CN106130510A - 一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置及方法，控制单元控制高速信号发生单元发送单极性矩形波信号；双极性触发单元将单极性矩形波信号转换为双极性矩形波信号；微分器将双极性矩形波信号转换为双极性尖脉冲信号；雪崩单元受到双极性尖脉冲信号激励，产生正极性零阶高斯脉冲信号；脉冲整形单元将正极性零阶高斯脉冲信号转换为负极性一阶高斯脉冲信号；边沿检测单元检测负极性一阶高斯脉冲信号的半脉冲宽度；控制单元接收脉冲宽度信息，控制调谐器调谐双极性触发单元的高、低电平电压，形成反馈；控制单元检测到半脉冲宽度为最小值时，完成对调谐器的控制。

Description

一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置及方法
技术领域
本发明涉及超宽带探测领域，尤其涉及一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置及方法。
背景技术
超宽带技术就是通过对非常短的窄脉冲进行处理，包括产生、传输和接收等，实现探测、通信、定位等功能。超宽带探测系统凭借其距离分辨率高、隐蔽性强、抗干扰能力强等优点，成为探地雷达、穿墙成像、无损检测等许多应用领域的研究热点。
在超宽带探测系统中，窄脉冲源激励发射天线辐射超宽带电磁波，电磁波在不同介质中传播，并且波形和强度随着介质的变化而变化，遇到目标物返回的电磁波被接收天线接收，通过对回波信号的分析完成目标物探测。窄脉冲的宽度和幅度决定了探测系统的穿透性能和探测距离。因此，窄脉冲发生器的设计在超宽带探测系统中非常关键。
在目前国内外超宽带技术的研究中，窄脉冲发生器的设计方式主要有两类。第一类是基于模拟器件的方式。例如，利用传输线等微波器件，经过整形结构形成脉冲电信号；采用阶跃恢复二极管、隧道二极管、雪崩晶体管等高速开关器件，配合传输线原理产生窄脉冲。第二类是基于数字器件的方式。例如，使用TTL、ECL等数字电路产生窄脉冲；使用与门、非门等逻辑器件实现极窄的脉冲信号等。
国内外相当多的研究报道及专利申请(授权)涉及超宽带窄脉冲的研究工作，例如：
一种基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置(CN103731123A)
一种超宽带脉冲发生器(CN103326696A)
基于雪崩晶体管的皮秒级高功率超宽带窄脉冲信号发生器(CN202798619U)
一种光生超宽带脉冲信号装置及其方法(CN102694577A)
一种基于数字电路的超宽带脉冲发生器(CN102324951A)
尽管有相当多的类似工作，但是，能够采用模拟与数字硬件相结合的方式，利用高速数字电路信号可调谐的特点，设计一种可调谐的雪崩脉冲触发信号，从而充分发挥雪崩晶体管的雪崩特性，以一种简单的方式产生更窄脉冲的方法和装置极为罕见。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置及方法，采用模拟与数字硬件相结合的方式，利用高速数字电路触发信号边沿斜率最快的部分触发雪崩晶体管，从而在同样的条件下，得到比传统方法宽度更窄、幅度更高的窄脉冲信号。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置，包括高速信号发生单元，所述高速信号发生单元接受控制单元的控制；高速信号发生单元的输出端与双极性触发单元、微分器、雪崩单元及脉冲整形单元依次连接；
所述脉冲整形单元还与边沿检测单元连接，边沿检测单元的输出与所述控制单元连接，所述控制单元的输出还与调谐器连接，所述调谐器与所述双极性触发单元连接，形成反馈回路；控制单元接收边沿检测单元的脉冲宽度检测信息，当检测到半脉冲宽度为最小值时，完成对调谐器的控制。
所述双极性触发单元包括前级缓冲器，所述前级缓冲器通过数字隔离器与后级缓冲器连接，所述数字隔离器的输入端由单极性电源供电，输出端由双极性电源供电。
所述单极性电源为3.3V电源，所述双极性电源为3.3V和-2V电源。
所述调谐器包括电源，所述电源提供双极性电压输出，输出的一条支路依次连接第一加/减法器、第一隔离器和所述双极性触发单元；另一条支路依次连接第二加/减法器、第二隔离器和所述双极性触发单元，所述第一加/减法器和第二加/减法器都与所述控制单元连接。
所述电源提供-2V和+3.3V的双极性电压。
所述微分器为RC无源微分网络，将方波变形为尖脉冲信号。
所述雪崩单元包括雪崩晶体管、所述雪崩晶体管的集电极串联集电极电阻和集电极电感后接电源，基极和发射极之间并联两条支路，一条支路上连接电阻，另一条支路上串联有电容和触发信号源，另一条支路上连接电阻，发射极同时接地。
所述脉冲整形单元包括，所述雪崩晶体管的集电极连接电容C2的一端，电容C2的另一端与所述雪崩晶体管的发射极之间并联电阻R3和电感L2。
所述边沿检测单元包括超宽带运放，所述超宽带运放的输出端依次连接采样单元、保持单元和模数转换单元，用来检测负极性一阶高斯脉冲的半脉冲宽度。
一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生方法，包括，控制单元控制高速信号发生单元发送单极性矩形波信号；双极性触发单元将单极性矩形波信号转换为双极性矩形波信号；微分器将双极性矩形波信号转换为双极性尖脉冲信号；雪崩单元受到双极性尖脉冲信号激励，产生正极性零阶高斯脉冲信号；脉冲整形单元将正极性零阶高斯脉冲信号转换为负极性一阶高斯脉冲信号；
边沿检测单元检测负极性一阶高斯脉冲信号的半脉冲宽度；控制单元接收半脉冲宽度信息，控制调谐器调谐双极性触发单元的高、低电平电压，形成反馈；控制单元检测到半脉冲宽度为最小值时，完成对调谐器的控制。
本发明的有益效果：
(1)本发明所提出的技术方案，在使用相同雪崩晶体管、脉冲电路和脉冲整形电路的条件下，采用可调谐的触发信号触发雪崩晶体管，利用触发信号边沿斜率最快的部分激励雪崩效应，与一般的触发方式相比，可以进一步减小窄脉冲宽度，增大幅度。典型的窄脉冲技术指标为：重复频率为10MHz，幅度峰峰值5V，半脉宽400ps，主包络频带为0～1.5GHz，最大功率-8dBm@700MHz，中心频率750MHz。本发明实现的窄脉冲完全能够满足超宽带系统对信号源的要求。
(2)本发明提出的技术方案，使用双极性信号触发雪崩晶体管，降低了雪崩管导通信号的噪声干扰，可以在输出端获得更为干净的高斯脉冲信号。
(3)本发明提出的技术方案，含有反馈网络，可以根据具体应用需求，通过调节调谐器，对脉冲波形进行微调，提高了技术方案的灵活性和可移植性。
附图说明
图1是装置的结构图；
图2是调谐器结构图；
图3是雪崩单元和脉冲整形单元电路图；
图4是双极性触发单元的结构图；
图5是边沿检测单元的结构图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置，包括高速信号发生单元；双极性触发单元；调谐器；微分器；雪崩单元；脉冲整形单元；边沿检测单元及控制单元。其连接控制关系为：所述高速信号发生单元接受控制单元的控制；高速信号发生单元的输出端与双极性触发单元、微分器、雪崩单元及脉冲整形单元依次连接；
所述脉冲整形单元还与边沿检测单元连接，边沿检测单元的输出与所述控制单元连接，所述控制单元的输出还与调谐器连接，所述调谐器与所述双极性触发单元连接，形成反馈回路；控制单元接收边沿检测单元的检测半脉冲宽度信息，当检测到半脉冲宽度为最小值时，完成对调谐器的控制。
本发明采用的高速信号发生单元由FPGA逻辑输出口构成，用来产生上升沿10ns的矩形波信号。
如图4所示，本发明采用的双极性触发单元是以ADuM1210数字隔离器为核心的电平转换电路，输入信号由3.3V单极性电源供电，输出信号由3.3V和-2V双极性电源供电，用来将单极性矩形波信号转换为双极性矩形波信号。由前级缓冲器、数字隔离器(ADuM1210)、后级缓冲器、单极性电源和双极性电源组成。前级缓冲器用来隔离高速信号发生单元和双极性触发单元，同时提高高速信号发生单元的矩形波信号驱动能力。数字隔离器ADuM1210实现电平转换，输入信号是3.3V电平的单极性信号，输出信号是3.3V和-2V电平的双极性信号。单极性电源用来给数字隔离器的输入端供电，双极性电源用来给数字隔离器的输出端供电。
如图3所示，本发明采用的雪崩单元由雪崩晶体管Q1、集电极电阻R2、集电极电感L1组成，用来产生正极性零阶高斯脉冲。当触发信号为低电平时，晶体管工作在截止区，电源通过L1、R2、C2、L2组成的回路给电容C2充电；当触发信号上升沿到来时，晶体管导通并发生雪崩效应，电容C2迅速放电，在R3上产生负极性零阶高斯脉冲。
本发明采用的脉冲整形单元由电容C2、电感L2和电阻R3构成，将正极性零阶高斯脉冲转换为负极性一阶高斯脉冲，同时进行阻抗变换，用以在特定频带匹配负载阻抗。
如图2所示，本发明采用的调谐器由电源、第一加/减法器、第一隔离器、第二加/减法器、第二隔离器组成。电源提供-2V和+3.3V的双极性电压；第一加/减法器和第二加/减法器由控制单元控制，用来对电源电压进行微调，针对实验测定的雪崩晶体管的基极导通电压值，适当调节正负极性电压，使触发信号的50％上升沿电压值与导通电压值相等，从而利用上升沿斜率最快的部分激励雪崩晶体管，最大程度发挥其雪崩特性，进一步减小脉冲宽度；第一隔离器和第二隔离器用来隔离前级电源电压和后级单元，避免后级单元对调谐器产生影响。
本发明采用的微分器是一个由电容、电阻组成的无源微分网络，用来将方波变形为尖脉冲信号，使晶体管导通后能够迅速关断，减小晶体管的雪崩工作时间，避免晶体管损害和窄脉冲出现拖尾情况。
如图5所示，本发明采用的边沿检测单元由超宽带运放、采样单元、保持单元和模数转换单元组成，用来检测负极性一阶高斯脉冲的半脉冲宽度。超宽带运放用来隔离脉冲与后级单元，避免边沿检测单元对脉冲输出产生影响，采样保持单元按一定比例将半脉冲宽度变换为微弱电压信号，模数转换单元将微弱的电压信号转换为数字信号，便于控制单元的数据获取。
一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生方法，控制单元控制高速信号发生单元发送矩形波信号；双极性触发单元将单极性矩形波信号转换为双极性矩形波信号；微分器将双极性矩形波信号转换为双极性尖脉冲信号；雪崩单元受到双极性尖脉冲信号激励，产生正极性零阶高斯脉冲信号；脉冲整形单元将正极性零阶高斯脉冲信号转换为负极性一阶高斯脉冲信号；边沿检测单元检测负极性一阶高斯脉冲信号的半脉冲宽度；控制单元接收脉冲宽度信息，控制调谐器调谐双极性触发单元的高、低电平电压，形成反馈；控制单元检测到半脉冲宽度已经是最小值时，完成对调谐器的控制。
结合超宽带穿墙雷达窄脉冲源进一步详细阐述。
需求分析：超宽带穿墙雷达用于对隔墙目标物的探测定位，其定位精度和探测范围主要由窄脉冲源的脉宽和幅度决定，所以脉冲源脉宽越窄，幅度越高，系统性能越好。并且，为了实现信号的隔墙传播，要求信号具有大于1GHz的带宽。
采用CycloneIII系列FPGA作为控制单元，驱动逻辑输出接口产生重复频率10MHz、宽度20ns的TTL电平矩形波信号。双极性触发单元将此信号转换为双极性矩形波信号。微分器的电容和电阻取值分别为300pF和6k ohm，将矩形波信号转换为尖脉冲信号。雪崩晶体管采用BFP450，集电极电阻R2、集电极电感L1组成雪崩脉冲电路，产生正极性雪崩脉冲，电阻电感取值分别为500ohm和30uH。电容C2、电感L2和电阻R3构成脉冲整形电路，将正极性窄脉冲转换为负极性窄脉冲，同时进行阻抗变换，用以在特定频带匹配负载阻抗，取值分别为6pF、10nH和100ohm。
边沿检测单元实时检测半脉冲宽度，控制单元获取宽度信息，控制调谐器改变双极触发单元的双极性供电电压，形成反馈。经过一定时间的整定，最终确定雪崩管BFP450导通电压为0.745V，所以调谐器调制双极性供电电压分别为-2V和+3.49V，使触发信号的50％上升沿电压值与导通电压值相等，从而利用上升沿斜率最快的部分激励雪崩晶体管，最大程度发挥其雪崩特性。
得到窄脉冲的特性为重复频率10MHz、脉冲幅度峰峰值10V，半脉冲宽度1ns、主包络频带为0～1.1GHz，最大功率-2dBm@330MHz，中心频率550MHz。能够满足超宽带穿墙雷达应用的要求。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置，其特征是，包括高速信号发生单元，所述高速信号发生单元接受控制单元的控制；高速信号发生单元的输出端与双极性触发单元、微分器、雪崩单元及脉冲整形单元依次连接；
所述脉冲整形单元还与边沿检测单元连接，边沿检测单元的输出与所述控制单元连接，所述控制单元的输出还与调谐器连接，所述调谐器与所述双极性触发单元连接，形成反馈回路；控制单元接收边沿检测单元的脉冲宽度检测信息，当检测到半脉冲宽度为最小值时，完成对调谐器的控制。
2.如权利要求1所述一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置，其特征是，所述双极性触发单元包括前级缓冲器，所述前级缓冲器通过数字隔离器与后级缓冲器连接，所述数字隔离器的输入端由单极性电源供电，输出端由双极性电源供电。
3.如权利要求2所述一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置，其特征是，所述单极性电源为3.3V电源，所述双极性电源为3.3V和-2V电源。
4.如权利要求1所述一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置，其特征是，所述调谐器包括电源，所述电源提供双极性电压输出，输出的一条支路依次连接第一加/减法器、第一隔离器和所述双极性触发单元；另一条支路依次连接第二加/减法器、第二隔离器和所述双极性触发单元，所述第一加/减法器和第二加/减法器都与所述控制单元连接。
5.如权利要求4所述一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置，其特征是，所述电源提供-2V和+3.3V的双极性电压。
6.如权利要求1所述一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置，其特征是，所述微分器为RC无源微分网络，将方波变形为尖脉冲信号。
7.如权利要求1所述一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置，其特征是，所述雪崩单元包括雪崩晶体管、所述雪崩晶体管的集电极串联集电极电阻和集电极电感后接电源，基极和发射极之间并联两条支路，一条支路上连接电阻，另一条支路上串联有电容和触发信号源，另一条支路上连接电阻，发射极同时接地。
8.如权利要求7所述一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置，其特征是，所述脉冲整形单元包括，所述雪崩晶体管的集电极连接电容C2的一端，电容C2的另一端与所述雪崩晶体管的发射极之间并联电阻R3和电感L2。
9.如权利要求1所述一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生装置，其特征是，所述边沿检测单元包括超宽带运放，所述超宽带运放的输出端依次连接采样单元、保持单元和模数转换单元，用来检测负极性一阶高斯脉冲的半脉冲宽度。
10.一种可调谐触发式超宽带窄脉冲产生方法，其特征是，包括，控制单元控制高速信号发生单元发送单极性矩形波信号；双极性触发单元将单极性矩形波信号转换为双极性矩形波信号；微分器将双极性矩形波信号转换为双极性尖脉冲信号；雪崩单元受到双极性尖脉冲信号激励，产生正极性零阶高斯脉冲信号；脉冲整形单元将正极性零阶高斯脉冲信号转换为负极性一阶高斯脉冲信号；
边沿检测单元检测负极性一阶高斯脉冲信号的半脉冲宽度；控制单元接收半脉冲宽度信息，控制调谐器调谐双极性触发单元的高、低电平电压，形成反馈；控制单元检测到半脉冲宽度为最小值时，完成对调谐器的控制。
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