摘 要： 針對超寬帶" title="超寬帶">超寬帶通信技術迅速發展的需要，詳細分析了利用雙極性晶體管" title="雙極性晶體管">雙極性晶體管的雪崩特性產生超寬帶極窄脈沖信號" title="脈沖信號">脈沖信號的原理并介紹了技術現狀。本方案在微波雙極性晶體管串行級聯的基礎上，采用了并行同步觸發的工作方式，極大地減少了時延與上升時間" title="上升時間">上升時間，產生了皮秒級的極窄脈沖。電路具有結構簡單、成本低、性能好及應用價值高等優點。
關鍵詞： 超寬帶 雪崩倍增 脈沖發生器" title="脈沖發生器">脈沖發生器 同步觸發
超寬帶UWB(Ultra Wideban)技術是一種全新的、與傳統通信技術有著極大差異的通信新技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒級或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術解決了困擾傳統無線技術多年的有關傳播方面的重大難題，開發了一個具有千兆赫茲容量和最高空間容量的新無線信道；它還具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、被截獲與檢測的概率低、系統的復雜程度低、定位精度高等優點。超寬帶技術因其具有優越的特性，越來越受到人們的普遍重視和研究。該技術尤其適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入和軍事通信應用中。
美國聯邦通信委員會FCC(Federal Communications Commission)在2002年2月14日批準了民用的超寬帶無線技術 。實現超寬帶技術的首要任務是產生UWB脈沖信號。按照FCC 規定，超寬帶(UWB)脈沖信號的部分帶寬
大于20％，其中fH、fL分別為-10dB輻射點所對應的上、下頻率點或者是指其總的頻譜帶寬至少達到500MHz[1]。從本質上看，UWB是發射和接收超短電磁脈沖的技術，可以使用不同的方式來產生和接收這些信息,這些脈沖可以單獨發射或成組發射，并且可以根據脈沖的幅度、相位和位置或它們之間的有效組合來對信息進行編碼，實現多址通信。
1 UWB極窄脈沖的產生原理
與傳統的無線發射機結構相比，UWB發射機的結構相對比較簡單，如圖1所示。從中可以發現，UWB發射機部分可以不包含功率放大器，替代它的是一個脈沖發生器，它根據要求產生時間寬度極短的窄脈沖直接激勵超寬帶天線進行輻射。可編程時延實現了偽隨機碼的時域編碼和時域調制。驅動器主要用來提供一定的驅動能力，同時對前、后級電路進行有效的隔離。脈沖發生器在超寬帶無線通信系統中占據著極其重要的地位，是UWB系統中獨特的關鍵部件之一。UWB通信系統的超寬帶特性直接與脈沖發生器產生的脈沖形狀相關，顯然，脈沖的持續時間越短，脈沖所占據的帶寬就越寬。能否成功地設計UWB系統的脈沖發生器，關系到整個系統的實現。
窄脈沖產生電路的性能與所使用的高速器件有關。可以產生納秒、皮秒級窄脈沖的高速器件有隧道二極管、階躍恢復二極管、雪崩晶體管等器件。其中隧道二極管和階躍恢復二極管所產生的脈沖，上升時間可達幾十到幾百皮秒，但其幅度較小，一般為幾百毫伏的量級。而雪崩晶體管產生的脈沖，上升時間可以達1～2ns，輸出脈沖幅度可達幾十伏，但需要較高的電源電壓。本文利用微波雙極性晶體管雪崩特性，在雪崩導通瞬間，電流呈“雪崩”式迅速增長，從而獲得具有陡峭前沿的波形，成形后得到極短脈沖。在電路設計中，采用多個晶體管串行級聯，使用并行同步觸發的方式，加快了雪崩過程，從而達到進一步降低脈沖寬度的目的。經驗證，成功地獲得了脈寬為910ps，幅度為8V的極窄脈沖。
一般的晶體三極管的輸出特性分為四個區域：飽和、線性、截止與雪崩區。當晶體管的集電極電壓很高時,集電結的載流子被強電場加速,從而獲得很大能量,它們與晶格碰撞時產生了新的電子-空穴對,新生的電子、空穴又分別被強電場加速而重復上述過程。于是流過集電結的電流便“雪崩”式迅速增長,這就是晶體管的雪崩倍增效應。
晶體管發生雪崩倍增效應之后，晶體管的共基極電流增益用α*表示如下：
式中，M為雪崩倍增因子，α是晶體管的共基極電流增益。其物理意義是：若有一個載流子進入集電結空間電荷區，則就有M個載流子流出空間電荷區。倍增因子M通常可用如下公式表示[2]：
式中BVCBO是晶體管發射極開路時，集電極－基極雪崩擊穿電壓；VC是集電極電壓；n是與晶體管有關的密勒指數[2]，通常硅材料為3～4。
圖2給出了NPN型硅雙極性晶體管的輸出特性。當基極電流為負值(IB<0)時，發射結處于反向偏置，集電極電流IC隨集電極電壓VCE和-IB急劇變化的區域是雪崩區。雪崩區運用時，晶體管集電極－發射極之間呈負阻特性。
2 脈沖發生器的電路與分析
利用雙極性晶體管工作在雪崩區的雪崩式開關特性[3]，結合MARX電路[4]的基本工作原理，設計了圖3所示的UWB脈沖發生器。該脈沖發生器在文獻[5]的基礎上作了進一步的改進。首先采用了微波雙極性晶體管取代了雪崩晶體管，使得電路在較低的電源電壓下能夠正常工作，滿足實際的使用需要；其次采用了并行同步觸發方式，即對多個晶體管的基極同時加入觸發脈沖信號，克服了文獻[5]電路中存在的雪崩延時。當晶體管串行級聯運用時，由于各個晶體管偏置臨界雪崩狀態，如果采用單管進行觸發時，先產生雪崩擊穿的是基極受到觸發信號的晶體管，接著才是后面級聯的晶體管產生雪崩擊穿效應。對于產生皮秒量級的脈沖而言，電路中任何一個部分存在的時間延遲都會影響產生的輸出脈沖，使得輸出脈沖的上升時間變長和脈沖變寬。為了消除電路中存在的雪崩依次延時，對電路中多個晶體管的基極加入了同步觸發脈沖信號，使晶體管同時產生雪崩擊穿，加快了負載上獲得的脈沖的上升過程，獲得了非常陡直的UWB脈沖。該脈沖發生器可以在較低的電源電壓下可靠工作，穩定地輸出一定幅度和寬度的UWB脈沖,脈沖的重復工作頻率可以達到50MHz以上，在超寬帶技術中具有相當大的應用價值。
在沒有加入觸發脈沖信號時，電源電壓VCC通過電阻R1與R11、R2與R5、R3與R6、R4與R7分別對電容C1、C2、C3、C4進行充電，使得4個微波雙極性晶體管Q1、Q2、Q3、Q4的集電結偏置在臨界雪崩狀態，于是儲能電容C1、C2、C3、C4的兩端所充的電壓約等于集電結雪崩擊穿電壓BVCBO。當觸發的脈沖信號Vi輸入時，微波雙極性晶體管同時雪崩擊穿，儲能電容C1、C2、C3、C4所儲存的電荷迅速地通過Q1、Q2、Q3、Q4和等效負載電阻R12放電，于是在負載電阻上得到需要的UWB脈沖信號。圖4是在負載電阻R12仿真計算得到的UWB脈沖信號。
3 UWB脈沖發生器參數設計
圖3所示的UWB脈沖發生器在晶體管雪崩狀態下可以用圖5所示的電路進行簡化等效[4]。發生器中的串接電容在晶體管雪崩擊穿狀態下，可以等效一個電容，其值為C/N，同時所下降的電壓為N△V。其中C為單個儲能電容的值，△V為單個電容兩端壓降，N為串接電容的數目；NRon等效為所有串接晶體管雪崩狀態下的導通電阻，其中Ron為單個雙極性晶體管雪崩狀態下的導通電阻。根據RC電路的充放電特性可以得到負載電阻R12上獲得的脈沖幅度峰值Vop和脈沖下降時間分別為：
脈沖發生器的儲能電容值為5pF, 電阻R11與負載電阻R12為51Ω，晶體管在雪崩擊穿狀態下的導通電阻Ron 一般為30～50Ω。使用的微波雙極性晶體管的主要參數如下：特征頻率fT=24GHz，集電極－基極雪崩擊穿電壓BVCBO=15V,集電極－發射極雪崩擊穿電壓BVCEO=4.5V，集電極最大電流Ic=100mA。
晶體管在開關狀態下，脈沖的上升時間可近似表示為[6]：
式中：
指上升時間內特征頻率的平均值；Cc指Vcc電壓下集電結電容值；Icm指集電極電流的最大值；Rc為集電極負載電阻。從公式(5)可看出基極觸發電流Ib對輸出脈沖的上升時間存在著影響。當基極觸發電流Ib增大時，脈沖的上升時間tr會減小。為了加大基極觸發電流，在實際工作的脈沖發生器中設計了驅動電路。由于晶體管串行級聯結構的使用相當于各級輸出脈沖波形進行乘積，使脈沖的上升過程加快，上升時間tr得到了進一步的減小。同時，由于對多個晶體管的基極的并行同步觸發，消除了各晶體管依靠傳輸依次延遲的雪崩時間，使得脈沖的上升時間tr更短。UWB脈沖的上升沿主要取決于管子的雪崩導通開關的速度，而下降沿主要由放電回路的放電速度決定，這兩個因素決定著最終產生的UWB脈沖信號的形狀和寬度。通過仿真計算獲得的脈沖如圖4所示，脈沖寬度TP約為610ps，上升時間tr約為490ps, 下降時間tf約為750ps，幅度約為8.25V。
4 實驗與測試結果
實驗測試過程中,利用Aglient 81110脈沖發生器作為觸發脈沖源，輸出信號使用54830B數字存儲示波器進行觀測。圖6是在負載電阻R12上測試得到的波形，從圖中可以看出脈沖的寬度為908.1ps,上升時間為519ps,下降時間為940.9ps，脈沖的幅度為8V。測試中的數據與前面仿真計算的結果非常相似，但還存在著一些差異，主要由于仿真電路中的器件模型參數和器件在工作中實際參數存在著差異，以及分析過程對電路進行適當的近似。可以看出圖3所示的電路結構具有極大的實用性；同時，在實驗中測試，該電路可以穩定地產生重復頻率達到50MHz的UWB脈沖。當在功率與脈沖的重復頻率兩者之間進行折衷選擇時，可以通過改變電路中相應的元件與參數，獲得滿足不同需求的UWB脈沖信號。
本文利用微波雙極性晶體管以雪崩型開關串行級聯并行同步觸發的方式工作，成功地產生了寬度達到皮秒量級的UWB脈沖。隨著人們對UWB技術的深入研究，能夠可靠并且簡便產生UWB脈沖信號的電路結構，越來越具有實用價值。本文設計與制作的電路具有結構簡單、制作成本低、性能好的特點，在UWB技術中具有較好的應用前景。
參考文獻
1 FCC.Revision of Part 15 of the Commission′s Rules Regard-ing Ultra-Wideband Transmission Systems. First Report and Order, 2002;(2):ET Docket 98～153
2 楊蔭彪,穆云書.特種半導體器件及其應用.北京:電子工業出版社，1991:55～60
3 (美)約翰M.道伊爾.脈沖技術基礎.北京：人民郵電出版社，1981:62～66
4 John mankowski, Magne Kristiansen. A Review of Short Pulse Generator Technology. IEEE Transactions on Plasma Science,2000;28(1)
5 劉詠華，鄭繼禹，仇紅冰. 一種超寬帶脈沖發生器的設計.電子技術應用，2003;28(7)
6 張屏英,周佑謨. 晶體管原理.上海:上海科學技出版社， 1985:297～302