一種用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器，包括觸發(fā)電路、觸發(fā)源優(yōu)化電路、二級雪崩晶體管和脈沖成形電路；觸發(fā)電路的輸出端連接觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸入端；觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸出端連接二級雪崩晶體管的發(fā)射極；直流電源連接二級雪崩晶體管的集電極，二級雪崩晶體管的基極接地；脈沖成形電路的輸入端連接二級雪崩晶體管的集電極，輸出端連接負(fù)載。本實(shí)用新型所述的脈沖發(fā)生器，所發(fā)生的脈沖，幅度較大、振鈴較小、波形對稱，適用于UWB雷達(dá)探測系統(tǒng)。本實(shí)用新型電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，適于廣泛推廣應(yīng)用。
【專利說明】
一種用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型UWB雷達(dá)探測領(lǐng)域，具體涉及一種基于雪崩效應(yīng)的用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002]UffB(Ultra Wideband，脈沖無線電)技術(shù)不需要載波，通過直接發(fā)送、傳輸和接收納秒級、亞納秒級極窄脈沖進(jìn)行信息傳送或者目標(biāo)探測等。鑒于UWB脈沖寬度極窄、時(shí)間分辨率較高的優(yōu)勢，UWB技術(shù)在雷達(dá)探測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。收發(fā)機(jī)是UWB系統(tǒng)最基本的組成部分，其中，高速極窄脈沖的產(chǎn)生是UWB技術(shù)的前提條件。在雷達(dá)探測系統(tǒng)中，要求發(fā)送的脈沖具有足夠的峰值功率，以便實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸，同時(shí)要求發(fā)送脈沖具有合適的波形、良好的前后沿、高重復(fù)頻率，且產(chǎn)生電路體積小、結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
[0003]目前，產(chǎn)生UWB脈沖信號的方法有很多種，電路的核心大多是一些高速開關(guān)器件，其產(chǎn)生的脈沖的性能必然與電路中所使用的高速器件有關(guān)。通常能產(chǎn)生納秒、皮秒級脈沖的高速開關(guān)器件有:隧道二極管、雪崩晶體管、階躍恢復(fù)二極管等。其中，利用雪崩晶體管的雪崩效應(yīng)可以產(chǎn)生幅度為幾伏、脈沖寬度為幾十皮秒的高速UWB脈沖，脈沖幅度大，滿足雷達(dá)探測系統(tǒng)的應(yīng)用需求。
[0004]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中基于雪崩效應(yīng)的UWB脈沖發(fā)生器電路原理圖。如圖1所示，如當(dāng)激勵(lì)信號尚未到來時(shí)，晶體管Q的基極反向偏置，處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極與發(fā)射極之間存在著強(qiáng)電場，儲能電容C2充電，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后兩端電壓約為Vcc。當(dāng)一個(gè)足夠大的激勵(lì)脈沖到來后，晶體管Q工作點(diǎn)運(yùn)動到不穩(wěn)定的雪崩負(fù)阻區(qū)，晶體管Q雪崩擊穿，產(chǎn)生快速增大的雪崩電流，導(dǎo)致電容C2經(jīng)晶體管Q和負(fù)載電阻RL快速放電，從而在負(fù)載電阻RL上形成一個(gè)較窄的負(fù)極性脈沖。
[0005]雖然上述的基于雪崩效應(yīng)的UWB脈沖產(chǎn)生電路輸出脈沖已經(jīng)可以基本滿足UWB系統(tǒng)的要求，但是其波形振鈴較嚴(yán)重，反映在頻域上，則帶寬較窄，在雷達(dá)探測領(lǐng)域的應(yīng)用具有局限性。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型公開了一種用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器。
[0007]本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
[0008]—種用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器，包括觸發(fā)電路、觸發(fā)源優(yōu)化電路、二級雪崩晶體管和脈沖成形電路；
[0009]觸發(fā)電路的輸出端連接觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸入端;觸發(fā)源優(yōu)化電路包括RC微分電路、雪崩晶體管、第二電容、第二電阻和第三電阻;RC微分電路的輸入端為觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸入端;雪崩晶體管為NPN型，其基極連接RC微分電路的輸出端，發(fā)射極接地，集電極通過第二電阻連接直流電源;第二電容和第三電阻串聯(lián)，在此串聯(lián)電路中，第二電容的一端連接在第二電阻和雪崩晶體管的公共端，第三電阻的一端接地;第二電容和第三電阻的公共端為觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸出端;二級雪崩晶體管為NPN型;觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸出端連接二級雪崩晶體管的發(fā)射極;直流電源連接二級雪崩晶體管的集電極，二級雪崩晶體管的基極接地;脈沖成形電路的輸入端連接二級雪崩晶體管的集電極，輸出端連接負(fù)載。
[0010]其進(jìn)一步的技術(shù)方案為:還包括脈沖整形電路，所述脈沖整形電路連接在直流電源和二級雪崩晶體管的集電極之間。
[0011]其進(jìn)一步的技術(shù)方案為:所述脈沖整形電路為電感，兩端分別連接直流電源和二級雪崩晶體管的集電極。
[0012]其進(jìn)一步的技術(shù)方案為:所述RC微分電路包括第一電容和第一電阻；第一電容和第一電阻串聯(lián)，此串聯(lián)電路兩端為RC微分電路的輸入端;第一電阻兩端為RC微分電路輸出端。
[0013]其進(jìn)一步的技術(shù)方案為:所述脈沖成形電路為第三電容，兩端分別連接二級雪崩晶體管的集電極和負(fù)載。
[0014]其進(jìn)一步的技術(shù)方案為:雪崩晶體管和二級雪崩晶體管的型號均為BFP450，當(dāng)集電極為4.5?15V時(shí)，其工作于雪崩區(qū)。
[0015]其進(jìn)一步的技術(shù)方案為:所述觸發(fā)電路是型號為Tektronix的任意波形生成器，以提供頻率為20MHz的TTL激勵(lì)信號;所述直流電源的型號是GWInstek，以提供12V直流電源；還包括型號為Agilent DS081204A的示波器，以觀察輸出脈沖;超寬帶極窄脈沖發(fā)生器的負(fù)載端和示波器之間通過型號為Model 310C UWB喇叭天線進(jìn)行傳輸，其輸入端和輸出端均采用SMA接頭。
[0016]本實(shí)用新型的有益技術(shù)效果是:
[0017]本實(shí)用新型所述的脈沖發(fā)生器，所發(fā)生的脈沖，幅度較大、振鈴較小、波形對稱，適用于UWB雷達(dá)探測系統(tǒng)。
[0018]本實(shí)用新型電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，適于廣泛推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0019]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中基于雪崩效應(yīng)的UWB脈沖發(fā)生器電路原理圖。
[0020]圖2是雪崩晶體管輸出特性圖。
[0021]圖3是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4是本實(shí)用新型的電路原理圖。
[0023]圖5是型號為BFP450雪崩晶體管在ADS中的符號示意圖。
[0024]圖6是本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)中的UWB脈沖產(chǎn)生電路輸出波形的仿真結(jié)果對比圖。
[0025]圖7是本實(shí)用新型的收發(fā)測試電路的結(jié)構(gòu)框圖。
[0026]圖8-a是本實(shí)用新型的發(fā)射信號示意圖。
[0027]圖8-b是本實(shí)用新型的示波器接收信號示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]圖2是雪崩晶體管輸出特性圖。本實(shí)用新型中提到的雪崩二極管和二級雪崩二極管，都是基于圖2所示的特性工作的。如圖2所示，雪崩晶體管的雪崩擊穿現(xiàn)象是:當(dāng)雪崩晶體管的集電極電壓很高時(shí)，空間電荷區(qū)內(nèi)電場足夠強(qiáng)時(shí)，熱生載流子在通過強(qiáng)電場區(qū)時(shí)會產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)。于是反向電流會隨反向電壓迅速增加，發(fā)生雪崩擊穿。
[0029]圖3是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實(shí)用新型的電路原理圖。如圖3、圖4所示，本實(shí)用新型包括觸發(fā)電路、觸發(fā)源優(yōu)化電路、二級雪崩晶體管和脈沖成形電路。
[0030]觸發(fā)電路連接觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸入端。觸發(fā)電路用于發(fā)出矩形波作為激勵(lì)信號，在本實(shí)施例中，觸發(fā)電路為一TTL信號源Vpeak，可產(chǎn)生激勵(lì)信號。
[0031]觸發(fā)源優(yōu)化電路包括RC微分電路。RC微分電路將激勵(lì)信號的上升沿和下降沿分別微分處理為正、負(fù)脈沖。在本實(shí)施例中，RC微分電路包括第一電容Cl和第一電阻Rl，第一電容Cl和第一電阻Rl串聯(lián)，此串聯(lián)電路兩端為RC微分電路的輸入端，第一電阻Rl兩端為RC微分電路的輸出端。
[0032]觸發(fā)源優(yōu)化電路還包括雪崩晶體管Ql、第二電容C2、第二電阻R2和第三電阻R3。雪崩晶體管QI為NPN型，其基極連接RC微分電路的輸出端，發(fā)射極接地，集電極通過第二電阻R2連接直流電源Vdc;第二電容C2和第三電阻R3串聯(lián)，在此串聯(lián)電路中，第二電容C2的一端連接在第二電阻R2和雪崩晶體管Ql的公共端，第三電阻R3的一端接地;第二電容C2和第三電阻R3的公共端為觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸出端。
[0033]觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸出端連接二級雪崩晶體管Q2的發(fā)射極。直流電源Vdc通過第四電阻R4連接二級雪崩晶體管Q2的集電極，二級雪崩晶體管Q2的基極接地。脈沖成形電路的輸入端連接在二級雪崩晶體管Q2的集電極，輸出端連接負(fù)載，脈沖成形電路為一個(gè)儲能元件，用以配合二級雪崩晶體管Q2工作。在本實(shí)施例中，脈沖成形電路為第三電容C3。
[0034]作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，可以在上述電路中增加脈沖整形電路，脈沖整形電路連接在直流電源Vdc和二級雪崩晶體管Q2的集電極之間，用于縮短二級雪崩晶體管Q2的恢復(fù)時(shí)間，以減小脈沖振鈴。在本實(shí)施例中，脈沖整形電路即為電感L。
[0035]在信號源Vpeak發(fā)出的激勵(lì)信號到來時(shí)，經(jīng)過RC微分電路和雪崩晶體管Ql，在第三電阻R3上形成負(fù)極性窄脈沖，由于二級雪崩晶體管Q2的觸發(fā)脈沖必須是正極性的，所以電路中將二級雪崩晶體管的基極和發(fā)射極反接，這樣，當(dāng)負(fù)極性窄脈沖到來時(shí)，才可以使二級雪崩晶體管Q2進(jìn)入雪崩狀態(tài)，第三電容C3迅速放電，即可以在負(fù)載電阻RL上形成極窄脈沖。
[0036]經(jīng)過多次試驗(yàn)，本實(shí)用新型還公開了脈沖產(chǎn)生效果最好的優(yōu)選的方案，即雪崩晶體管和二級雪崩晶體管均使用型號為BFP450的晶體管，圖5是型號為BFP450雪崩晶體管在ADS(Advanced Design System，先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件)中的符號示意圖。如圖5所示，集電極1、基極2和發(fā)射極3、發(fā)射極4均如上文所述的方法接入電路，當(dāng)集電極I為4.5?15V時(shí)，其工作于雪崩區(qū)。使用此型號的晶體管，經(jīng)過實(shí)測，可產(chǎn)生幅度約為10V、中心頻率約為2GHz、10dB帶寬約為3.6GHz的UWB極窄脈沖。
[0037]為了配合型號為BFP450的雪崩晶體管，其余的電路參數(shù)的最優(yōu)選值為:第一電容Cl的阻值為10pF，第二電容C2和第三電容C3的阻值為3.9pF，第一電阻Rl的阻值為100Ω，第二電阻R2和第四電阻R4的阻值為680Ω，第三電阻R3和第五電阻R5的阻值為50Ω，電感L的阻值為10uH。
[0038]圖6是本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)中的UWB脈沖產(chǎn)生電路輸出波形的仿真結(jié)果對比圖。使用ADS仿真，激勵(lì)信號均選取頻率為IGHz，幅值為5V的方波。分別對傳統(tǒng)UWB脈沖產(chǎn)生電路和本實(shí)用新型所述的電路進(jìn)行仿真。如圖6所示，本實(shí)用新型電路的輸出信號為Voutl，傳統(tǒng)UWB脈沖產(chǎn)生電路的輸出信號為Vout。本實(shí)用新型電路與傳統(tǒng)UWB脈沖產(chǎn)生電路輸出脈沖幅度均約為-8V，但本實(shí)用新型電路輸出脈沖較傳統(tǒng)UWB脈沖產(chǎn)生電路輸出脈沖，波形對稱、振鈴明顯減小。
[0039]本實(shí)用新型還可增加收發(fā)測試電路。圖7是本實(shí)用新型的收發(fā)測試電路的結(jié)構(gòu)框圖。組成如圖7所示的測試電路，首先制作本實(shí)用新型UWB極窄脈沖發(fā)生器樣機(jī)，PCB尺寸為
2.5cm X 2.5cm，電源線寬20miI，信號線寬20mil，所有元器件均使用表貼封裝，且選取FR-4板材。采用型號為Tektronix任意波形生成器提供頻率為20MHz的TTL激勵(lì)信號;直流電源的型號為GWInstek，提供12V直流電源;示波器的型號為Agilent DS081204A，可由示波器觀察輸出脈沖，其實(shí)時(shí)帶寬12GHz，最大采樣率為40GSa/s。超寬帶極窄脈沖發(fā)生器的負(fù)載端和示波器之間通過型號為Model 310C UWB喇叭天線進(jìn)行傳輸，其輸入端和輸出端均采用SMA接頭。
[0040]圖8-a是本實(shí)用新型的發(fā)射信號示意圖。圖8-b是本實(shí)用新型的示波器接收信號示意圖。如圖8-a、圖8-b所示，實(shí)測相距5m處的UWB極窄脈沖收發(fā)效果，脈沖幅度由發(fā)射的-10.7￥衰減為-2.381￥。
[0041]以上所述的僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，本實(shí)用新型不限于以上實(shí)施例?？梢岳斫?，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本實(shí)用新型的精神和構(gòu)思的前提下直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的其他改進(jìn)和變化，均應(yīng)認(rèn)為包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器，其特征在于:包括觸發(fā)電路、觸發(fā)源優(yōu)化電路、二級雪崩晶體管和脈沖成形電路； 觸發(fā)電路的輸出端連接觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸入端;觸發(fā)源優(yōu)化電路包括RC微分電路、雪崩晶體管、第二電容、第二電阻和第三電阻;RC微分電路的輸入端為觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸入端;雪崩晶體管為NPN型，其基極連接RC微分電路的輸出端，發(fā)射極接地，集電極通過第二電阻連接直流電源;第二電容和第三電阻串聯(lián)，在此串聯(lián)電路中，第二電容的一端連接在雪崩晶體管的集電極，第三電阻的一端接地;第二電容和第三電阻的公共端為觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸出端;二級雪崩晶體管為NPN型;觸發(fā)源優(yōu)化電路的輸出端連接二級雪崩晶體管的發(fā)射極;直流電源連接二級雪崩晶體管的集電極，二級雪崩晶體管的基極接地;脈沖成形電路的輸入端連接二級雪崩晶體管的集電極，輸出端連接負(fù)載。2.如權(quán)利要求1所述的用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器，其特征在于:還包括脈沖整形電路，所述脈沖整形電路連接在直流電源和二級雪崩晶體管的集電極之間。3.如權(quán)利要求2所述的用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器，其特征在于:所述脈沖整形電路為電感，兩端分別連接直流電源和二級雪崩晶體管的集電極。4.如權(quán)利要求1所述的用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器，其特征在于:所述RC微分電路包括第一電容和第一電阻;第一電容和第一電阻串聯(lián)，此串聯(lián)電路兩端為RC微分電路的輸入端;第一電阻兩端為RC微分電路輸出端。5.如權(quán)利要求1所述的用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器，其特征在于:所述脈沖成形電路為第三電容，兩端分別連接二級雪崩晶體管的集電極和負(fù)載。6.如權(quán)利要求1所述的用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器，其特征在于:雪崩晶體管和二級雪崩晶體管的型號均為BFP450，當(dāng)集電極為4.5?15V時(shí)，其工作于雪崩區(qū)。7.如權(quán)利要求1所述的用于雷達(dá)探測系統(tǒng)的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器，其特征在于:所述觸發(fā)電路是型號為Tektronix的任意波形生成器，以提供頻率為20MHz的TTL激勵(lì)信號;所述直流電源的型號是GWInstek，以提供12V直流電源;還包括型號為Agilent DS081204A的示波器，以觀察輸出脈沖；超寬帶極窄脈沖發(fā)生器的負(fù)載端和示波器之間通過型號為Model31OC UWB喇叭天線進(jìn)行傳輸，其輸入端和輸出端均采用SMA接頭。
【文檔編號】H03K3/335GK205453650SQ201620273963
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月5日
【發(fā)明人】張 浩, 劉興, 梁曉林, 呂婷婷, 魏兆強(qiáng), 王增鋒
【申請人】中國海洋大學(xué)