CN202798619U

CN202798619U - 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

Info

Publication number: CN202798619U
Application number: CN201220486146.8U
Authority: CN
Inventors: 戴大富; 王志勇; 张丽君
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2022-09-24

Abstract

本实用新型属于雷达发射机技术领域，具体涉及一种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。本信号发生器包括如下组成部分：用于向信号发生器供电的偏置电压V_CC；用于输入TTL电平的触发信号的触发输入端；本信号发生器还包括Marx电路，Marx电路中设置有依次级联的起始雪崩单元和多级雪崩单元，任一级雪崩单元中均设置有雪崩三极管和雪崩电容。雪崩单元中的雪崩电容采用并联充电、串联放电的结构。这种结构的特点是不需要极高的偏置电压，无论采用级联多少，都只需偏置单管电压，在放电时雪崩电容相互串联，减小了线路等效放电电容，使得每级可以采用相对较大的雪崩电容，并最终实现了高功率超宽带窄脉冲信号的产生。

Description

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

技术领域

本实用新型属于雷达发射机技术领域，具体涉及一种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。

背景技术

由于UWB冲激雷达（UWB impulse radar）在目标探测、反隐身、电磁干扰等方面具有广泛的应用潜力，因此其日益成为雷达领域中的热门方向。

脉冲源技术则是脉冲雷达实现其功能的关键。超宽带微波源以开关技术进行分类，大体上可分为气体开关源（油开关源）及固态开关源。

气体开关源和油开关源的优点在于：击穿电压高，适合于制作MW、GW级高功率脉冲源，其不足之处在于其重频较低、重频稳定度差、脉冲波形一致性差、脉冲输出信号相干度较低。

固态开关源的优点在于重频高、频率稳定度高、波形一致性好，缺点是功率较低。

固态开关源包括光导开关脉冲源和半导体开关脉冲源，光导开关脉冲源的主要特点是功率高,产生脉冲宽度可以达到ps量级,主要应用在高功率超宽带辐射中，半导体开关脉冲源的特点是功率较低,但电路实现简单,体积小,能耗低,易于集成。

窄脉冲产生电路的性能与所使用的高速器件有关，可以产生纳秒、皮秒级窄脉冲的高速器件有隧道二极管、阶跃恢复二极管、雪崩晶体管等器件。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，但其幅度较小，一般为几百毫伏的量级。而雪崩晶体管产生的脉冲，上升时间可以达1～2ns，输出脉冲幅度可达几百伏，但需要较高的电源电压。因此，如何获得皮秒级高功率超宽带窄脉冲信号，是一个亟待解决的、并具有十分重要的现实意义的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种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，本实用新型能够为超宽带雷达提供一种高功率的高重频的窄脉冲UWB信号源，结构简单且工作稳定可靠。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种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，其包括如下组成部分：

偏置电压V_CC，用于向信号发生器供电；

触发输入端，用于输入TTL电平的触发信号，并引发信号发生器中的各级雪崩三极管的雪崩效应，所述触发输入端通过限流电阻R1与Marx电路相连，所述限流电阻R1还通过基极偏置电阻R2接地；

Marx电路，所述Marx电路由依次级联的起始雪崩单元和多级雪崩单元共同构成；

所述起始雪崩单元由起始集电极电阻、起始雪崩电容、起始雪崩三极管构成，起始雪崩单元通过起始集电极电阻与所述偏置电压V_CC的输出端相连，起始集电极电阻的另一端一方面与起始雪崩电容相连，另一方面与起始雪崩三极管的集电极相连，起始雪崩三极管的发射极接地，起始雪崩三极管的基极通过限流电阻R1与触发输入端相连，所述起始雪崩电容的远离起始集电极电阻的一端则与多级雪崩单元中第一级雪崩单元的雪崩三极管的基极相连；

多级雪崩单元中的每一级雪崩单元均由集电极电阻、雪崩电容、雪崩三极管和发射极电阻构成；任一级雪崩单元均通过集电极电阻与所述偏置电压V_CC的输出端相连，集电极电阻的另一端一方面与雪崩电容相连，另一方面与本级雪崩单元中的雪崩三极管的集电极相连，本级雪崩单元中的雪崩三极管的发射极通过发射极电阻接地，本级雪崩单元中的雪崩电容的远离集电极电阻的一端则与相邻雪崩单元的雪崩三极管的基极相连；最后一级雪崩单元的电容一方面通过负载电阻RL接地，另一方面接信号发生器的输出端。

同时本实用新型还可以通过以下方式得以进一步实现：

优选的，所述Marx电路中的雪崩单元级数为5～30级。

优选的，所述限流电阻R1和基极偏置电阻R2均采用功率为0.25W、阻值为100Ω的片式电阻；起始雪崩单元中的起始集电极电阻和多级雪崩单元中的集电极电阻均采用功率为20W、阻值为5.1kΩ的片式射频电阻；起始雪崩单元中的起始雪崩电容和多级雪崩单元中的雪崩电容均采用额定电压为500Ｖ、电容为51ｐｆ的片式射频电容；多级雪崩单元中的发射极电阻均采用功率为20W、阻值为2kΩ的片式射频电阻；负载电阻RL阻值为50Ω。

本实用新型的有益效果如下：

1）、本实用新型充分利用了雪崩三极管的雪崩效应产生窄脉冲，在雪崩导通瞬间，电流呈“雪崩”式迅速增长，从而获得具有陡峭前沿的波形，成形后得到极短脉冲；当给雪崩三极管的集电结施加强电场时，集电结区的载流子即被强电场加速，当加速载流子与晶格发生碰撞，即产生新的电子-空穴对，这些新的电子-空穴对又被电场加速，并和晶格发生碰撞，再次产生新的电子-空穴对，如此重复上述过程，流过集电结的电流便迅速增长，从而形成晶体管的雪崩效应；当一次雪崩击穿发生后，如果CB结反向偏压继续增大，由于雪崩效应，会导致很大的电流发生二次击穿，一旦二次击穿发生，强大的集电极电流迅速改变集电结内的电场分布，即使V_CE下降，集电极电流仍然继续上升，晶体管呈现负输出阻抗特性，如图２所示，此时仅需很小的维持电压，仍然能得到很大的集电极电流；雪崩三极管在雪崩区形成负阻特性，负阻区处于BV_CEO与BV_CBO之间，当电流再继续加大时，则会出现二次击穿现象，如图３所示，当负载线很陡时，如图３中负载线II所示，它没有与二次击穿曲线相交，这时就不会获得二次负阻区的加速，超宽带窄脉冲发生器利用雪崩三极管的二次负阻区加速作用，来达到产生极窄脉冲的目的；

2）、本实用新型中采用Marx电路，Marx电路中设置有依次级联的起始雪崩单元和多级雪崩单元，每一级雪崩单元中均设置有雪崩三极管和雪崩电容，雪崩单元中的雪崩电容采用并联充电、串联放电的结构。这种结构的特点是不需要极高的偏置电压，无论采用级联多少，都只需偏置单管电压，在放电时雪崩电容相互串联，减小了线路等效放电电容，使得每级可以采用相对较大的雪崩电容，并最终使得本信号发生器的输出功率较大，电压较高；

3）、本实用新型通过采用多级雪崩晶体管的Marx电路级联，实现了脉冲幅度或脉冲功率的大幅提高。以14级雪崩晶体管的级联为例，输出脉冲幅度可达800V，输出功率可达12.8kＷ，脉冲前沿小于200ps，脉冲宽度（50%）窄至600ps，全底宽：1ns,脉冲重复频率可达200kHz。本实用新型不仅实现了一种皮秒级的高功率窄脉冲源的研制，更大的现实意义在于提供了一种设计方式，通过更多级雪崩晶体管级联的方案可实现更大功率的超宽带窄脉冲信号源的研制，从而可满足超宽带雷达、超宽带通信等领域的应用需求。

附图说明

图1是本实用新型的电路结构示意图。

图2是雪崩三极管I-V特性曲线图。

图3是雪崩三极管雪崩工作曲线图。

具体实施方式

如图１所示，一种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，其包括如下组成部分：

偏置电压V_CC，用于向信号发生器供电；

触发输入端，用于输入TTL电平的触发信号，并引发信号发生器中的各级雪崩三极管的雪崩效应，所述触发输入端通过限制电阻R1与Marx电路相连，所述限流电阻R1还通过基极偏置电阻R2接地；

Marx电路，所述Marx电路由依次级联的起始雪崩单元N₀和多级雪崩单元N_i（i≥1）共同构成。

如图１所示，所述起始雪崩单元N₀由起始集电极电阻R3、起始雪崩电容C1、起始雪崩三极管V1构成，起始雪崩单元N₀通过起始集电极电阻R3与所述偏置电压V_CC的输出端相连，起始集电极电阻R3的另一端一方面与起始雪崩电容C1相连，另一方面与起始雪崩三极管V1的集电极相连，起始雪崩三极管V1的发射极接地，起始雪崩三极管V1的基极通过限流电阻R1与触发输入端相连，所述起始雪崩电容C1的远离起始集电极电阻R3的一端则与第一级雪崩单元N₁的雪崩三极管V2的基极相连。

如图1所示，多级雪崩单元N_i（i≥1）中的每一级雪崩单元N_i均由集电极电阻、雪崩电容、雪崩三极管和发射极电阻构成；任一级雪崩单元均通过集电极电阻与所述偏置电压V_CC的输出端相连，集电极电阻的另一端一方面与本级雪崩单元中的雪崩电容相连，另一方面与本级雪崩单元中的雪崩三极管的集电极相连，本级雪崩单元中的雪崩三极管的发射极通过发射极电阻接地，所述本级雪崩单元中的雪崩电容的远离集电极电阻的一端则与相邻雪崩单元的雪崩三极管的基极相连；第一级雪崩单元中的雪崩三极管的基极与起始雪崩电容C1的一端相连，最后一级雪崩单元的电容一方面通过负载电阻RL接地，另一方面接信号发生器的输出端。

以第一级雪崩单元N₁为例，如图１所示，第一级雪崩单元N₁由集电极电阻R4、雪崩电容C2、雪崩三极管V2和发射极电阻R17构成，集电极电阻R4的一端与偏置电压V_CC相连，集电极电阻R4的另一端与雪崩三极管V2的集电极和雪崩电容C2分别相连，雪崩三极管V2的发射极通过发射极电阻R17接地，雪崩电容C2则与第二级雪崩单元N₂中的雪崩三极管V3的基极相连。

优选的，所述Marx电路中的雪崩单元级数为5～30级,也即Marx电路中的雪崩三极管的数量为5～30之间比较适宜。

优选的，如图1所示，所述限流电阻R1和基极偏置电阻R2均采用功率为0.25W、阻值为100Ω的片式电阻；起始雪崩单元中的起始集电极电阻R3和多级雪崩单元中的集电极电阻R4～R16均采用功率为20W、阻值为5.1kΩ的片式射频电阻；起始雪崩单元中的起始雪崩电容C1和多级雪崩单元中的雪崩电容C2～C14均采用额定电压为500Ｖ、电容为51ｐｆ的片式射频电容；多级雪崩单元中的发射极电阻R17～R29均采用功率为20W、阻值为2kΩ的片式射频电阻；负载电阻RL阻值为50Ω。

雪崩晶体管V1～V14采用超快速高压雪崩三极管K417：器件耐压可达到400V，脉冲雪崩电流80A，导通时间小于200p，金属管壳片式封装。

下面结合图１对本实用新型的工作过程做进一步说明。

图1中信号发生器的Marx电路中的雪崩单元级数为14级，其中第一级雪崩单元N₁至第十三级雪崩单元N₁₃的结构完全相同，图１中的第四级雪崩单元N₄至第十一级雪崩单元N₁₁未绘出。

如图１所示，TTL电平的触发脉冲信号送至信号发生器的触发输入端，通过限流电阻R1送至起始雪崩三极管V1的基极，触发脉冲加入前,各个雪崩三极管截止,但已处于临界雪崩状态。各雪崩电容C1～C14均充有直流偏置电源电压V_CC。

触发脉冲加入后,首先引起起始雪崩三极管V1雪崩击穿,于是起始雪崩电容C1左端电位等于地电位，起始雪崩电容C1右端电位即约等于-V_CC（均指对地电势），雪崩三极管V2的C-E两端有大约2V_CC的瞬间电压，引起雪崩三极管V2雪崩击穿；以此类推，雪崩三极管V3～V14依次雪崩击穿。而且雪崩三极管V2～V14的雪崩也并不一定将按顺序进行。这种现象相当于有一个雪崩加速的效果,而这将非常有利脉冲前沿的锐化,对于级联产生高压窄脉冲具有积极作用。

各级雪崩三极管V1～V14全部雪崩后，由于雪崩电容C1～C14相当于串联，对负载电阻RL放电，从而形成脉冲。

Claims

1.一种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，其特征在于包括如下组成部分：

偏置电压V_CC，用于向信号发生器供电；

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述Marx电路中的雪崩单元级数为5～30级。

3.根据权利要求1或2所述的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，其特征在于：所述限流电阻R1和基极偏置电阻R2均采用功率为0.25W、阻值为100Ω的片式电阻；起始雪崩单元中的起始集电极电阻和多级雪崩单元中的集电极电阻均采用功率为20W、阻值为5.1kΩ的片式射频电阻；起始雪崩单元中的起始雪崩电容和多级雪崩单元中的雪崩电容均采用额定电压为500Ｖ、电容为51ｐｆ的片式射频电容；多级雪崩单元中的发射极电阻均采用功率为20W、阻值为2kΩ的片式射频电阻；负载电阻RL阻值为50Ω。