超寬帶脈沖信號發(fā)生電路的設計及仿真

張穎穎 張盼盼 朱彥龍

（河南理工大學萬方科技學院信息科學與工程系 河南鄭州 451400）

超寬帶脈沖信號發(fā)生電路的設計及仿真

張穎穎 張盼盼 朱彥龍

（河南理工大學萬方科技學院信息科學與工程系 河南鄭州 451400）

為滿足探地雷達系統(tǒng)發(fā)射源的需求，提出一種簡便的超寬帶脈沖信號發(fā)生電路的設計方法。以雙極型射頻晶體管為基礎，利用其雪崩特性，通過并串聯(lián)同步觸發(fā)方式設計制作發(fā)生電路。仿真結(jié)果表明，本方法設計出的電路能夠滿足一定的指標要求。

超寬帶；脈沖發(fā)生電路；晶體管；雪崩特性

1 引言

近些年來，超寬帶（Ultra Wide Band）無線通信技術(shù)引起了通信領域的極大重視，并取得了迅猛發(fā)展。相對于其他通信方式，超寬帶技術(shù)有通信速率高、隱蔽性好、系統(tǒng)容量大、多徑分辨能力強等諸多優(yōu)勢[1]。一般而言，超寬帶技術(shù)分為脈沖UWB技術(shù)及載波調(diào)制UWB技術(shù)。相較于后者，前者的應用更加廣泛。由于脈沖UWB技術(shù)直接發(fā)射和接收極窄脈沖信號進行通信，因此，超寬帶脈沖信號發(fā)生電路是一個很重要的器件[2]。

超寬帶探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）系統(tǒng)基于先進的瞬態(tài)無載波電磁脈沖反射原理，是一種新型的探測工具[3]，因其具有高分辨率、高效率、無損性、結(jié)果簡單易懂等特點[4]，被廣泛地應用于考古發(fā)掘、路基結(jié)構(gòu)探測、地下水污染治理、災害地質(zhì)勘察、礦產(chǎn)資源勘探等工程技術(shù)領域[5]。

在探地雷達系統(tǒng)中，由超寬帶脈沖信號發(fā)生器通過發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下傳播的過程中，遇到一定電性的目標時，發(fā)生一定的反射、折射等現(xiàn)象，根據(jù)接收天線獲取的探地雷達資料，可以輕松實現(xiàn)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的判斷[6]、目標方位的識別[3]。因此，設計出一種行之有效的脈沖信號發(fā)生電路，是探地雷達系統(tǒng)諸多關(guān)鍵技術(shù)中最為重要的一環(huán)。

常見的產(chǎn)生寬度極窄的超寬帶脈沖信號的電路主要有兩種，一種是電子方法，另一種是光電方法。其中，電子方法又分為兩類：

（1）利用組合邏輯門電路的競爭現(xiàn)象產(chǎn)生[7]。

此種方式能產(chǎn)生高斯脈沖的各階微分形式，主要缺點是脈沖幅度較低，功耗較大。

（2）利用晶體管的雪崩特性控制儲能電容的方式產(chǎn)生。

相比于第一種方式，此種方式可以產(chǎn)生脈沖幅度較高的近似高斯脈沖信號，功耗也得到一定的控制。

除此以外，也可以利用隧道二極管、階躍恢復二極管、場效應管等集成電路完成窄脈沖信號的產(chǎn)生[8]，但實現(xiàn)手段復雜，不夠簡便。

2 晶體管的雪崩效應

通常，晶體管的工作特性有四個個區(qū)域：截止區(qū)、飽和區(qū)、放大區(qū)和雪崩區(qū)。當輸入電壓小于基極-發(fā)射極電壓時，晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置狀態(tài)，晶體管工作于截止區(qū)。隨著輸入電壓的增大，發(fā)射結(jié)漸漸地轉(zhuǎn)變?yōu)檎蚱茫娊Y(jié)仍然處于反向偏置狀態(tài)時，晶體管工作于放大區(qū)，放大倍數(shù)由晶體管本身的性質(zhì)確定。此時，輸出回路中的電流隨著輸入回路中電流的增大而增大，呈一定的線型關(guān)系。輸出電流在增大的過程中，最大值受限于電路的外部參數(shù)，因此，輸出回路的電流并不能隨著輸入回路電流的增大而一直增大，隨著臨界條件的到來，晶體管脫離放大區(qū)，而進入飽和區(qū)。

雪崩區(qū)是雪崩晶體管中PN結(jié)所特有的一種現(xiàn)象。當晶體管集電結(jié)反向偏置，且處于強電場的作用下，被電場加熱的少數(shù)載流子擁有較高的能量，這些載流子與共價鍵中的價電子相互碰撞，把價電子撞出共價鍵，形成新的空穴-電子對。新產(chǎn)生的空穴和電子在被電場加速后，再次碰撞產(chǎn)生新的價電子。如此循環(huán)往復，載流子便會產(chǎn)生雪崩式的倍增，致使流過集電結(jié)的電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱之為晶體管的雪崩效應。雪崩晶體管工作在雪崩區(qū)，并擁有較強的雪崩效應。

3 脈沖信號發(fā)生電路的設計及仿真

超寬帶脈沖信號發(fā)生電路如圖1所示，采用多個相同規(guī)格參數(shù)的雪崩晶體管并串聯(lián)的結(jié)構(gòu)方式，通過增大輸出電流，以產(chǎn)生較高幅值的脈沖信號。其中，R為基極偏置電阻，共4個；RC為晶體管的靜態(tài)負載電阻，共 4個；RL為動態(tài)負載電阻，且 RC＞＞RL；C1、C2、C6、C8為雪崩儲能電容，C3、C4、C5、C7為觸發(fā)信號耦合電容；VCC為脈沖信號發(fā)生電路的直流電源；選用型號為NPNBFS17的晶體管作為信號發(fā)生電路的主要器件，其特征頻率為1GHz，集電極-基極雪崩擊穿電壓為25V，集電極-發(fā)射極雪崩擊穿電壓為15V。

圖1 脈沖信號發(fā)生電路原理圖

若要獲取幅度較高的高斯脈沖信號，需將電路兩端的輸入脈沖進行同步。當輸入脈沖未加載到電路中時，晶體管處于截止狀態(tài)，此時，電容C1、C2、C6、C8在電源電壓的作用下進行充電，充電完畢后，電容兩端電壓近似等于電源電壓。當輸入脈沖加載到電路中時，基極產(chǎn)生電流，晶體管發(fā)生雪崩擊穿，工作區(qū)由高阻區(qū)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樨撟鑵^(qū)，儲能電容在晶體管中產(chǎn)生驟然變大的雪崩電流，通過負載電阻RL進行放電，于是，在RL兩端便產(chǎn)生一個幅度極窄，幅度極大的脈沖信號。

3.1 電路器件參數(shù)的選取

3.1.1 雪崩電容 C1、C2、C6、C8

雪崩儲能電容的取值一般較小，選取的測試范圍為0.5～3pF，通過仿真得到相應結(jié)果，如表1所示。

表1 不同雪崩電容的輸出特性

由表1可知，隨著雪崩電容值的增加，電路輸出脈沖的幅值也就越大，當增大至2pF之后，脈沖幅值增大較小，脈沖的寬度相對較明顯。因此，雪崩電容選取1.4pF，較為合適。

3.1.2 靜態(tài)負載電阻RC

靜態(tài)電阻的取值一般為幾千歐，選取的測試范圍為1～5kΩ，通過仿真得到相應的結(jié)果，如表2所示。

表2 不同靜態(tài)負載的輸出特性

由表2可知，隨著靜態(tài)電阻的漸漸增大，電路輸出脈沖的幅值漸漸變小，脈沖半寬影響較小。因此，負載電阻選取1kΩ，較為合適。

3.1.3 基極偏置電阻R及耦合電容C

基極偏置電阻及耦合電容一般要滿足以下關(guān)系式：

從而保證輸入脈沖輸入時，電路能夠充電完畢。

綜上所述，脈沖信號發(fā)生電路中各電子元器件的參數(shù)取值如下：C1、C2、C6、C8為 1.4pF，C3、C4、C5、C7為 51pF，R 為 200Ω，RC為 1kΩ，RL為50Ω。

3.2 電路的仿真結(jié)果

采用ADS2009對圖1所示電路進行仿真，仿真過程中，直流電源電壓選為25V，電路激勵為方波信號，周期為100ns，占空比為50%，幅值為5V的方波信號，得到的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 脈沖信號發(fā)生電路ADS仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果圖可知，得到的脈沖信號近似為高斯脈沖信號，幅度值約為10.5V，脈沖半寬近似為400ps，上升沿約500ps，下降沿約1800ps。

4 結(jié)論

針對探地雷達系統(tǒng)對脈沖源的實際需求，利用晶體管的雪崩特性，采用多個晶體管并串聯(lián)結(jié)構(gòu)，設計出一種超寬帶脈沖信號發(fā)生電路的方法。通過對脈沖信號發(fā)生電路的原理分析及相關(guān)參數(shù)的取值討論，仿真得到幅度約為10.5V，脈沖半寬近似為400ps，上升沿約500ps，下降沿約1800ps的高斯脈沖信號。

在后續(xù)的研究中，將對仿真電路進行PCB制板，進一步研究實際電路中的具體效果。另外，對于脈沖幅度提升的研究，不同的設計方法層出不窮，如何找尋一種實際的手段，來滿足日新月異的探地雷達系統(tǒng)對脈沖源的需求，仍然是研究的熱點之一。

[1]Rolf K，Marcos D K.Short-range wireless communications[M].West Sussex：John Wiley&SonsLtd，2009：97～112.

[2]崔意奇.UWB 脈沖發(fā)生器設計[D].長沙：湘潭大學，2010.

[3]朱彥龍.極化探地雷達時域瞬態(tài)響應分析及其應用研究[D].桂林：桂林電子科技大學，2015.

[4]楊 峰，彭蘇萍.地質(zhì)雷達探測原理與方法研究[M].北京：科學出版社，2010：1～2.

[5]曾媛媛.探地雷達淺層小目標回波信號處理方法研究[D].成都：電子科技大學，2008.

[6]朱彥龍，歐陽繕，周麗軍.探地雷達瞬態(tài)晚時響應開始時刻的估計方法[J].信號處理，2016，32（1）：98～104.

[7]張濤，李熹，郭德淳.一種基于數(shù)字電路的納秒級脈沖產(chǎn)生方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006（10）：119～120.

[8]Fontana R，Ametia A，Richley E，Beard L，Guy D.Recent advances in ultra wide band communications systems[M].In：Proc.IEEE UWBST2002.

TN78

A

1004-7344（2016）14-0278-02

2016-5-2

張穎穎（1988-），女，漢族，河南鄭州人，碩士研究生，河南理工大學萬方科技學院助教，研究方向為數(shù)字信號處理、圖像處理。

張盼盼（1986-），女，漢族，河南武陟人，碩士研究生，河南理工大學萬方科技學院助教，研究方向為數(shù)字圖像處理。

朱彥龍（1987-），男，漢族，河南蘭考人，碩士研究生，河南理工大學萬方科技學院助教，研究方向為數(shù)字信號處理技術(shù)。