摘? 要: 在分析現有超寬帶" title="超寬帶">超寬帶無線電的載體—窄脈沖產生方法優缺點的基礎上,提出產生超寬帶納秒" title="納秒">納秒級脈沖的邏輯框圖,并由此設計相應的電路原理圖、PCB版圖,經實物調試測出輸出波形,最后指出該電路的應用領域。

　　關鍵詞: 超寬帶? 超寬帶無線電? 納秒級脈沖

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　　將超寬帶雷達應用于通信是近年來業界的研究熱點。在傳統的通信技術中,通常把信號從基帶調制到正弦或余弦載波上,而超寬帶UWB(Ultra Wide Band)通信則是通過對持續時間" title="持續時間">持續時間為納秒或亞納秒級窄脈沖進行調制,這樣UWB信號將具有GHz量級的帶寬^[1～2]。超寬帶技術相對于連續波通信系統" title="通信系統">通信系統具有獨到之處,應用領域廣泛,如雷達、通信、探測等。UWB的特點:發射信號功率譜密度較低,強抗截獲能力;系統復雜度低;數厘米的定位精度等優點。但是這些性能的獲得都需要依賴于現有技術和工藝的可行性,特別是集成電路的工藝。UWB應用中必不可少的關鍵之一是如何產生可以控制的UWB窄脈沖,靈活方便是UWB通信所渴望的;產生足夠窄的脈沖和適于信道傳輸的脈沖形狀也是UWB通信中的熱門研究點和關鍵所在。為此,本文探討了一種納秒級脈沖發生電路的原理和設計,完成了實物制作,給出測得的實際結果。

1 現有的方法和缺陷

　　事實上人們對超寬帶雷達的研究是非常早的,從上個世紀六七十年代即已開始,所以目前很熱的UWB并不是什么創新。有許多專利文獻和文章都專門闡述如何產生滿足各種要求的窄脈沖,美國等在這方面的專利有很多。在研究初期,由于器件和工藝的缺乏,主要利用微波器件(如傳輸線)等效成開關,從而得到短持續時間的信號,再經過脈沖成形網絡整形成滿足要求的波形和電壓足夠高的脈沖。這些方法造價很高,且器件龐大,更不適于現代應用^[3];后來前蘇聯人發現二極管上速度極快的良性雪崩效應能夠使矩形脈沖的上升沿急劇陡峭,從而使得窄脈沖的成形都傾向于利用PN結的雪崩效應。在早期利用雪崩效應的方案中,由于器件的限制,通常需要在二極管或三極管上加2kV~3kV的反偏高壓,同時產生的窄脈沖電壓也非常高,但其高偏壓的提供本身就很困難^[4];此后,隨著器件的發展,產生雪崩效應的電壓都下降100V～130V左右^[5],從而使得制造成本和電路本身都大為簡單,但此時已不太適于雷達方面的應用了。因為脈沖較寬且幅度小,作為通信系統仍然太大;脈沖過寬,且輻射還需滿足FCC等要求。

　　針對前人所作的工作和現有的器件,改進并設計了超寬帶納秒級脈沖成形電路,然后完成了具體電路的研制和測試。

2 設計概要和結果

2.1 基本工作原理

　　電路的邏輯結構如圖1所示,運用開關三極管的短暫良性雪崩效應,讓存儲在三極管集電極" title="集電極">集電極端的電容快速放電而產生納秒級脈沖。電源模塊提供足以使三極管產生雪崩的高達90V的電壓,這時即便斷掉輸入信號,也可以產生自激式納秒級脈沖;調節電源模塊的輸出電壓使之剛好在開關三極管的臨界雪崩電壓處,這時加上PPM信號促使三極管產生雪崩效應,得到窄脈沖,從而使輸出窄脈沖承載了信息。脈沖整形電路對輸入的PPM信號進行延遲和微分,以使之觸發雪崩效應。此外調節脈沖生成電路可以得到不同形狀的窄脈沖,滿足對信息不同調制方式的需求。

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2.2 電路設計

　　依據上述整體構思,選擇恰當元件并運用相應的仿真后,設計了原理電路圖,如圖2所示^[6]。圖2中,開關三極管Q1的選擇是整個電路的關鍵,它的參數和性能決定了輸出脈沖的極限性能。在這里選用Motorola金屬管殼封裝的2N2369A,它的開關時間和轉換時間在同類產品中是一流的,大多數類似的應用都采用這種管子。以模塊為核心的電路構成了開關電源,產生使三極管雪崩的電壓,這一部分也可以采用別的電路替代。開關三極管集電極端2PF的小電容起存儲電荷的作用,它的大小對脈沖幅度和持續時間都有決定性影響,同時脈沖幅度和持續時間也是一對矛盾的量,需要折中考慮。電路的設計需要考慮分布參數和接口匹配:分布參數,尤其是三極管集電極端到開關電源的分布參數,在電路設計不當時,其分布電容可高達十幾皮法;接口匹配應使輸入信號和輸出脈沖能夠有盡可能小的損耗和失真,以便于測試和輻射。

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2.3 實測結果

　　對電源部分的調試結果如表1所示。選擇第二組輸出電壓加到三極管集電極,并調節可變電阻使三極管處于臨界雪崩狀態,此時加入TTL電平的激勵信號,測得輸出窄脈沖波形。其中所用示波器為HP的54503A,帶寬500MHz,測試結果稍有失真。

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　　三極管集電極電容在雪崩狀態下通過三極管發射極的電感放電時,得到如圖3和4所示的近似高斯脈沖一階微分型波形,其重復頻率為60kHz,最高可達200kHz;當把電感換成電阻時,可得到單極性近似高斯脈沖型的波形,脈寬可小至1.5ns。由圖3和圖4測得脈沖持續時間為5ns,峰峰值10V,測試所得波形非常穩定;改變放大電容、電感或電阻的大小可以得到不同幅度和持續時間的納秒級脈沖。

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　　整塊電路的結構緊湊,布線講究,整體電路比一元硬幣稍大,封裝后可作為一個獨立的小型模塊使用;另外電路是輸入方波上升沿觸發的,因此很適合應用到跳時脈沖位置調制的超寬帶通信系統中。但為滿足現代通信的需求,特別考慮集成時,系統在很多方面都需要大大改善和提高。

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參考文獻

1 Moe Z.Win and Robert A.Scholtz. Ultra-Wide Bandwidth?Time-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radio for Wireless?Multiple-Access Communications， IEEE Transactions on?Communications， 2000；48 April (4)

2 M. Z. Win and R. A. Scholtz. Impulse Radio: How It?Works. IEEE Communications Letters， 1998；2，Feb(2)

3 Gerald F.Ross， Joseph D.De Lorenzo. Generator?for Short-duration? high-frequency Pulse Signals.United States?Patent， Patent Number： 3，612，899， Date of Patent： Aug.12， 1971

4 Thomas E.McEwan.Ultra-short? Pulse? Generator.United?States? Patent， Patent Number：5，274，271， Date of Patent：?Dec.28， 1993

5 Harry C. Morgan，William H.Boyd. Transmission of electronic?information by pulse position modulation utilizing low aver?age power.United States Patent，Patent Number：5，586，145，Date of Patent： Dec.17， 1996

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