摘 要： 針對(duì)超寬帶" title="超寬帶">超寬帶通信技術(shù)迅速發(fā)展的需要，詳細(xì)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(chǎn)生超寬帶極窄脈沖信號(hào)" title="脈沖信號(hào)">脈沖信號(hào)的原理并介紹了技術(shù)現(xiàn)狀。本方案在微波雙極性晶體管串行級(jí)聯(lián)的基礎(chǔ)上，采用了并行同步觸發(fā)的工作方式，極大地減少了時(shí)延與上升時(shí)間" title="上升時(shí)間">上升時(shí)間，產(chǎn)生了皮秒級(jí)的極窄脈沖。電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、性能好及應(yīng)用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 超寬帶 雪崩倍增 脈沖發(fā)生器" title="脈沖發(fā)生器">脈沖發(fā)生器 同步觸發(fā)
超寬帶UWB(Ultra Wideban)技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有著極大差異的通信新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過(guò)發(fā)送和接收具有納秒級(jí)或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級(jí)的帶寬。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有千兆赫茲容量和最高空間容量的新無(wú)線(xiàn)信道；它還具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、被截獲與檢測(cè)的概率低、系統(tǒng)的復(fù)雜程度低、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。超寬帶技術(shù)因其具有優(yōu)越的特性，越來(lái)越受到人們的普遍重視和研究。該技術(shù)尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線(xiàn)接入和軍事通信應(yīng)用中。
美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC(Federal Communications Commission)在2002年2月14日批準(zhǔn)了民用的超寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù) 。實(shí)現(xiàn)超寬帶技術(shù)的首要任務(wù)是產(chǎn)生UWB脈沖信號(hào)。按照FCC 規(guī)定，超寬帶(UWB)脈沖信號(hào)的部分帶寬
大于20％，其中fH、fL分別為-10dB輻射點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上、下頻率點(diǎn)或者是指其總的頻譜帶寬至少達(dá)到500MHz[1]。從本質(zhì)上看，UWB是發(fā)射和接收超短電磁脈沖的技術(shù)，可以使用不同的方式來(lái)產(chǎn)生和接收這些信息,這些脈沖可以單獨(dú)發(fā)射或成組發(fā)射，并且可以根據(jù)脈沖的幅度、相位和位置或它們之間的有效組合來(lái)對(duì)信息進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)多址通信。
1 UWB極窄脈沖的產(chǎn)生原理
與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)相比，UWB發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，如圖1所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，UWB發(fā)射機(jī)部分可以不包含功率放大器，替代它的是一個(gè)脈沖發(fā)生器，它根據(jù)要求產(chǎn)生時(shí)間寬度極短的窄脈沖直接激勵(lì)超寬帶天線(xiàn)進(jìn)行輻射。可編程時(shí)延實(shí)現(xiàn)了偽隨機(jī)碼的時(shí)域編碼和時(shí)域調(diào)制。驅(qū)動(dòng)器主要用來(lái)提供一定的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)對(duì)前、后級(jí)電路進(jìn)行有效的隔離。脈沖發(fā)生器在超寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中占據(jù)著極其重要的地位，是UWB系統(tǒng)中獨(dú)特的關(guān)鍵部件之一。UWB通信系統(tǒng)的超寬帶特性直接與脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖形狀相關(guān)，顯然，脈沖的持續(xù)時(shí)間越短，脈沖所占據(jù)的帶寬就越寬。能否成功地設(shè)計(jì)UWB系統(tǒng)的脈沖發(fā)生器，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
窄脈沖產(chǎn)生電路的性能與所使用的高速器件有關(guān)。可以產(chǎn)生納秒、皮秒級(jí)窄脈沖的高速器件有隧道二極管、階躍恢復(fù)二極管、雪崩晶體管等器件。其中隧道二極管和階躍恢復(fù)二極管所產(chǎn)生的脈沖，上升時(shí)間可達(dá)幾十到幾百皮秒，但其幅度較小，一般為幾百毫伏的量級(jí)。而雪崩晶體管產(chǎn)生的脈沖，上升時(shí)間可以達(dá)1～2ns，輸出脈沖幅度可達(dá)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(dǎo)通瞬間，電流呈“雪崩”式迅速增長(zhǎng)，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(shè)計(jì)中，采用多個(gè)晶體管串行級(jí)聯(lián)，使用并行同步觸發(fā)的方式，加快了雪崩過(guò)程，從而達(dá)到進(jìn)一步降低脈沖寬度的目的。經(jīng)驗(yàn)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(gè)區(qū)域：飽和、線(xiàn)性、截止與雪崩區(qū)。當(dāng)晶體管的集電極電壓很高時(shí),集電結(jié)的載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速,從而獲得很大能量,它們與晶格碰撞時(shí)產(chǎn)生了新的電子-空穴對(duì),新生的電子、空穴又分別被強(qiáng)電場(chǎng)加速而重復(fù)上述過(guò)程。于是流過(guò)集電結(jié)的電流便“雪崩”式迅速增長(zhǎng),這就是晶體管的雪崩倍增效應(yīng)。
晶體管發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)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(gè)載流子進(jìn)入集電結(jié)空間電荷區(qū)，則就有M個(gè)載流子流出空間電荷區(qū)。倍增因子M通常可用如下公式表示[2]：
式中BVCBO是晶體管發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，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(guān)的密勒指數(shù)[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(dāng)基極電流為負(fù)值(IB<0)時(shí)，發(fā)射結(jié)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(qū)域是雪崩區(qū)。雪崩區(qū)運(yùn)用時(shí)，晶體管集電極－發(fā)射極之間呈負(fù)阻特性。
2 脈沖發(fā)生器的電路與分析
利用雙極性晶體管工作在雪崩區(qū)的雪崩式開(kāi)關(guān)特性[3]，結(jié)合MARX電路[4]的基本工作原理，設(shè)計(jì)了圖3所示的UWB脈沖發(fā)生器。該脈沖發(fā)生器在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的改進(jìn)。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(mǎn)足實(shí)際的使用需要；其次采用了并行同步觸發(fā)方式，即對(duì)多個(gè)晶體管的基極同時(shí)加入觸發(fā)脈沖信號(hào)，克服了文獻(xiàn)[5]電路中存在的雪崩延時(shí)。當(dāng)晶體管串行級(jí)聯(lián)運(yùn)用時(shí)，由于各個(gè)晶體管偏置臨界雪崩狀態(tài)，如果采用單管進(jìn)行觸發(fā)時(shí)，先產(chǎn)生雪崩擊穿的是基極受到觸發(fā)信號(hào)的晶體管，接著才是后面級(jí)聯(lián)的晶體管產(chǎn)生雪崩擊穿效應(yīng)。對(duì)于產(chǎn)生皮秒量級(jí)的脈沖而言，電路中任何一個(gè)部分存在的時(shí)間延遲都會(huì)影響產(chǎn)生的輸出脈沖，使得輸出脈沖的上升時(shí)間變長(zhǎng)和脈沖變寬。為了消除電路中存在的雪崩依次延時(shí)，對(duì)電路中多個(gè)晶體管的基極加入了同步觸發(fā)脈沖信號(hào)，使晶體管同時(shí)產(chǎn)生雪崩擊穿，加快了負(fù)載上獲得的脈沖的上升過(guò)程，獲得了非常陡直的UWB脈沖。該脈沖發(fā)生器可以在較低的電源電壓下可靠工作，穩(wěn)定地輸出一定幅度和寬度的UWB脈沖,脈沖的重復(fù)工作頻率可以達(dá)到50MHz以上，在超寬帶技術(shù)中具有相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值。
在沒(méi)有加入觸發(fā)脈沖信號(hào)時(shí)，電源電壓VCC通過(guò)電阻R1與R11、R2與R5、R3與R6、R4與R7分別對(duì)電容C1、C2、C3、C4進(jìn)行充電，使得4個(gè)微波雙極性晶體管Q1、Q2、Q3、Q4的集電結(jié)偏置在臨界雪崩狀態(tài)，于是儲(chǔ)能電容C1、C2、C3、C4的兩端所充的電壓約等于集電結(jié)雪崩擊穿電壓BVCBO。當(dāng)觸發(fā)的脈沖信號(hào)Vi輸入時(shí)，微波雙極性晶體管同時(shí)雪崩擊穿，儲(chǔ)能電容C1、C2、C3、C4所儲(chǔ)存的電荷迅速地通過(guò)Q1、Q2、Q3、Q4和等效負(fù)載電阻R12放電，于是在負(fù)載電阻上得到需要的UWB脈沖信號(hào)。圖4是在負(fù)載電阻R12仿真計(jì)算得到的UWB脈沖信號(hào)。
3 UWB脈沖發(fā)生器參數(shù)設(shè)計(jì)
圖3所示的UWB脈沖發(fā)生器在晶體管雪崩狀態(tài)下可以用圖5所示的電路進(jìn)行簡(jiǎn)化等效[4]。發(fā)生器中的串接電容在晶體管雪崩擊穿狀態(tài)下，可以等效一個(gè)電容，其值為C/N，同時(shí)所下降的電壓為N△V。其中C為單個(gè)儲(chǔ)能電容的值，△V為單個(gè)電容兩端壓降，N為串接電容的數(shù)目；NRon等效為所有串接晶體管雪崩狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻，其中Ron為單個(gè)雙極性晶體管雪崩狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻。根據(jù)RC電路的充放電特性可以得到負(fù)載電阻R12上獲得的脈沖幅度峰值Vop和脈沖下降時(shí)間分別為：
脈沖發(fā)生器的儲(chǔ)能電容值為5pF, 電阻R11與負(fù)載電阻R12為51Ω，晶體管在雪崩擊穿狀態(tài)下的導(dǎo)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(shù)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(fā)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(kāi)關(guān)狀態(tài)下，脈沖的上升時(shí)間可近似表示為[6]：
式中：
指上升時(shí)間內(nèi)特征頻率的平均值；Cc指Vcc電壓下集電結(jié)電容值；Icm指集電極電流的最大值；Rc為集電極負(fù)載電阻。從公式(5)可看出基極觸發(fā)電流Ib對(duì)輸出脈沖的上升時(shí)間存在著影響。當(dāng)基極觸發(fā)電流Ib增大時(shí)，脈沖的上升時(shí)間tr會(huì)減小。為了加大基極觸發(fā)電流，在實(shí)際工作的脈沖發(fā)生器中設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路。由于晶體管串行級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的使用相當(dāng)于各級(jí)輸出脈沖波形進(jìn)行乘積，使脈沖的上升過(guò)程加快，上升時(shí)間tr得到了進(jìn)一步的減小。同時(shí)，由于對(duì)多個(gè)晶體管的基極的并行同步觸發(fā)，消除了各晶體管依靠傳輸依次延遲的雪崩時(shí)間，使得脈沖的上升時(shí)間tr更短。UWB脈沖的上升沿主要取決于管子的雪崩導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的速度，而下降沿主要由放電回路的放電速度決定，這兩個(gè)因素決定著最終產(chǎn)生的UWB脈沖信號(hào)的形狀和寬度。通過(guò)仿真計(jì)算獲得的脈沖如圖4所示，脈沖寬度TP約為610ps，上升時(shí)間tr約為490ps, 下降時(shí)間tf約為750ps，幅度約為8.25V。
4 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中,利用Aglient 81110脈沖發(fā)生器作為觸發(fā)脈沖源，輸出信號(hào)使用54830B數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行觀(guān)測(cè)。圖6是在負(fù)載電阻R12上測(cè)試得到的波形，從圖中可以看出脈沖的寬度為908.1ps,上升時(shí)間為519ps,下降時(shí)間為940.9ps，脈沖的幅度為8V。測(cè)試中的數(shù)據(jù)與前面仿真計(jì)算的結(jié)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(shù)和器件在工作中實(shí)際參數(shù)存在著差異，以及分析過(guò)程對(duì)電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕啤？梢钥闯鰣D3所示的電路結(jié)構(gòu)具有極大的實(shí)用性；同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中測(cè)試，該電路可以穩(wěn)定地產(chǎn)生重復(fù)頻率達(dá)到50MHz的UWB脈沖。當(dāng)在功率與脈沖的重復(fù)頻率兩者之間進(jìn)行折衷選擇時(shí)，可以通過(guò)改變電路中相應(yīng)的元件與參數(shù)，獲得滿(mǎn)足不同需求的UWB脈沖信號(hào)。
本文利用微波雙極性晶體管以雪崩型開(kāi)關(guān)串行級(jí)聯(lián)并行同步觸發(fā)的方式工作，成功地產(chǎn)生了寬度達(dá)到皮秒量級(jí)的UWB脈沖。隨著人們對(duì)UWB技術(shù)的深入研究，能夠可靠并且簡(jiǎn)便產(chǎn)生UWB脈沖信號(hào)的電路結(jié)構(gòu)，越來(lái)越具有實(shí)用價(jià)值。本文設(shè)計(jì)與制作的電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低、性能好的特點(diǎn)，在UWB技術(shù)中具有較好的應(yīng)用前景。
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