应用于超宽带穿墙雷达的极窄脉冲发生器设计

摘 要：介绍了一种可用于超宽带(UWB)穿墙雷达的脉冲发生电路，讨论并分析了UWB中几种常用窄脉冲产生方法的特点及其局限性。基于雪崩三极管和射频双极性晶体管的雪崩特性，设计并制作了UWB脉冲电路发生器，指出电路中需要注意的事项及改进脉冲性能的方法，并获得亚纳秒级的超短、快速前沿的单极性UWB脉冲，幅度为28 V，宽度为0.95 ns。

关键词：超宽带；纳秒；脉冲发生器；雪崩特性；穿墙雷达；射频三极管

中图分类号：TN911文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)1900703

Design of Ultra-narrow Pulse Generator in Ultra-wideband Through-wall Radar

WANG Bangyao,LIU Xiaoyun

(School of Automation Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China)

Abstract：A pulse generator used in through-wall Ultra Wideband (UWB) radar is introduced.Several kinds of commonly used narrow pulse generating methods are presented and their merits and limitations are analysed.Based on the avalanche characteristicof avlanch transistor and RF-BJT,sub-nanosecond UWB pulse is designed and fabricated with satisfying result of 28 V amplitude and pulse width of 0.95 ns.Key points and improvements are also discussed.

Keywords：ultra-wideband;nanosecond;pulse generator;avalanche effect;through-wall radar;RF transistor

1 引 言

超宽带(Ultra Wideband)，也叫作数据脉冲，指相对其中心频率有高比例的带宽。一般来说任何波形，只要带宽大于中心频率的25%，就可认为是“超宽带”。超宽带使用脉宽很窄的基带脉冲，典型为纳秒级，其频谱分布覆盖从低频至几万兆赫的极宽的频率范围。相比传统的通过对载波进行各种调制实现的“窄带”通信技术而言，超宽带技术使用纳秒甚至是皮秒级的电磁能量脉冲来作为信息的传输载体，因此也称为“无载波”(Carrier-free)、“基带”(Baseband)技术。由于脉冲持续时间极短，导致信号带宽很大，通常具有GHz量级的带宽。超宽带技术具有很多突出的优点，首先它开辟了一个千兆赫兹容量的新无线信道；其发射信号的功率谱密度极低，对现有的传统无线通信系统影响很小；它还强抗截获和多径免疫力强，通信抗干扰和保密能力强。另外超宽带信号有极好的穿透障碍物能力，定位精度高。因此，超宽带技术广泛应用于超宽带通信、穿墙探地雷达、高速数据通信、加速器技术等领域。

从本质上看，UWB技术就是发射和接收超短电磁脉冲的技术，因此，在UWB技术所有应用中如何产生用于信息传输的纳秒级窄脉冲成为关键。一般高压窄脉冲的产生电路主要包括以下几个部分：直流高压电源、触发系统、高压主开关、储能元件或系统以及脉冲成形系统，系统框图如图1所示。

图1 一般脉冲源系统结构

直流高压电源为储能元件或系统提供充电电源，使其能够达到一定能量；触发系统的作用是产生合适触发脉冲使主开关开启；高压主开关在未被触发时保持关闭状态，使储能元件能够储能，当被触发后则开启，储能元件通过此开关对负载放电形成脉冲输出。

要产生高压极窄脉冲的技术核心是要做到高压快速开关，这也是本文研究的重点。目前通常用的高压电子开关有2类：

(1) 电真空器件以二次电子发射管、放电间隙开关、触发管、氢闸管等为代表；

(2) 固体器件，以阶越恢复二极管、雪崩三极管、高压MOSFET管、高频BJT晶体管为代表。虽然电真空器件脉冲源，就技术指标而言能够满足实际应用的要求，但是其体积庞大，装置复杂，需要许多驱动装置。其可靠性较低，抖动较大，限制了其应用范围，特别是在无线超宽带通讯和穿墙探测雷达等要求精度较高、体积较小的场合，这种缺点显得尤为突出。而以高频BJT晶体管和雪崩三极管为代表固体电路方案在脉冲重频稳定度、波形一致性及重频上限上表现突出，能满足人们希望实现高压快脉冲电路的精确化、小型化和固体化的要求，已成为纳秒级脉冲发生器的首选元件。

2 雪崩三极管窄脉冲的产生原理

雪崩管机理是基于载流子倍增效应。在强电场的加速作用下，阻挡层中的电子获得了较大的能量，当它与附近的原子撞击时可能产生新的电子空穴对，这种连锁反应即是载流子倍增效应。一般来说雪崩三极管的输出特性有4个区域：线性区、饱和区、截止区与雪崩区。对NPN型晶体管，雪崩区是当基极注入为负值(IB

图2 雪崩区击穿电压间的关系

当雪崩过程发生时，集电极电流IC与发射极电流IE之间的关系是:

IC=α*=αMIE

式中α为共基低电压的电流放大系数；α*为共基雪崩区的电流放大系数；M为倍增系数，它表征在雪崩区域内电流倍增的程度。

M=11-(UCE/BVCEO)m

其中：m为与材料有关的系数。对于p型硅材料m=2；n型硅材料m=4。上式表明，在雪崩区域内，集电极电流随集电极电压的变化比较急剧，比低电压集电极电流增大M倍。

利用BJT的雪崩特性产生窄脉冲的基本电路如图3所示。

没有触发脉冲输入时，雪崩三极管基极处于反向偏置，高压直流电源VCC经过大阻值限流电阻RC加到三极管的集电极，并经过RC，RL给C充电。此时，雪崩三极管处于截止状态和临界雪崩状态。储能电容C进入稳态后两端电压为UCE约为VCC。随着正极性触发脉冲的上升沿输入，三极管发生雪崩效应，三极管迅速进入导通状态，储能电容C通过雪崩三极管和负载电阻RL迅速放电。C两端电压很快降低，当C的放电电流不足以维持雪崩效应时，由于基极输入触发脉冲的宽度比较宽，上升时间长，所以三极管进入饱和状态。当输入触发脉冲结束以后，基极重新处于反偏，三极管进入截止状态，VCC通过限流电阻RC和负载电阻RL向C充电，经过大约(3~5)(RC+RL)×C的恢复时间，储能电容C进入稳态，两端电压近似为VCC，为下一次触发作好准备。由上面可以看出，由于三极管雪崩效应，储能电容C的放电过程非常快。C放电时，在负载电阻RL上形成一个很窄的负极性脉冲输出。由于RCRL，所以C充电时，RL上的电压很小，可以忽略。