超寬帶多高斯脈沖信號(hào)源的設(shè)計(jì)

趙 政，劉久文，陳春雨

（北京航空航天大學(xué)，北京100083）

隨著電子系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段的電子系統(tǒng)在有限的平臺(tái)上集成了大量的電子設(shè)備，測(cè)試環(huán)境遠(yuǎn)不如實(shí)際工作電磁環(huán)境復(fù)雜，從而導(dǎo)致設(shè)備在實(shí)際使用過程中，產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的電磁兼容性問題，所以有效的電磁兼容性測(cè)試手段對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)安全有著至關(guān)重要的作用。使用多高斯脈沖作為寬帶時(shí)域測(cè)試信號(hào)，利用多高斯脈沖頻譜寬、頻譜分布范圍跟隨脈沖間距改變的特點(diǎn)，依次將測(cè)試信號(hào)注入被試品激發(fā)被試品的敏感響應(yīng)，通過使用不同的多高斯脈沖測(cè)試被試品，并結(jié)合被試品響應(yīng)可精確測(cè)量敏感頻點(diǎn)分布范圍。該方法能夠覆蓋全部敏感信息點(diǎn)，最大限度模擬真實(shí)電磁環(huán)境。雪崩晶體管被認(rèn)為是理想的產(chǎn)生納秒脈沖的高速開關(guān)器件。

1 Marx電路工作原理

圖1是Marx電路的示意圖。在觸發(fā)信號(hào)到來之前，所有的雪崩晶體管都被切斷，即電源電壓Ucc為存儲(chǔ)電容充電。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)，第一個(gè)晶體管雪崩，電容器C1電壓和電源電壓疊加并施加到晶體管A1的集電極，等同于向的集電極施加2倍的雪崩電壓并立即擊穿。然后，電容器C2電壓和Ucc電壓疊加并施加到晶體管A2的集電極，直到最終晶體管被擊穿。實(shí)際上，由于雪崩晶體管的器件導(dǎo)通電阻和寄生電容等的封裝電感，輸出電壓將低于理論值。

圖1 Marx電路工作原理

2 多高斯脈沖源的設(shè)計(jì)

本文采用Marx電路＋雪崩晶體管產(chǎn)生高壓?jiǎn)蚊}沖，研制短路或開路的延遲傳輸線矩陣反射單脈沖，從而得到多種脈沖，進(jìn)而通過功率合成器組合輸出高壓多高斯脈沖，通過CPLD調(diào)整觸發(fā)延遲線，實(shí)現(xiàn)脈沖間距可調(diào)。多高斯脈沖信號(hào)源基本框圖如圖2所示。

圖2 多高斯脈沖源結(jié)構(gòu)框圖

2.1 觸發(fā)信號(hào)源的設(shè)計(jì)

觸發(fā)信號(hào)的上升沿對(duì)輸出脈沖的穩(wěn)定性有很大影響，觸發(fā)信號(hào)的設(shè)計(jì)需要配合電容的充放電時(shí)間進(jìn)行頻率的設(shè)置，本文采用CPLD進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，結(jié)合電容的充電時(shí)間以及電路雪崩的時(shí)間，保證在TTL電平未三極管導(dǎo)通的時(shí)間足夠給電容充電，設(shè)計(jì)了一個(gè)優(yōu)化的觸發(fā)電路，輸出脈沖波形上升沿為1 ns，電壓幅值為5.0V。

2.2 電路級(jí)數(shù)的選擇

理論上Marx電路級(jí)數(shù)越多，輸出的脈沖幅值越高，對(duì)不同級(jí)數(shù)的Marx電路進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)輸出脈沖的幅值隨級(jí)數(shù)n的增加而升高。在n＜20時(shí)，脈沖幅值隨電路級(jí)數(shù)線性增加，繼續(xù)增加級(jí)數(shù)輸出脈沖幅值趨于飽和，可以發(fā)現(xiàn)在電路級(jí)數(shù)增加到某一值時(shí)，電壓疊加的效率也發(fā)生明顯的降低。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了不同級(jí)數(shù)的Marx電路，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終確定了30級(jí)Marx電路產(chǎn)生所需的高斯脈沖信號(hào)。

2.3 合路器的設(shè)計(jì)

微帶Wilkinson功分器是三端口電路結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是在簡(jiǎn)單功分器的基礎(chǔ)上引入隔離電阻以保證三端口網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到完全匹配并且兩個(gè)輸出端口間有較高隔離度。為了拓寬Wilkinson功分器的工作頻帶以滿足微波器件日益寬頻化的趨勢(shì)，需要進(jìn)行多節(jié)阻抗變換。

綜合考慮傳輸損耗和系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)了在195 MHz～1 260 MHz頻段內(nèi)各端口反射系數(shù)和隔離度均大于15 dB，傳輸損耗小于3.5 dB的 Wilkinson結(jié)構(gòu)功率合成器。在多枝節(jié)結(jié)構(gòu)電路驗(yàn)證過程中，采用奇模偶模分析方法得到微帶線設(shè)計(jì)參數(shù)，通過ADS軟件驗(yàn)證參數(shù)并合理優(yōu)化，最終利用HFSS軟件精確仿真確定最優(yōu)參數(shù)，加工制作得到四節(jié)微帶線功率合成器。功率合成器在195 MHz～1 260 MHz頻段內(nèi)具有良好的性能指標(biāo)。

3 脈沖源實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)Marx電路原理設(shè)計(jì)制作PCB板，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊，波形一致性和對(duì)稱性良好的高斯脈沖信號(hào)源。為了提高穩(wěn)定性并防止當(dāng)輸出端口不匹配時(shí)反射信號(hào)損壞發(fā)生器，脈沖發(fā)生器的輸出匹配為50Ω，輸出波形經(jīng)過40 dB衰減器采用帶寬1.5 GHz、采樣率5 GS／s的Agilent數(shù)字示波器測(cè)量。波形穩(wěn)定度與一致性通過記錄一段時(shí)間內(nèi)不同時(shí)刻的波形幅度和脈寬來測(cè)量。經(jīng)過測(cè)試，脈沖源輸出正、負(fù)脈沖具有1 000 V的峰峰值電壓，0.5 ns的上升沿寬度、0.3 ns的下降沿寬度和0.8 ns的寬度，具有良好的對(duì)稱性和穩(wěn)定性。將正、負(fù)脈沖子源通過功率合成器合成經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到了脈沖寬度約0.8 ns，幅度800 V，最小步長(zhǎng)調(diào)節(jié)間距為0.25 ns的正負(fù)高斯脈沖組合，具體波形如圖3。

圖3 不同狀態(tài)的多高斯脈沖信號(hào)

4 結(jié) 論

本文分析了多高斯脈沖信號(hào)在電磁兼容測(cè)試中的作用，并給出了脈沖信號(hào)的具體參數(shù)，通過對(duì)雪崩效應(yīng)的研究分析以及對(duì)Marx電路的實(shí)驗(yàn)總結(jié)，給出了Marx電路的器件及PCB設(shè)計(jì)建議，利用30級(jí)緊湊型Marx電路制作了高斯脈沖信號(hào)源，可產(chǎn)生峰峰值1 000 V，脈沖前沿0.5 ns，全底脈寬0.8 ns，穩(wěn)定性良好的高斯脈沖信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作了在195 MHz～1 260 MHz頻段內(nèi)性能良好的四節(jié)微帶線功率合成器，通過對(duì)正負(fù)高斯脈沖信號(hào)進(jìn)行功率合成得到了超寬帶多高斯脈沖信號(hào)。