超宽带窄脉冲的设计与实现

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1、超宽带窄脉冲的设计与实现作者：北京航空航天大学毛慧敏李峭    来源:电子设计应用2009年第5期        摘要：本文简单介绍了超宽带信号的定义和形式，重点分析了常用的脉冲生成方法，给出了两种方案实现窄脉冲的具体电路和测试结果。关键词：超宽带；竞争冒险；雪崩效应引言按照美国联邦通信委员会(FCC)规定，如果一个信号在-10dB处的绝对带宽大于500MHz或相对能量带宽大于20%，则认为是超宽带信号。目前，超宽带无线技术可分为有载波与无载波两种方案。其中无载波超宽带主要使用的是基于窄脉冲信号传输的方法，这种方法信号脉冲持续时间非常短，在极宽的频谱上具有极低的功率谱密

2、度。窄脉冲信号传输是超宽带信号的传统方式，最能体现超宽带时域信号处理特色，目前研究和应用较多。实际应用中，一般采用纳秒级的窄脉冲作为发射信号近似替代高斯脉冲，满足超宽带的带宽要求。脉冲信号源的生成技术，常用的有数字电路方法、晶体管方法和光电方法。图1数字方法生成窄脉冲的基本原理图图2不同脉宽的窄脉冲波形电路实现及测试结果考虑到光电方法需要激光作为激励源，难度较大，对实验室要求也高，以下给出数字电路和晶体管两种方法实现窄脉冲的具体电路和测试结果。数字方法实现窄脉冲本设计采用数字电路的逻辑特性来产生纳秒级窄脉冲信号，使用的是两输入端的异或逻辑：F=AnorB。此方法原理较简

3、单，产生窄脉冲的关键在于高速逻辑的实现和精确的延迟控制，因此数字芯片的选择至关重要。本文实际电路中为保证快速逻辑运算，选用了74VHC86超高速COMS异或门。其上升下降延时tr和tf均在纳秒级，符合电路设计要求。为实现两路时钟延时可控，选用了Maxim公司的DS1020可编程延时芯片。此外，为保证输入的激励信号有足够陡峭的边沿和稳定的幅度，还让激励时钟信号通过了两个快速非门74F04。电路原理图如图1所示。本电路的测试过程中采用重复频率1MHz、占空比为0.5、幅度为5V的标准方波作为输入激励信号，由泰克公司AFG3252波形发生器产生。输出波形用泰克公司DPO712

4、54高宽带数字荧光示波器(带宽达12.5GHz，最高采样速率达50GHz/s)测量。图2为不同脉宽的窄脉冲波形(由数字信号控制)，图3为脉宽1ns时的频谱，图4为重复频率2M的脉冲串。这里脉冲宽度按照业内普遍的定义取脉冲幅度50%的两点之间的时间。图3脉宽1ns时的频谱图4重复频率2MHz的脉冲串图5晶体管方法生成窄脉冲的原理图晶体管方法实现窄脉冲利用双极型晶体管工作在雪崩区的雪崩开关特性，本文选择合适的元器件及参数，设计了图5所示的脉冲发生器。该电路采用两路并行同步触发的方式工作，产生的脉冲上升时间更短，输出功率更高。另外，每路分别在激励源输入端增加了一个RC高通滤波

5、器，提取激励源的高频分量，加快触发速度。没有加入触发脉冲信号时，电源电压VCC通过电阻R1、R2对储能电容C1、C2充电，两端所充的电压约等于集电结雪崩击穿电压BVCBO，使得晶体管Q1、Q2的集电结偏置在临界雪崩状态。当触发脉冲信号输入时，Q1、Q2同时雪崩击穿，由于晶体管本身以及电路分布参数的影响，使得雪崩电流也就是电容C1、C2的放电电流逐渐增大，而到达某一峰值后，又由于电容C1、C2上电荷的减少使得放电电流逐渐减小，形成了脉冲的前后沿，最终在负载R5(50W)得到了所需的窄脉冲。在该电路中，开关三极管Q1、Q2的选择是整个电路的关键，它们的参数和性能决定了输出脉

6、冲的极限性能。在这里可选用意法半导体公司金属管壳封装的2N2369A，它的开关时间和转换时间在同类产品中是一流的，大多数类似的应用也都采用这种管子。图6是一定阻容参数下的测试结果。脉宽1.12ns，幅度峰峰值约25V。本电路的测试基本沿用上述测试条件，采用重复频率100kHz、占空比为0.5、幅度为5V的标准方波作为输入激励信号，由泰克公司AFG3252波形发生器产生。输出波形用泰克公司DPO71254高宽带数字荧光示波器测量。图7是重复频率100kHz的脉冲串。图6晶体管产生窄脉冲分析比较本文介绍的这两种方法各有优劣。数字电路方法最大的优势在于可以实现宽度的实时可控。

7、此外使用一些集成度较高的成熟芯片，增强了电路的简易性，也增加了整个系统的集成度。缺点是脉冲信号功率有限，而且脉宽也受限于集成芯片速度，不易做到很窄。用晶体管方法产生的脉冲输出幅度较高，带宽特性较好，利于信号发射。但是这种方法分立器件较多，电路较复杂，器件的参数选择和电路调试的工作量都很大，另外高频导致的分布参数对电路特性影响很大。上述两种方法在电路板的布局布线上都应注意减少分布参数的影响，尤其是晶体管电路。可以采取的措施主要有：注意避免电流回流、多路通道对称布局等长布线和增加PCB板的电源地等。图7重复频率100kHz的脉冲串结语对于一个