CN106849916A - 一种超宽带脉冲产生电路 - Google Patents

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肖建
王吉
石国伟
程景清
蔡志匡
郭宇锋
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Abstract

本发明主要是涉及一种超宽带脉冲产生电路，包括微分电路，负反馈网络，直流偏置模块、开关电路、放大电路、整形网络。所述微分电路与外部数字信号相连接；放大电路与开关电路相连接将脉冲信号的幅度放大；最后我们用整形网络的两级微分电路将放大的脉冲信号整形成一个纳秒级的超宽带脉冲信号。所述开关电路是利用三极管的开关特性产生一个开关控制的方波信号；所述放大电路是将产生的幅度较高方波信号的经过三极管和储能电感进行放大，使输出波形的幅度比较大；所述整形网络将幅度较大的脉冲信号经过两级微分电路整形成一个纳秒级的超宽带脉冲信号。根据上述方案产生一个不含直流分量的超宽带脉冲信号，很适合天线发射，降低了整个电路的复杂性。

Description

一种超宽带脉冲产生电路
技术领域
本发明涉及通信领域，特别在探地雷达、通信方面的应用非常广泛。
技术背景
UWB(Ultra-wide Bandwidth)是一种无载波通信技术，利用纳秒(ns)至皮秒(ps)级的非正弦波窄脉冲传输数据,而时间调变技术令其传送速度可以大大提高，而且耗电量相对地低，并有较精确的定位能力。与常见的通信使用的连续载波方式不同，UWB采用极短的脉冲信号来传送数据。这些脉冲所占用的带宽甚至达到几GHz，因此最大数据传输速率可以达到几百Mb/ps。因为使用的是极短脉冲，在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅只有目前的连续载波系统的几百分之一。
根据美国联邦通信委员会(FCC)的定义，超宽带信号是指在-10dB处绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20％且中心频率大于500MHz的信号。超宽带信号在时域表现为持续时间极短的脉冲，通常只有几百皮秒或几百纳秒。超宽带脉冲常由具有高速开关特性的半导体器件和传输线产生。常用于产生超宽带脉冲的器件有隧道二极管、阶跃恢复二极管、雪崩三极管和光导开关等，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达几十到几百皮秒，但其幅度很小，只有几十到几百毫伏。基于火花隙的光导开关能产生千伏以上的脉冲，但产生的脉冲重复频率太低，而且工作时需要几百至几千伏的电源电压，体积庞大，不利于小型化的设计要求。采用非线性传输线也能产生皮秒量级的极窄脉冲信号，但对工艺要求很高，成本昂贵，限制了其使用范围。雪崩三极管能产生纳秒级的脉冲，可触发频率高，幅度可达几十伏，电路实现简单，能满足一般收发系统的技术要求，较为实用，因此被经常用于超宽带脉冲产生器的设计。但是，现有的基于雪崩三极管的脉冲产生电路要求电源电压较高，不利于设备的小型化和移动便携，并且，一般的基于雪崩三极管的脉冲产生电路只能直接产生高斯脉冲，而高斯脉冲含有直流分量和较多低频分量，不适合天线发射，所以还需要添加额外的脉冲整形电路将产生的高斯脉冲进行微分和滤波，以得到适合天线发射的高阶高斯脉冲或其他波形，而且传统的脉冲产生电路功率较小，产生的脉冲幅度较低，往往需要添加额外的宽带放大器，这些均增加了电路的复杂度和成本。
综述所述，现有的超宽带脉冲技术复杂，脉冲幅度低，脉冲波形不适合天线的发射。
发明内容
本发明主要涉及一款适合于天线发射的超宽带脉冲信号，整个设计包括：微分电路，负反馈网络，直流偏置模块、开关电路、放大电路、整形网络。所述微分电路与外部数字信号相连接；放大电路与开关电路相连接将脉冲信号的幅度放大；最后我们用整形网络的两级微分电路将放大的脉冲信号整形成一个纳秒级的超宽带脉冲信号。所述开关电路是利用三极管的开关特性产生一个开关控制的方波信号；所述放大电路是将产生的幅度较高方波信号的经过三极管和储能电感进行放大，使输出波形的幅度比较大；所述整形网络将幅度较大的脉冲信号经过两级微分电路整形成一个纳秒级的超宽带脉冲信号。根据上述方案产生一个不含直流分量的超宽带脉冲信号，很适合天线发射，降低了整个电路的复杂性。
具体技术方案如下：
一种超宽带脉冲产生电路，包括微分电路、开关电路、直流偏置模块、负反馈网络、放大电路、整形网络；
所述微分电路、开关电路、放大电路、整形网络依次连接，所述负反馈网络分别与微分电路及开关电路相连接，直流偏置模块分别与开关电路及放大电路相连接；
所述的微分电路用于接收外部数字信号的边缘信号；微分电路与开关电路和负反馈网络相连，提取的方波信号边缘用于控制开关电路的导通与关闭；负反馈网络与开关电路相连接，这样可以提高开关管的稳定性；
所述开关电路用于形成一个高电压幅度的方波信号；开关电路与直流偏置模块相连接，当开关关闭时跟随器的集电极电压等于所加的直流偏置模块电压，当开关打开时直流设计跟随器的发射极与集电极电压几乎相等约为零。这样就可以形成一个电压幅度较高方波信号。
所述放大电路用于放大输出的电压值；超宽带脉冲的主要特征在于放大电路及其储能电感的设计。储能电感与放大电路中三极管Q3的集电极相连接，对于交流电流来说电感相当于一个较大的电阻，因此具有高的电压增益。当放大电路处于放大状态时此时储能电感能存储更多的能量，输出电压值较大；由于超宽带脉冲的脉冲宽度和幅度是一对相互制约的值，因此储能电感的能量储存越多越有利于超宽带脉冲的形成；
所述的整形网络用于最终形成负相超宽带脉冲信号，脉冲的幅度和宽度取决于RC常数τ。
作为优选方案，所述的微分电路与外部的晶振电路相连接，依次包括相连接的电容C1和电阻R1，所述的电阻R1接地。微分电路提取晶振产生的方波信号的边缘，使得晶振的方波信号更有利于后级三极管的触发，所提取的脉冲信号的宽度由RC常数决定，由于我们需要的是比较宽的脉冲信号，这里我们使脉冲信号的底部尽量与晶振信号的底部脉冲接近为50ns。
作为优选方案，所述负反馈电路由并联连接的电阻R3及电容C2组成，其输入端连接微分电路，输出端连接开关电路。作为优选方案，所述开关电路包括三极管Q1、三极管Q2及电阻R8，所述三极管Q1的基极连接微分电路，发射极接地，其集电极与三极管Q2的基极连接；所述三极管Q2的基极和集电极之间设有电阻R8，三极管Q2的基极连接负反馈电路，集电极连接直流偏置模块，发射极连接放大电路。
作为优选方案，所述放大电路包括储能电感L1、电阻R5及三极管Q3，所述的三极管Q3其基极连接开关电路、发射极接地，其集电极连接电阻R5，电阻R5的另一端连接储能电感L1，储能电感L1的另一端连接直流偏置模块。
所述储能电感L1上的电压值Us为βib(jωL+R)，其中β为三极管Q3的共射极放大倍数、ω为被放大交流信号的角频率、ib为三极管Q3导通时的基极电流、R为三极管Q3集电极输出电阻。
作为优选方案，所述的整形网络与三极管Q3的集电极连接，包括第一微分电路和第二微分电路，所述的第一微分电路由与三极管Q3的集电极连接的电容C3连接电阻R6组成，电阻R6接地；所述的第二微分电路由与电容C3连接的电容C4连接电阻R7组成，电阻R7接地。
所述的整形网络用于将放大电路输出的电压经过两级微分电路最终得到纳秒级的超宽带脉冲，脉冲的带宽由第一微分电路的RC常数τ1及第二微分电路的RC常数τ2决定。
作为优选方案，所述开关电路和放大电路之间设有接地的保护电阻R4。
作为优选方案，所述的整形电路的输出端设有匹配电阻R9，用于与外部连接时做匹配。
具体实施步骤如下：
方波信号经过微分电路C1、R1，提取方波信号的边缘，当脉冲处于高电平时三极管Q1导通，此时三极管Q2处于截止状态，三极管Q2基极电压等于三极管Q1发射极电压约为0；当脉冲处于低电平时此时三极管Q1截止，三极管Q2基极电压等于直流偏置模块的直流电压。同时引入负反馈网络使三极管Q2基极电压的变化对输入方波信号的影响更小，提高整个开关电路的性能。如上所述三极管Q2射集跟随器将基极电压跟随到集电极，这样便可以得到一个幅度较高的方波信号，方波信号经过三极管Q3放大，us＝βib(jωL+R)(β为三极管Q3的共射极放大倍数、ω为被放大交流信号的角频率、ib为三极管Q3导通时其基极电流、us为储能电感L1上的电压值，R为Q3集电极输出电阻)。当脉冲为高电平时，此时储能电感L1处于充电状态，同理当脉冲为低电平时，三极管Q3处于截止状态，此时储能电感L1处于放电状态，放电时储能电感L1上的交流信号经过后级整形网络的两级微分电路形成一个放电回路，储能电感L1上的电压波形经过两级微分电路(C3、R6、C4、R7)整形，最终我们得到一个超宽带脉冲。脉冲的幅度由整形网络的RC常数和L1上的脉冲幅度决定。
这种结构的超宽带脉冲信号，结构简单、成本低、脉冲幅度大、脉冲宽度控制比较容易。克服了基于阶跃恢复二极管的超宽带脉冲产生电路的器件采购难度大、脉冲宽度可调性不高等缺点。
附图说明
图1为超宽带脉冲产生框图。
图2为超宽带脉冲产生电路原理图。
图3为添加了匹配电阻的超宽带脉冲产生电路原理图。
图4为超宽带脉冲仿真结果。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。如图1整个超宽带脉冲包括开关电路、放大电路、微分电路、直流偏置模块、负反馈网络、整形网络等五个部分。
所述的微分电路，开关电路，放大电路，整形网络依次相连接，直流偏置模块为开关电路和放大电路提供直流偏置。
第一微分电路由C1和R1组成，与外部输入的晶振相连接，提取外部晶振输入信号的边缘；负反馈网络由C2和R3组成，大大减小了输入波形的稳定性对开关电路的影响，提高了开关电路的稳定性。
开关电路用于接收偏置电压提供的稳定的电压，并控制跟随电路的波形；当三极管Q1导通时三极管Q2基极电压约为0，当三极管Q1关闭时三极管Q2基极电压约为直流偏置电压，这样我们就可以得到一个电压值较高的数字方波信号，方波信号经过三极管Q2形成射集跟随器，再将射集跟随器的信号作为三极管Q3的输入信号经过放大级进行放大，放大倍数满足：
us＝βib(jωL+R)
(β为三极管Q3的共射极放大倍数、ω为被放大交流信号的角频率、ib为三极管Q3导通时基极电流、us为储能电感L1上的电压值，R为三极管Q3集电极输出电阻)。
超宽带脉冲是由放大电路的输出电压经过微分电路整形而成，当三极管Q3导通时,整个放大电路处于放大状态时uce＝0(三极管Q3集电极电压)，此时储能电感L1处于充电状态，当三极管Q3处于截止状态时，储能电感L1阻碍电流的减少，储能电感L1处于放电状态。此时的uce电压值约等于储能电感L1的电压值(储能电感L1相当于电源)。uce电压经过两级微分电路整形最终我们得到纳秒级的超宽带脉冲，脉冲的带宽由RC常数τ(τ＝RC)决定。
通过上述技术方案，实现不带直流分量的超宽带脉冲信号，这种超宽带脉冲很适合于天线的发射；此外不同于传统的利用阶跃恢复二极管和雪崩三极管形成的超宽带脉冲电路，这种结构的超宽带脉冲产生电路对器件的要求大大降低，这就降低了整个设计的难度与成本。
在上述发明实施过程中，本发明的超宽带脉冲产生电路中的微分电路与外部的晶振电路相连接，提取晶振产生的方波信号的边缘，使得晶振的方波信号更有利于后级三极管的触发，所提取的脉冲信号的宽度有RC常数决定，由于我们需要的是比较宽的脉冲信号这里我们是脉冲信号的底部尽量与晶振信号的底部脉冲接近为50ns。
如上所述，开关脉冲信号的底部脉冲越宽，放大管导通时间越长，电感充电时间越长，电感中储存的能量就越大。当输入信号为低电平的时三极管Q1处于截止状态，三极管Q2导通，放大电路进行工作，此时储能电感L1充电。当输入信号为高电平时，三极管Q1处于导通状态，三极管Q2处于截止状态，此时储能电感L1处于放电状态，储能电感L1上的信号经过整形网络的两级微分电路放电，整形网络将其整形成我们所需要的超宽带脉冲。
通过上述方式产生的超宽带脉冲信号不含直流分量，特别适合于天线的发射，其次利用储能电感一次性形成一个幅度较高的脉冲信号，这样更有利于整形网络的整形。
如图3，用ADS对上述原理进行仿真验证得出的结果，输入信号的脉冲为10M，占空比50％的方波信号。图中显示脉冲幅度约为-14V脉冲宽度约为2ns。根据上述仿真可知，本发明的超宽带脉冲信号幅度较高，脉冲宽度约为2ns，可以作为超宽带脉冲使用。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种修改或变形，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种超宽带脉冲产生电路，其特征在于：微分电路、开关电路、直流偏置模块、负反馈网络、放大电路、整形网络；
所述微分电路、开关电路、放大电路、整形网络依次连接，所述负反馈网络分别与微分电路及开关电路相连接，直流偏置模块分别与开关电路及放大电路相连接；
所述的微分电路用于接收外部数字信号的边缘信号；微分电路与开关电路和负反馈网络相连，提取的方波信号边缘用于控制开关管的导通与关闭；负反馈网络与开关电路相连接，用于提高开关管的稳定性；
所述开关电路用于形成一个高电压幅度的方波信号；
所述放大电路用于放大输出的电压值；
所述的整形网络用于最终形成负相超宽带脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带脉冲产生电路，其特征在于：所述的微分电路依次包括相连接的电容C1和电阻R1，所述的电阻R1接地，微分电路与外部的晶振电路相连接，提取晶振产生的方波信号的边缘。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带脉冲产生电路，其特征在于：所述负反馈电路由并联连接的电阻R3及电容C2组成，其输入端连接微分电路，输出端连接开关电路。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带脉冲产生电路，其特征在于：所述开关电路包括三极管Q1、三极管Q2及电阻R8，所述三极管Q1的基极连接微分电路，发射极接地，其集电极与三极管Q2的基极连接；所述三极管Q2的基极和集电极之间设有电阻R8，三极管Q2的基极连接负反馈电路，集电极连接直流偏置模块，发射机连接放大电路。
5.根据权利要求1所述的一种超宽带脉冲产生电路，其特征在于：所述放大电路包括储能电感L1、电阻R5及三极管Q3，所述的三极管Q3其基极连接开关电路、发射极接地，其集电极连接电阻R5，电阻R5的另一端连接储能电感L1，储能电感L1的另一端连接直流偏置模块。
6.根据权利要求5所述的一种超宽带脉冲产生电路，其特征在于：所述储能电感L1上的电压值Us为βib(jωL+R)，其中β为三极管Q3的共射极放大倍数、ω为被放大交流信号的角频率、ib为三极管Q3导通时的基极电流、R为三极管Q3集电极输出电阻。
7.根据权利要求1所述的一种超宽带脉冲产生电路，其特征在于：所述的整形网络与三极管Q3的集电极连接，包括第一微分电路和第二微分电路，所述的第一微分电路由与三极管Q3的集电极连接的电容C3连接电阻R6组成，电阻R6接地；所述的第二微分电路由与电容C3连接的电容C4连接电阻R7组成，电阻R7接地。
8.根据权利要求7所述的一种超宽带脉冲产生电路，其特征在于：所述的整形网络用于将放大电路输出的电压经过两级微分电路最终得到纳秒级的超宽带脉冲，脉冲的带宽由第一微分电路的RC常数τ1及第二微分电路的RC常数τ2决定。
9.根据权利要求1所述的一种超宽带脉冲产生电路，其特征在于：所述开关电路和放大电路之间设有接地的保护电阻R4。
10.根据权利要求1所述的一种超宽带脉冲产生电路，其特征在于：所述的整形电路的输出端设有匹配电阻R9。
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