CN105680828A - 一种基于雪崩三极管的超宽带脉冲产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于雪崩三极管的超宽带脉冲产生电路，该系统由振荡源、储能元件和高速开关组成，借鉴MARX电路的原理提出了通过级联方式增大了输出脉冲幅度的方法，同时改进电路为同步触发方式，克服了MARX电路的级间延迟，系统采用逻辑电路方案或CPLD方案为脉冲发生器产生所需触发信号。本发明是一种以一阶高斯脉冲为目标的UWB脉冲产生电路，具有数据传输速率高、功耗低、透视能力强等特点，在军事、救援、医疗、测量等众多领域可以广泛应用。

Description

一种基于雪崩三极管的超宽带脉冲产生电路

技术领域

本发明属于超宽带短距离无线通信领域，尤其涉及一种基于雪崩三极管的超宽带脉冲产生电路，该系统是以一阶高斯脉冲为目标的UWB脉冲产生电路，具有数据传输速率高、功耗低、透视能力强等特点，在军事、救援、医疗、测量等众多领域可以广泛应用。

背景技术

超宽带（UltraWideband,UWB）是一种利用纳秒级极窄脉冲发送信息的技术，其信号相对带宽即信号带宽与中心频率之比大于25%，超宽带窄脉冲对于超宽带通信和超宽带雷达具有很高的研究价值。超宽带雷达具有很强的穿透性和很高的距离分辨率,同时具有很低的频谱密度和很高的抗干扰能力,超宽带技术对于短距离范围具有很高的应用价值。

近年来脉冲技术主要朝着高峰值功率、窄脉冲和高重复频率的方向发展,在高速摄影、激光技术、测量技术、探地雷达、无线通信等诸多领域得到广泛的应用。产生具有超宽带特性的窄脉冲信号一般是使用一个极快速的开关通过对储能元件的放电来实现的。

目前国内外主要采用阶跃恢复二极管、雪崩三极管、数字技术产生极窄脉冲。例如：桂林电子工业学院的陈振威等在实验中得到了脉冲幅度393.4mV，脉宽980ps的脉冲信号。南京邮电大学无线通信与电磁兼容实验室的的范琨等人利用结构比较简单的阶跃恢复二极管电路得到了幅度7伏，脉宽约1.5纳秒的脉冲信号。南京邮电大学的程勇等用微带形式的电路得到了脉宽约1ns，幅度达10.4V的脉冲信号。上海航天技术研究院802所对引信上适用的超宽带脉冲发生电路也做了一些研究。北京理工大学在这方面也做了一些研究，2007年周建明等人提出了一种基于阶跃恢复二极管，肖特基管和微带电路的超宽带脉冲发生电路，得到脉宽200皮秒，幅度0.9伏的窄脉冲。

从本质上看，UWB无线技术是发射和接收超短电磁能量脉冲的技术，它采用极窄脉冲直接激励天线。因此，极窄脉冲的产生就显得尤为重要。目前有很多种超宽带脉冲的产生方法大都存在一些不足之处，其中隧道二极管和阶跃恢复二极管所产生的脉冲，上升时间可以达几十至几百皮秒，但其幅度较小，一般为毫伏级。雪崩三极管脉冲产生电路的幅度比较高，能达到十几伏，但脉冲宽度较大，一般为纳秒级。高压皮秒光导开关技术可以产生质量很高的皮秒脉冲,但其工作时需要皮秒激光,限制了其使用范围。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种基于雪崩三极管的超宽带脉冲产生电路，该系统是以一阶高斯脉冲为目标的UWB脉冲产生电路，具有数据传输速率高、功耗低、透视能力强等特点，在军事、救援、医疗、测量等众多领域可以广泛应用。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种基于雪崩三极管的超宽带脉冲产生电路，其特征在于，包括雪崩级联电路、控制电路以及脉冲触发源电路；所述的雪崩级联电路由四级雪崩电路组成，每级雪崩电路都由TO-18封装的2N2369A型雪崩晶体管（Q1、Q2、Q3、Q4）组成，的雪崩晶体管（Q1、Q2、Q3、Q4）的集电极分别通过集电极电阻（R1、R2、R3、R4）与偏置电压（VCC）相连，第一雪崩晶体管（Q1）的集电极通过第一雪崩电容（C1）和第五接地电阻（R5）接地，第二雪崩晶体管（Q2）的集电极通过第二雪崩电容（C2）与第一雪崩晶体管（Q1）的发射极相连，第九接地电阻（R9）接在第二雪崩电容（C2）与地之间，第三雪崩晶体管（Q3）的集电极通过第三雪崩电容（C3）与第二雪崩晶体管（Q2）的发射极相连，第十接地电阻（R10）接在第三雪崩电容（C3）与地之间，第四雪崩晶体管（Q4）的集电极通过第四雪崩电容（C4）与第三雪崩晶体管（Q3）的发射极相连，第十一接地电阻（R11）接在第四雪崩电容（C4）与地之间，第四雪崩晶体管（Q4）的集电极通过第十二接地电阻（R12）接地，第四雪崩晶体管（Q4）的发射极与信号输出端（Vout）相连；所述的控制电路由隔直电容（C5、C6、C7）和放电电阻（R6、R7、R8）组成，输入信号端（Vin）通过隔直电容（C5、C6、C7）分别与第一、二、三雪崩晶体管（Q1、Q2、Q3）相连，所述的放电电阻（R6、R7、R8）接在隔直电容（C5、C6、C7）与接地电阻（R9、R10、R11）之间；所述的脉冲触发源电路根据不同工况可以使用逻辑门电路，也可以使用CPLD电路实现。

在该基于雪崩三极管的超宽带脉冲产生电路中，所述偏置电压（Vcc）应使雪崩晶体管能够发生雪崩效应，同时还应当满足V_cc≤BV_CBO；所述雪崩电容（C1、C2、C3、C4）取值为几皮法到几十皮法，应选用瓷片电容或云母电容；集电极电阻（R1、R2、R3、R4）应保证雪崩电路能够在静置期内恢复完毕，通常选用几千欧姆到几十千欧姆的电阻。

在该基于雪崩三极管的超宽带脉冲产生电路中，所述脉冲触发源电路的逻辑门电路由奇数个反相器首位相连构成，利用闭合回路中的延迟负反馈作用可以产生自激振荡；所述脉冲触发源电路的CPLD电路选用MAX3000A系列的EPM3064ATC44型CPLD作为控制器，利用CPLD电路输出脉冲控制信号。

本发明的有益效果是：

本系统通过分析UWB脉冲波形的特征，以一阶高斯脉冲为设计目标，提出了一种以振荡源、储能元件和高速开关为主体的UWB脉冲产生电路系统模型，，设计并制作了一种利用雪崩晶体管产生UWB脉冲的电路，实际测试得到了1纳秒以内的窄脉冲，系统分别利用分立门电路和复杂可编程器件（CPLD）为UWB脉冲发生模块设计了两种脉冲时序触发电路。

由测试结果得出：脉冲宽度受电容影响更大，可以通过改变雪崩电容来调节，脉冲幅度受负载电阻影响比较大，可以通过改变负载电阻来调节。当在脉冲幅度与宽度两者之间进行折衷选择时，可以通过改变电路中相应的元件与参数，获得满足不同需求的UWB脉冲信号。脉冲发生器可以在较低的电源电压下可靠工作，稳定地输出一定幅度和宽度的超宽带脉冲，脉冲的重复工作频率可以达到5MHz以上，电路结构简单，满足在超宽带引信上使用的需求。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。

图1是超带宽脉冲发生器功能框图；

图2是雪崩电路原理图；

图3是基于雪崩三极管的脉冲发生电路；

图4是环形振荡器电路；

图5是CPLD触发脉冲产生原理图；

图6是CPLD芯片连接图；

图7是软件系统框图。

具体实施方式

图1是超带宽脉冲发生器功能框图，产生具有超宽带特性的窄脉冲信号一般都是使用一个极快速的开关通过对储能元件的放电来实现的。高速开关受触发信号控制，每当触发信号的上升沿到达时，高速开关迅速打开，对储能元件进行放电，形成窄脉冲信号的上升沿，然后迅速关断，形成窄脉冲信号的下降沿。

图2是雪崩电路原理图，图中在无脉冲输入时晶体管T截止，在偏置电压Vcc的作用下雪崩临界状态，此时Vcc通过R2给电容C2充电。在输入脉冲到来时，输入信号经过电容C及RB作用于触发晶体管T的雪崩状态，T迅速进入雪崩区并处于低阻状态，电容C2上存储的电荷此时通过T和R_L放电，其放电时间常数近似为C2和R_L之积，当放电完毕时晶体管T的雪崩状态也停止，此时T再进入截止状态，偏置电压Vcc再次给电容C2充电，为下次触发做准备，充电时间常数近似为R2×C2，可以测到在输出端产生了一个幅值较高的正窄脉冲。在电路中C2的电容值与生成脉冲的幅度有关，当电容值大时脉冲幅值高，但脉冲宽度也会变大，在应用时要根据实际情况作调整。利用雪崩晶体管脉冲产生电路可以获得比较陡峭的脉冲沿，选择适当功率的雪崩管，可得到幅值为数十伏量级而脉冲宽度低于1ns的窄脉冲,在应用中还可通过晶体管级联方式得到上千伏的输出脉冲幅值。

根据雪崩管的工作原理，结合MARX电路原理，设计出基于雪崩三极管的脉冲发生电路如图3所示，当雪崩晶体管串行级联运用时，由于各个晶体管偏置临界雪崩状态，如果采用单管进行触发时，先产生雪崩击穿的是基极受到触发信号的晶体管，接着才是后面级联的晶体管产生击穿效应。对于产生皮秒量级的脉冲而言，电路中任何一个部分存在的时间延迟都会影响产生的输出脉冲，使得输出脉冲的上升时间变长和脉冲变宽。为了消除电路中存在的雪崩依次延时，对电路进行改进，在多个晶体管的基极加入了同步触发脉冲信号，使晶体管同时产生雪崩击穿，加快了负载上获得的脉冲的上升过程，获得了非常陡直的超宽带脉冲。

超宽带脉冲产生电路中需要一个触发信号源，其作用是控制超宽带脉冲信号的时序，触发脉冲发生电路采用两种方案，一种是使用逻辑门电路的方案，另一种是采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）的方案。利用闭合回路中的延迟负反馈作用可以产生自激振荡，只要负反馈信号足够强。环形振荡器就利用延迟负反馈产生振荡的。它是利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相连而构成，图4就是一个简单的环形振荡器电路。另一种设计采用CPLD方案，利用CPLD输出脉冲信号，其优点在于可以产生多种类型的触发信号，还可以为以后的工作预留接口，比如能用CPLD产生编码脉冲，这种方案具有灵活、实用、可扩展性强的特点，图5是CPLD的触发脉冲产生原理图。选用的CPLD的配置方式为JTAG方式，CPLD芯片连接如图6所示。软件系统模块框图如图7所示，在时钟的控制下，开机延时电路1和开机延时电路2分别产生驱动信号，使PPM信号产生器1和PPM信号产生器2产生具有相对延时的脉冲序列。

除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内，还可对本发明作出种种改动和变动。

Claims (3)

1.一种基于雪崩三极管的超宽带脉冲产生电路，其特征在于，包括雪崩级联电路、控制电路以及脉冲触发源电路；所述的雪崩级联电路由四级雪崩电路组成，每级雪崩电路都由TO-18封装的2N2369A型雪崩晶体管（Q1、Q2、Q3、Q4）组成，所述的雪崩晶体管（Q1、Q2、Q3、Q4）的集电极分别通过集电极电阻（R1、R2、R3、R4）与偏置电压（VCC）相连，第一雪崩晶体管（Q1）的集电极通过第一雪崩电容（C1）和第五接地电阻（R5）接地，第二雪崩晶体管（Q2）的集电极通过第二雪崩电容（C2）与第一雪崩晶体管（Q1）的发射极相连，第九接地电阻（R9）接在第二雪崩电容（C2）与地之间，第三雪崩晶体管（Q3）的集电极通过第三雪崩电容（C3）与第二雪崩晶体管（Q2）的发射极相连，第十接地电阻（R10）接在第三雪崩电容（C3）与地之间，第四雪崩晶体管（Q4）的集电极通过第四雪崩电容（C4）与第三雪崩晶体管（Q3）的发射极相连，第十一接地电阻（R11）接在第四雪崩电容（C4）与地之间，第四雪崩晶体管（Q4）的集电极通过第十二接地电阻（R12）接地，第四雪崩晶体管（Q4）的发射极与信号输出端（Vout）相连；所述的控制电路由隔直电容（C5、C6、C7）和放电电阻（R6、R7、R8）组成，输入信号端（Vin）通过隔直电容（C5、C6、C7）分别与第一、二、三雪崩晶体管（Q1、Q2、Q3）相连，所述的放电电阻（R6、R7、R8）接在隔直电容（C5、C6、C7）与接地电阻（R9、R10、R11）之间；所述的脉冲触发源电路根据不同工况可以使用逻辑门电路，也可以使用CPLD电路实现。

2.如权利要求1所述的一种基于雪崩三极管的超宽带脉冲产生电路，其特征在于，所述偏置电压（Vcc）应使雪崩晶体管能够发生雪崩效应，同时还应当满足V_cc≤BV_CBO；所述雪崩电容（C1、C2、C3、C4）取值为几皮法到几十皮法，应选用瓷片电容或云母电容；集电极电阻（R1、R2、R3、R4）应保证雪崩电路能够在静置期内恢复完毕，通常选用几千欧姆到几十千欧姆的电阻。

3.如权利要求1所述的一种基于雪崩三极管的超宽带脉冲产生电路，其特征在于，所述脉冲触发源电路的逻辑门电路由奇数个反相器首尾相连构成，利用闭合回路中的延迟负反馈作用可以产生自激振荡；所述脉冲触发源电路的CPLD电路选用MAX3000A系列的EPM3064ATC44型CPLD作为控制器，利用CPLD电路输出脉冲控制信号。