超宽带无线电中纳秒级脉冲产生研究

    作者：欧阳永艳 樊祥宁 张德琨

    摘要：在分析现超宽带无线电的载体—窄脉冲产生方法优缺点的基础上，提出产生超宽带纳秒级脉冲的逻辑框图，并由此设计相应的电路原理图、PCB版图，经实物调试测出输出波形，最后指出该电路的应用领域。

    要害词：超宽带超宽带无线电纳秒级脉冲

    将超宽带雷达应用于通信是近年来业界的研究热点。在传统的通信技术中，通常把信号从基带调制到正弦或余弦载波上，而超宽带UWB（UltraWideBand）通信则是通过对持续时间为纳秒或亚纳秒级窄脉冲进行调制，这样UWB信号将具GHz量级的带级。超宽带技术相对于连续波通信系统具有独到之处，应用领域广泛，如雷达、通信、探测等。UWB的特点：发射信号功率谱密度较低，强抗截获能力；系统复杂度低；数厘米的定位精度等优点。但是这些性能的获得都需要依靠于现有技术和工艺的可行性，非凡是集成电路的工艺。UWB应用中必不可少的要害之一是如何产生可以控制的UWB窄脉冲，灵活方便是UWB通信所渴望的；产生足够窄的脉冲和适于信道传输的脉冲外形也是UWB通信中的热门研究点和要害所在。为此，本文探讨了一种纳秒级脉冲发生电路的原理和设计，完成了实物制作，给出测得的实际结果。

    1  现有的方法和缺陷

    事实上人们对超宽带雷达的研究是非常早的，从上个世纪六七址年代即已开始，所以目前很热的UWB并不是什么创新。有许多专利文献和文章都专门阐述如何产生满足各种要求的窄脉冲，美国等在这方面的专利有很多。在研究初期，由于器件和工艺的缺乏，主要利用微滤器件（如传输线）等效成开关，从而得到短持续时间的信号，再经过脉冲成形网络整形成满足要求的波形和电压足够高的脉冲。这些方法造价很高，且器件庞大，更不适于现代应用；后来前苏联人发现二极管上速度极快的良性雪崩应能够使矩形脉冲的上升沿急剧陡峭，从而使得窄脉冲的成形都倾向于利用PN结的雪崩效应。在早期利用雪山崩效应的方案中，由于器件的限制，通常需要在二极管或三极管上加2kV～3kV的反偏高压，同时产生的窄脉冲电压也非常高，但其高偏压的提供本身就很困难；此后，随着器件的发展，产生雪崩效应的电压都下降100V～130V左右，从而使得制造成本和电路本身都大为简单，但此时已不太适于雷达方面的应用了。因为脉冲较宽且幅度小，作为通信系统仍然太大；脉冲过宽，且辐射还需满足FCC等要求。

    针对前人所作的工作和现有的器件，改进并设计了超宽带纳秒级脉冲成形电路，然后完成了具体电路的研制和测试。

    图2  电路原理图

    2  设计概要和结果

    2.1基本工作原理

    电路的逻辑结构如图1所示，运用开关三极管的短暂良性雪崩效应，让存储在三极管集电极端的电容快速放电而产生纳秒级脉冲。电源模块提供足以使三极管产生雪崩的高达90V的电压，这时即便断掉输入信号，也可以产生自激式纳秒级脉冲；调节电源模块的输出电压使之刚好在开关三极管的临界雪崩电压处，这时加上PPM信号促使三极管产生雪崩效应，得到窄脉冲，从而使输出窄脉冲承载了信息。脉冲整形电路对输入的PPM信号进行延迟和微分，以使之触发雪崩效应。此外调节脉冲生成电路可以得到不同外形的窄脉冲，满足对信息不同调制方式的需求。

    2.2电路设计

    依据上述整体构思，选择恰当元件并运用相应的仿真后，设计了原理电路图，如图2所示。图2中，开关三极管Q1的选择是整个电路要害，它的参数和性能决定了输出脉冲的极限性能。在这里选用Motorola金属管壳封装的2N2369A，它的开关时间和转换时间在同类产品中是一流的，大多数类似的应用都采用这种管子。以模块为核心的电路构成了开关电源，产生使三极管雪崩的电压，这一部分也可以采用别的电路替代。开关三极管集电极端2PF的小电容起存储电荷的作用，它的大小对脉冲幅度和持续时间都有决定性影响，同时脉冲幅度和持续时间都有决定性影响，同时脉冲幅度和持续时间也是一对矛盾的量，需要折中考虑。电路的设计需要考虑分布参数和接口匹配：分布参数，尤其是三极管集电极端到开关电源的分布参数，在电路设计不当时，其分布电容可高达十几波法；接口匹配应用输入信号和输出脉冲能够有尽可能小的损耗和失真，以便于测试和辐射。

    2.3实测结果

    对电源部分的调试结果如表1所示。选择第二组输出电压加到三极管集电极，并调节可变电阻使三极管处于临界雪崩状态，此时加入TTL电平的激励信号，测得输出窄脉冲波形。其中所用示波器为HP的54503A，带宽500MHz，测试结果稍有失真。

    表1  调试结果

    三极管集电极电容在雪崩状态下通过三极管发射极的电感放电时，得到如图3所和4所示的近似高斯脉冲一阶微分形波形，其重复频率为60kHz，最高可达200kHz；当把电感换成电阻时，可得到单极性近似高斯脉冲型的波形，脉宽可小至1.5ns。由图3和图4测得脉冲持续时间为5ns，峰峰值10V，测试所得波形非常稳定；改变放大电容、电感或电阻的大小可以得到不同幅度和持续时间的纳秒级脉冲。

    整块电路的结构紧凑，布线讲究，整体电路比一元硬币稍大，封装后可作为一个独立的小型模块使用；另外电路是输入方波上升沿触发的，因此很适合应用到跳时脉冲位置调制的超宽通信系统中。但为满足现代通信的需求，非凡考虑集成时，系统在很多方面都需要大大改善和提高。