冲信号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100kHz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30ns～300ns之间，信号重复频率可以介于20KHz～200KHz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：射频三极管Q1(BFR96)。其中，射频三极管Q1(BFR96)基极连接至触发信号输入端，发射极连接至地，集电极通过第一电阻R1连接至电源正极VCC1(+12V)，整形后的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，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直接由PNP型射频三极管开关电路替代，去掉后端的变压器电路，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触发脉冲信号，同时提供给第一雪崩三极管Q₁₁和第二雪崩三极管Q₁₂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30ns～100ns之间，脉冲重复频率可以介于20KHz～200KHz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：第一增幅减宽电路单元和耦合电路。其中，第一增幅减宽电路单元包括：变压器电路、雪崩三极管脉冲产生电路、充放电电路。该第一增幅减宽电路单元单独构成增幅减宽模块。

变压器电路包括：第一变压器T₁₁和第二变压器T₁₂。

第一变压器T₁₁，其初级线圈的非同名端通过第一充放电电容C1连接至负极性触发脉冲信号的输入端，其次级线圈的非同名端通过第二电阻R₁₂连接至地电极。

第二变压器T₁₂，其初级线圈的非同名端连接至第一变压器T₁₁的初级线圈的同名端，同名端连接至地；次级线圈的非同名端通过第六电阻R₁₆连接至地电极。

雪崩三极管脉冲产生电路包括：第一雪崩三极管Q₁₁和第二雪崩三极管Q₁₂。第一雪崩三极管Q_１１，其基极连接至第一变压器T₁₁次级线圈的同名端；其发射极连接至第一变压器T₁₁次级线圈的非同名端。第二雪崩三极管Q₁₂，其基极连接至第二变压器T₁₂次级线圈的同名端，其发射极连接至第二变压器T₁₂次级线圈的非同名端。

充放电电路包括：第一充放电电容C₁₁和第二充放电电容C₁₂。第一充放电电容C₁₁的第一端连接至第一变压器T₁₁次级线圈的非同名端，其第二端连接至第二雪崩三极管Q₁₂的集电极，并通过第五电阻R₁₅连接至高压供电电压HV(取值在200V～300V之间)。第二充放电电容C12的第一端连接至第一雪崩三极管Q₁₁的集电极，并通过第三电阻R₁₃连接至高压供电电压HV(取值在200V～300V之间)。

耦合电路，包括：第五耦合电容C5、第四耦合电容C4和第六耦合电容C6。第六耦合电容C6的第一端通过第五耦合电容C5连接至第二变压器T₁₂次级线圈的非同名端，并通过第七电阻R7连接至地，其第二端作为本实施例纳秒平衡脉冲信号发生器的第一信号输出端。第四耦合电容C4的第一端连接至第二充放电电容C₁₂的第二端，并通过第四电阻R4连接至地，其第二端作为本实施例纳秒平衡脉冲信号发生器的第二信号输出端。

该脉冲信号发生电路中，第一变压器T₁₁和第二变压器T₁₂将整形后的负极性触发脉冲信号转换为双端触发信号，为雪崩三极管提供触发信号。雪崩三极管在整形触发脉冲信号的作用下快速导通，产生雪崩击穿效应，通过第一充放电电容C₁₁和第二充放电电容C₁₂的充放电过程，在第一雪崩三极管Q₁₁的集电极和第二雪崩三极管Q₁₂的发射极分别产生负极性和正极性的纳秒脉冲信号。该纳秒平衡脉冲信号的脉冲前沿由雪崩三极管的雪崩时间决定，脉冲后沿由第一充放电电容C₁₁、第二充放电电容C₁₂、第三电阻R₁₃和第五电阻R₁₅的大小决定。

所述的纳秒平衡脉冲信号发生器的工作方法，其改变高压供电电压、充放电电容C₁₁、C₁₂和电阻R₁₃、R₁₅的大小，可以调节输出脉冲的宽度和幅度，实现脉冲可调性。

本实施例纳秒平衡脉冲信号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、第一雪崩三极管Q₁₁和第二雪崩三极管Q₁₂均处于闭合状态，高压电源HV通过第三电阻R₁₃和第五电阻R₁₅分别对第二充放电电容C₁₂和第一充放电电容C_１１进行充电；

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触发脉冲信号，该触发信号经过变压器电路的信号变换作用为雪崩三极管脉冲产生电路提供触发脉冲信号；

步骤三、第一雪崩三极管Q₁₁和第二雪崩三极管Q₁₂在触发脉冲信号的作用下产生雪崩击穿效应，形成雪崩电流，在第一充放电电容C₁₁和第二充放电电容C₁₂的充放电过程中，Q₁₁的集电极和Q₁₂的发射极分别形成负极性纳秒脉冲信号和正极性纳秒脉冲信号；

步骤四、调节电容C₁₁、C₁₂和电阻R₁₃、R₁₅的取值大小，其中C₁₁和C₁₂的取值相等，在50pf～180pf之间，电阻R₁₃和R₁₅的取值相等，在10kΩ～50kΩ之间，可以调节输出的纳秒平衡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。第二电阻R₁₂、第六电阻R₁₆的阻值均与所选取的雪崩三极管的型号相关。本领域技术人员可以根据选取雪崩三极管的型号选取合适的阻值。第一充放电电容C1的取值为100pf～1nf，第一电阻R1的取值为560Ω～3kΩ。第四电阻R4和第七电阻R7的电阻相等，取50Ω～100Ω。第四耦合电容C4和第六耦合电容C6的电容相等，取100pF～500pF。

实际测试表明，本实施例产生的纳秒平衡脉冲信号，脉冲宽度为2ns～5ns，为纳秒量级，峰值电压幅度为±50V～±100V，正负脉冲对称性好，主脉冲后端拖尾小、振铃水平低，满足超宽带雷达系统的浅层探测需求。

本实施例中，采用射频三极管和雪崩三极管构成大幅度毫微秒平衡脉冲信号发生器，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。(这一段是多余的还是特意放置在此处的？)

二、第二实施例

在本发明的第二个示例性实施例中，又提供了一种大幅度纳秒平衡脉冲信号发生器。图3为根据本发明第二实施例大幅度纳秒平衡脉冲信号发生器的电路图。请参照图1和图3，本实施例大幅度纳秒平衡脉冲信号发生器相比于第一实施例纳秒平衡脉冲信号发生器，不同之处在于：本实施例在第一实施例第一增幅减宽电路和耦合电路之间增加了第二增幅减宽电路单元。两个增幅减宽电路单元构成增幅减宽模块。

请参照图3，该第二增幅减宽电路单元包括：变压器电路、雪崩三极管脉冲产生电路和第二充放电电路。

变压器电路，包括：第二增幅减宽电路单元中的第一变压器T₂₁和第二变压器T₂₂。其中，第二增幅减宽电路单元中的第一变压器T₂₁的初级线圈的非同名端连接至第一增幅减宽电路单元中的第一变压器T₁₁的初级线圈的同名端，其次级线圈的非同名端连接至第一增幅减宽电路单元中的第二充放电电容C₁₂的第二端，并通过第二增幅减宽电路单元中的第二电阻R₂₂连接至地电极。第二增幅减宽电路单元中的第二变压器T₂₂的初级线圈的同名端连接至第一增幅减宽电路单元中的第二变压器T₁₂初级线圈的非同名端，其非同名端连接至第二增幅减宽电路单元中的第一变压器T₂₁初级线圈的同名端，其次级线圈的非同名端连接至耦合电路中第五电容C5的第一端。

雪崩三极管脉冲产生电路，包括：第二增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₂₁和第二雪崩三极管Q₂₂。其中，第一雪崩三极管Q₂₁的基极连接至第二增幅减宽电路单元中的第一变压器T₂₁次级线圈的同名端；其发射极连接至第二增幅减宽电路单元中的第一变压器T₂₁次级线圈的非同名端。第二雪崩三极管Q₂₂，其基极连接至第二增幅减宽电路单元中的第二变压器T₂₂次级线圈的同名端，其发射极连接至第二增幅减宽电路单元中的第二变压器T₂₂的次级线圈的非同名端，并通过第二增幅减宽电路单元中的第六电阻R₂₆连接至地。

第二充放电电路，包括：第二增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₂₁和第二充放电电容C₂₂。第二充放电电容C₂₂，其第一端连接至第二增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₂₁的集电极，并通过第二增幅减宽电路单元中的第三电阻R₂₃连接至高压供电电压HV，其第二端连接至耦合电路中第四耦合电容C4的第一端。第一充放电电容C₂₁，其第一端连接至第一增幅减宽电路单元中的第二变压器T₁₂次级线圈的非同名端，其第二端连接至第二增幅减宽电路单元中的第二雪崩三极管Q₂₂的集电极，并通过第二增幅减宽电路单元中的第五电阻R₂₅连接至高压供电电压HV。

本实施例中，增幅减宽电路单元前端的电路和后端的电路在第一实施例中均已经进行了详细描述，此处不再详细说明。

该脉冲信号发生电路中，第一增幅减宽电路单元中的第一变压器T_１１、第二变压器T₁₂、第二增幅减宽电路单元中的第一变压器T₂₁、第二变压器T₂₂将整形后的负极性触发脉冲信号转换为双端触发信号，为雪崩三极管提供触发信号。雪崩三极管在整形触发脉冲信号的作用下快速导通，产生雪崩击穿效应，通过第一增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₁₁、第二充放电电容C₁₂、第二增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₂₁、第二充放电电容C₂₂的充放电过程，在第二增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₂₁的集电极和第二雪崩三极管Q₂₂的发射极分别产生负极性和正极性的大幅度纳秒脉冲信号。该大幅度纳秒平衡脉冲信号的脉冲前沿由雪崩三极管的雪崩时间决定，脉冲后沿由第一增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₁₁、第二充放电电容C₁₂、第二增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₂₁、第二充放电电容C₂₂、第一增幅减宽电路单元中的第五电阻R₁₅、第三电阻R₁₃以及第二增幅减宽电路单元中的第五电阻R2₅、第三电阻R₂₃的大小决定。

所述的大幅度纳秒平衡脉冲信号发生器的工作方法，其改变高压供电电压、充放电电容C₁₁、C₁₂、C₂₁、C₂₂和电阻R₁₅、R₁₃、R₂₅、R₂₃的大小，可以调节输出脉冲的宽度和幅度，实现脉冲可调性。

本实施例大幅度纳秒平衡脉冲信号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、第一增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₁₁、第二雪崩三极管Q₁₂、第二增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₂₁、第二雪崩三极管Q₂₂均处于闭合状态，高压电源HV通过第一增幅减宽电路单元中的第五电阻R₁₅、第三电阻R₁₃以及第二增幅减宽电路单元中的第五电阻R₂₅、第三电阻R₂₃分别对第一增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₁₁、第二充放电电容C₁₂以及第二增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₂₁、第二充放电电容C₂₂进行充电；

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触发脉冲信号，该触发信号经过变压器电路的信号变换作用为雪崩三极管脉冲产生电路提供触发脉冲信号；

步骤三、第一增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₁₁、第二雪崩三极管Q₁₂、第二增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₂₁、第二雪崩三极管Q₂₂在触发脉冲信号的作用下产生雪崩击穿效应，形成雪崩电流，在第一增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₁₁、第二充放电电容C₁₂以及第二增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₂₁、第二充放电电容C₂₂的充放电过程中，Q₂₁的集电极和Q₂₂的发射极分别形成负极性大幅度纳秒脉冲信号和正极性大幅度纳秒脉冲信号；

步骤四、调节电容C₁₁、C₁₂、C₂₁、C₂₂和电阻R₁₅、R₁₃、R₂₅、R₂₃的取值大小，其中C₁₁、C₁₂、C₂₁、C₂₂的取值相等，在50pf～180pf之间，电阻R₁₅、R₁₃、R₂₅、R₂₃的取值相等，在10kΩ～50kΩ之间，可以调节输出的大幅度纳秒平衡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。第一增幅减宽电路单元中的第二电阻R₁₂、第六电阻R₁₆以及第二增幅减宽电路单元中的第二电阻R₂₂、第六电阻R₂₆的阻值均与所选取的雪崩三极管的型号相关。本领域技术人员可以根据选取雪崩三极管的型号选取合适的阻值。第一充放电电容C1的取值为100pf～1nf，第一电阻R1的取值为560Ω～3kΩ。第四电阻R4和第七电阻R7的电阻相等，取50Ω～100Ω。第四耦合电容C4和第六耦合电容C6的电容相等，取100pF～500pF。

实际测试表明，本实施例产生的大幅度纳秒平衡脉冲信号，脉冲宽度为2ns～5ns，为纳秒量级，峰值电压幅度为+80V～±300V，正负脉冲对称性好，主脉冲后端拖尾小、振铃水平低，满足超宽带雷达系统的浅层探测需求。

三、第三实施例

在本发明的第三个示例性实施例中，提供了一种大幅度毫微秒平衡脉冲信号发生器。图4为根据本发明第三实施例大幅度毫微秒平衡脉冲信号发生器的电路图。请参照图1和图4，本实施例在第二实施例的基础上，在第二增幅减宽电路和耦合电路之间增加了第三增幅减宽电路单元和第四增幅减宽电路单元。四个增幅减宽电路单元共同构成增幅减宽模块。

该两个增幅减宽电路单元的结构与上述实施例中增幅减宽电路单元的结构相同，此处不再进行详细说明。

请参照图4，该脉冲信号发生电路中，第一增幅减宽电路单元中的第一变压器T₁₁、第二变压器T₁₂、第二增幅减宽电路单元中的第一变压器T₂₁、第二变压器T₂₂、第三增幅减宽电路单元中的第一变压器T₃₁、第二变压器T₃₂、第四增幅减宽电路单元中的第一变压器T₄₁、第二变压器T₄₂将整形后的负极性触发脉冲信号转换为双端触发信号，为雪崩三极管提供触发信号。雪崩三极管在整形触发脉冲信号的作用下快速导通，产生雪崩击穿效应，通过第一增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₁₁、第二充放电电容C₁₂、第二增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₂₁、第二充放电电容C₂₂、第三增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₃₁、第二充放电电容C₃₂、第四增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₄₁、第二充放电电容C₄₂的充放电过程，在第四增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₄₁的集电极和第二雪崩三极管Q₄₂的发射极分别产生负极性和正极性的大幅度毫微秒脉冲信号。该大幅度毫微秒平衡脉冲信号的脉冲前沿由雪崩三极管的雪崩时间决定，脉冲后沿由第一增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₁₁、第二充放电电容C₁₂、第二增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₂₁、第二充放电电容C₂₂、第三增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₃₁、第二充放电电容C₃₂、第四增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₄₁、第二充放电电容C₄₂、第一增幅减宽电路单元中的第五电阻R₁₅、第三电阻R₁₃、第二增幅减宽电路单元中的第五电阻R₂₅、第三电阻R₂₃、第三增幅减宽电路单元中的第五电阻R₃₅、第三电阻R₃₃、第四增幅减宽电路单元中的第五电阻Ｒ₄₅、第三电阻Ｒ₄₃的大小决定。

所述的大幅度毫微秒平衡脉冲信号发生器的工作方法，其改变高压供电电压、充放电电容C₁₁、C₁₂、C₂₁、C₂₂、C₃₁、C₃₂、C₄₁、C₄₂和电阻R₁₅、R₁₃、R₂₅、R₂₃、R₃₅、R₃₃、Ｒ₄₅、Ｒ₄₃的大小，可以调节输出脉冲的宽度和幅度，实现脉冲可调性。

本实施例大幅度毫微秒平衡脉冲信号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、第一增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₁₁、第二雪崩三极管Q₁₂、第二增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₂₁、第二雪崩三极管Q₂₂、第三增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₃₁、第二雪崩三极管Q₃₂、第四增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₄₁、第二雪崩三极管Q₄₂均处于闭合状态，高压电源HV通过第一增幅减宽电路单元中的第五电阻R₁₅、第三电阻R₁₃、第二增幅减宽电路单元中的第五电阻R₂₅、第三电阻R₂₃、第三增幅减宽电路单元中的第五电阻R₃₅、第三电阻R₃₃、第四增幅减宽电路单元中的第五电阻Ｒ₄₅、第三电阻Ｒ₄₃分别对第一增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₁₁、第二充放电电容C₁₂、第二增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₂₁、第二充放电电容C₂₂、第三增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₃₁、第二充放电电容C₃₂、第四增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₄₁、第二充放电电容C₄₂进行充电；

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触发脉冲信号，该触发信号经过变压器电路的信号变换作用为雪崩三极管脉冲产生电路提供触发脉冲信号；

步骤三、第一增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₁₁、第二雪崩三极管Q₁₂、第二增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₂₁、第二雪崩三极管Q₂₂、第三增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₃₁、第二雪崩三极管Q₃₂、第四增幅减宽电路单元中的第一雪崩三极管Q₄₁、第二雪崩三极管Q₄₂在触发脉冲信号的作用下产生雪崩击穿效应，形成雪崩电流，在第一增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₁₁、第二充放电电容C₁₂、第二增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₂₁、第二充放电电容C₂₂、第三增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₃₁、第二充放电电容C₃₂、第四增幅减宽电路单元中的第一充放电电容C₄₁、第二充放电电容C₄₂的充放电过程中，Q₄₁的集电极和Q₄₂的发射极分别形成负极性大幅度毫微秒脉冲信号和正极性大幅度毫微秒脉冲信号；

步骤四、调节电容C₁₁、C₁₂、C₂₁、C₂₂、C₃₁、C₃₂、C₄₁、C₄₂和电阻R₁₅、R₁₃、R₂₅、R₂₃、R₃₅、R₃₃、Ｒ₄₅、Ｒ₄₃的取值大小，其中C₁₁、C₁₂、C₂₁、C₂₂、C₃₁、C₃₂、C₄₁、C₄₂的取值相等，在50pf～180pf之间，电阻R₁₅、R₁₃、R₂₅、R₂₃、R₃₅、R₃₃、Ｒ_４5、Ｒ_４3的取值相等，在10kΩ～50kΩ之间，可以调节输出的大幅度毫微秒平衡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。第一增幅减宽电路单元中的第二电阻R₁₂、第六电阻R₁₆、第二增幅减宽电路单元中的第二电阻R₂₂、第六电阻Ｒ_２6、第三增幅减宽电路单元中的第二电阻R₃₂、第六电阻R₃₆、第四增幅减宽电路单元中的第二电阻Ｒ₄₂、第六电阻R₄₆的阻值均与所选取的雪崩三极管的型号相关。本领域技术人员可以根据选取雪崩三极管的型号选取合适的阻值。第一充放电电容C1的取值为100pf～1nf，第一电阻R1的取值为560Ω～3kΩ。第四电阻R4和第七电阻R7的电阻相等，取50Ω～100Ω。第四耦合电容C4和第六耦合电容C6的电容相等，取100pF～500pF。

实际测试表明，本实施例产生的大幅度毫微秒平衡脉冲信号，脉冲宽度为800ps～10ns，峰值电压幅度为±300V～±800V，正负脉冲对称性好，这种脉冲幅度大，渗透能力更强，适合于探测深度较大的超宽带系统的应用。

至此，已经结合附图对3个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增幅减宽电路单元及应用其的脉冲信号发生电路和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)在三个实施例中，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触发脉冲信号同时送给串联的各个雪崩三极管的基极；

综上所述，本发明首先利用两级级联的雪崩三极管作为一个基础单元电路构建纳秒平衡脉冲信号发生器，其次，利用单元叠加的模式，将多级雪崩三极管级联起来构建大幅度纳秒平衡脉冲信号发生器和大幅度毫微秒平衡脉冲信号发生器，产生的脉冲信号幅度大，前沿陡峭，且可以根据需要选择合适的级联级数，电路可靠性高；通过调节高压电源的供电电压、雪崩三极管级联的级数以及充放电电容的大小，可以调节输出脉冲的幅度与脉冲宽度，产生不同频带的平衡脉冲信号，可与发射天线直接相连，减小发射机与天线间的反射效应，适用于不同频带的脉冲型超宽带雷达系统的应用。

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 (10)

1.一种增幅减宽电路单元，其特征在于，包括：

变压器电路，包括：第一变压器(T_n1)和第二变压器(T_n2)，其中：第一变压器(T_n1)，其次级线圈的非同名端通过第二电阻(R_n2)连接至地电极；第二变压器(T_n2)，其次级线圈的非同名端通过第六电阻(R_n6)连接至地电极；

雪崩三极管脉冲产生电路，包括：第一雪崩三极管(Q_n1)和第二雪崩三极管(Q_n2)，其中，第一雪崩三极管(Q_n1)，其基极连接至第一变压器(T_n1)次级线圈的同名端；其发射极连接至第一变压器(T_n1)次级线圈的非同名端；第二雪崩三极管(Q_n2)，其基极连接至第二变压器(T_n2)次级线圈的同名端，其发射极连接至第二变压器(T_n2)次级线圈的非同名端；以及

充放电电路，包括：第一充放电电容(C_N1)和第二充放电电容(C_n2)，其中，第一充放电电容(C_n1)的第二端连接至第二雪崩三极管(Q_n2)的集电极，并通过第五电阻(R_n5)连接至高压供电电压HV；第二充放电电容(C_n2)的第一端连接至第一雪崩三极管(Q_n1)的集电极，并通过第三电阻(R_n3)连接至高压供电电压HV。

2.根据权利要求1所述的增幅减宽电路单元，其特征在于，所述第一充放电电容(C_n1)的电容介于50pf～180pf之间；所述第二充放电电容(C_n2)的电容介于50pf～180pf之间。

3.根据权利要求2所述的增幅减宽电路单元，其特征在于，所述第一变压器(T_n1)和第二变压器(T_n2)的变压比介于1：1.5～1：4之间。

4.根据权利要求3所述的增幅减宽电路单元，其特征在于，所述第三电阻(R_n3)和第五电阻(R_n5)的阻值介于10kΩ～50kΩ之间。

5.一种脉冲信号发生电路，其特征在于，包括：

增幅减宽模块，包括：N个级联的权利要求1所述的增幅减宽电路单元，其中，N≥1；

对于第1级增幅减宽电路单元而言，第一变压器(T₁₁)初级线圈的非同名端通过第一充放电电容(C1)连接至负极性触发脉冲信号的输入端；第二变压器(T₁₂)初级线圈的同名端连接至地电极；第一充放电电容(C₁₁)的第一端连接至第一雪崩三极管(Q₁₁)的发射极；

对于第i级增幅减宽电路单元而言，第一变压器(T_i1)初级线圈的非同名端连接至第i-1级增幅减宽电路单元第一变压器(T_(i-1)1)初级线圈同名端，第二变压器(T_i2)初级线圈的同名端连接至第i-1级增幅减宽电路单元第二变压器(T_(i-1)2)初级线圈非同名端；第一充放电电容(C_i1)的第一端连接至第i-1级增幅减宽电路单元第二雪崩三极管(Q_(i-1)2)的发射极；第一变压器(T_i1)次级线圈的非同名端连接至第i-1级增幅减宽电路单元第二充放电电容(C_(i-1)2)的第二端，其中，i≠1；

对于第N级增幅减宽电路单元而言，第一变压器(T_N1)初级线圈的同名端连接至第二变压器(T_N2)初级线圈的非同名端；以及

一耦合电路，用于根据负载对增幅减宽模块输出的信号进行阻抗匹配。

6.根据权利要求5所述的脉冲信号发生电路，其特征在于，所述耦合电路包括：第五耦合电容(C5)、第四耦合电容(C4)和第六耦合电容(C6)，其中：

第六耦合电容(C6)，其第一端通过第五耦合电容(C5)连接至第N级增幅减宽电路单元中第二变压器(T_N2)次级线圈的非同名端，并通过第七电阻(R7)连接至地，其第二端作为该脉冲信号发生器的第一信号输出端；

第四耦合电容(C4)，第一端连接至第N级增幅减宽电路单元中第二充放电电容(C_N2)的第二端，并通过第四电阻(R4)连接至地，其第二端作为该脉冲信号发生器的第二信号输出端。

7.根据权利要求6所述的脉冲信号发生电路，其特征在于，所述第四耦合电容(C4)和第六耦合电容(C6)的电容相等，介于100pF～500pF之间。

8.一种脉冲信号发生器，其特征在于，包括：

单端触发信号产生电路，用于产生一单端触发信号；

触发信号整形电路，连接于所述单端触发信号产生电路的后端，用于对所述单端触发信号进行整形；以及

权利要求5-7中任一项所述的脉冲信号发生电路，其中，第1级增幅减宽电路单元的第一变压器(T₁₁)初级线圈的非同名端通过第一充放电电容(C1)连接至触发信号整形电路的输出端。

9.根据权利要求8所述的脉冲信号发生器，其特征在于，经由所述触发信号整形电路整形后的单端触发信号的幅度介于2V～12V之间，脉冲宽度介于30ns～100ns之间，脉冲重复频率介于20KHz～200KHz之间。

10.根据权利要求8或9所述的脉冲信号发生器，其特征在于：

所述单端触发信号产生电路为一方波发生器；

所述触发信号整形电路包括：射频三极管(Q1)，其中，射频三极管(Q1)的基极连接至单端触发信号输入端，发射极连接至地，集电极通过第一电阻(R1)连接至电源正极(VCC1)，整形后的触发信号由射频三极管(Q1)的集电极和发射极输出。