脉冲信号发生器以及包含其的雷达的制作方法
【专利摘要】一种脉冲信号发生器，包括：驱动脉冲产生电路，用于生成平衡触发脉冲信号；脉冲信号产生电路，用于将平衡触发脉冲信号转化为非平衡脉冲信号；过冲抑制电路，用于抑制非平衡脉冲信号的过冲以输出过冲抑制后的非平衡脉冲信号；以及平衡脉冲产生电路，用于将所述过冲抑制后的非平衡脉冲信号转化为平衡脉冲信号。还提供一种包括上述脉冲信号发生器的雷达。本发明的发生器产生的平衡脉冲波形对称、拖尾和过冲小、幅度大，适用于适合于中层深度超宽带雷达的探测应用系统，满足不同深度的探测需求。
【专利说明】
脉冲信号发生器以及包含其的雷达
技术领域
[0001]本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种脉冲信号发生器，以及一种包含该脉冲信号发生器的雷达。
【背景技术】
[0002]超宽带技术是一种通过亚纳秒级或皮秒级窄脉冲信号进行数据通信的无线技术，广泛应用于日常生活中，如穿墙雷达、探地雷达、生命探测雷达、雷达成像等。脉冲发生器是超宽带系统的重要组成部分，在一定程度上，脉冲发射机的输出脉冲带宽决定了超宽带系统的工作带宽，故脉冲信号的选取与设计对于超宽带雷达系统至关重要。
[0003]当前，利用半导体器件产生脉冲信号的方法大概分为两类:一种是用CMOS逻辑门电路的竞争冒险现象以及组合逻辑功能产生窄脉冲;另一种是基于高速开关器件的充放电效应形成窄脉冲信号，常用的高速开关器件有雪崩三极管、阶跃恢复二极管等，这些器件产生的脉冲特性也因其工作原理差异而各有所不同，适用于不同的需求。
[0004]现有的大功率超宽带雷达所需高斯信号大多依靠雪崩三极管产生，通过串联雪崩三极管单元来获得更大的幅度，但是单个晶体管产生的幅度较小，且雪崩三极管本身的特性导致产生的脉冲在一定延时后会有一个过冲产生，会影响雷达对较深地下目标探测的精度。
【发明内容】
[0005](一)要解决的技术问题
[0006]鉴于以上问题，本发明的目的在于提供一种脉冲信号发生器以及包含该脉冲信号发生器的雷达。
[0007](二)技术方案
[0008]根据本发明的一方面，提供一种脉冲信号发生器，包括:驱动脉冲产生电路，用于生成平衡触发脉冲信号;脉冲信号产生电路，用于将平衡触发脉冲信号转化为非平衡脉冲信号;过冲抑制电路，用于抑制非平衡脉冲信号的过冲以输出过冲抑制后的非平衡脉冲信号；以及平衡脉冲产生电路，用于将所述过冲抑制后的非平衡脉冲信号转化为平衡脉冲信号。
[0009]优选的，所述驱动信号脉冲产生电路包括单端触发脉冲信号产生电路和触发脉冲整形电路，其中，所述单端脉冲触发信号产生电路，用于产生触发信号;所述触发脉冲整形电路，其前端电性连接至单端脉冲触发信号产生电路，用于对触发信号整形生成所述平衡触发脉冲信号。
[0010]优选的，所述触发脉冲整形电路包括第一电阻R1、第一电容Cl和第一变压器Tl，所述第一电阻Rl的第一端连接至触发信号输出端，第二端通过第一电容Cl连接至第一变压器Tl初级线圈同名端，变压器初级线圈非同名端接地;第一电容Cl用于对输入的触发信号整形，变压器Tl用于将输入的触发信号转换为双端的平衡触发脉冲信号。
[0011]优选的，所述脉冲信号产生电路包括雪崩三极管脉冲产生电路，该雪崩三极管脉冲产生电路包括第一雪崩三极管Q3和第二雪崩三极管Q4，第一雪崩三极管的基极连接平衡触发脉冲信号，在第一雪崩三极管的发射极连接至第二雪崩三极管的基极，在第二雪崩三极管的集电极连接至脉冲信号产生电路的输出端，输出非平衡脉冲信号。
[0012]优选的，雪崩三极管脉冲产生电路还包括第一充放电电容C4，所述第一雪崩三极管发射极经第一充放电电容C4连接至第二雪崩三极管集电极。
[0013]优选的，雪崩三极管脉冲产生电路还包括第二充放电电容C6，所述第二雪崩三极管集电极经第二充放电电容C6连接至脉冲信号产生电路的输出端。
[0014]优选的，所述过冲抑制电路包括由并联端接电阻和肖特基二极管构成的过冲抑制模块，过冲抑制模块的输入端输入非平衡脉冲信号，输出端输出过冲抑制后的非平衡脉冲信号。
[0015]优选的，所述平衡脉冲产生电路包括变压器电路，所述变压器电路包括第二变压器T2，第二变压器T2初级线圈的同名端输入过冲抑制后的非平衡脉冲信号，初级线圈的非同名端接地;第二变压器T2次级线圈的同名端连接至平衡脉冲信号的第一脉冲输出端，第二变压器T2次级线圈的非同名端连接至衡脉冲信号的第二脉冲输出端。
[0016]优选的，所述脉冲信号发生器为超宽带100M雷达脉冲源。
[0017]根据本发明的另一方面，还提供一种雷达，包括以上任意一种脉冲信号发生器。
[0018](三)有益效果
[0019]由以上技术方案可知，本发明脉冲信号发生器具有以下有益效果:
[0020](I)本发明利用两级级联的雪崩三极管构建脉冲信号发生电路，与普通的雪崩三极管电路相比，该脉冲信号发生电路在产生同样的高重频信号基础下，脉冲幅度更大、重频更高、可靠性更高；
[0021](2)本发明的过冲抑制电路由端接电阻和肖特基二极管组成，用于减弱由雪崩三极管固有特性产生的过冲，此过冲幅度较小，但对较深距离的探测会产生误判的效果，因此需要使用的过冲抑制电路将其减弱，克服了现有以三极管雪崩级联为原理制作的脉冲源幅度低、重频低以及具有过冲的问题；
[0022](3)本发明设置平衡脉冲产生电路，现有超宽带雷达天线大多为平衡天线，而从过冲抑制电路中产生的窄脉冲是不平衡形式的，如果直接接入平衡天线的话，在接入电缆上会有高频电流在其屏蔽层流过，会产生对应的辐射分量，甚至影响天线的极化方向，因此需要利用平衡脉冲产生电路，将不平衡信号转化成平衡信号，从而扼制掉电缆屏蔽层外皮的高频电流，保证信号传输效果；
[0023](4)本发明结构简单、电路稳定性好，产生的平衡脉冲波形对称、拖尾和过冲小、幅度大，适用于适合于中层深度超宽带雷达的探测应用系统，满足不同深度的探测需求。
【附图说明】
[0024]图1为本发明实施例的脉冲信号发生器的电路系统结构示意图。
[0025]图2为本发明实施例的脉冲信号发生器的电路图。
【具体实施方式】
[0026]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通人员所熟知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受范围的误差容限或设计约束内近似于相似的值。
[0027]本发明的基本原理在于提供了一种脉冲信号发生器，利用两级串联雪崩三极管作为一个信号发生器电路构建纳秒级脉冲信号发生器，过冲抑制电路采用并联端接结构，利用端接电阻对负载端阻抗的匹配来弥补雪崩三极管阻抗失配的影响，从而减小过冲的幅度，并利用平衡脉冲产生电路中变压器的作用，能够产生符合要求的电压幅度和脉冲宽度。
[0028]在本发明的一个示范性实施例中，提供了一种脉冲信号发生器。图1为本发明实施例脉冲信号发生器的结构示意图。图2为根据本发明实施例脉冲信号发生器的电路图。
[0029]请参照图1和图2，本实施例脉冲信号发生器包括:
[0030]驱动脉冲产生电路，其包括单端脉冲触发信号产生电路和触发脉冲整形电路;单端脉冲触发信号产生电路:用于产生触发信号;触发脉冲整形电路，其前端电性连接至触发信号产生电路，用于对触发信号进行整形处理;脉冲信号产生电路，其前端电性连接至触发脉冲整形电路，用于利用整形后的触发信号产生纳秒级的不平衡的高斯信号(也即平衡触发脉冲信号)；过冲抑制电路，其前端电性连接至脉冲信号产生电路，用于对产生的脉冲信号整形，抑制信号的过冲幅度;平衡脉冲产生电路，其前端电性连接至过冲抑制电路，用于将产生的不平衡脉冲信号转化为平衡脉冲信号。
[0031 ]以下分别对本实施例脉冲信号发生器的各个组成部分进行详细说明。
[0032](I)驱动脉冲产生电路
[0033](a)单端脉冲触发信号产生电路
[0034]本实施例中，单端脉冲触发信号产生器可以为一任意波形发生器，其产生幅度为
2.5V，脉冲宽度为200ns，信号重复频率为200kHz的方波信号。
[0035]本发明并不以此为局限，触发信号的幅度可以介于2.5V?5V之间，脉冲宽度可以介于50ns?500ns之间，信号重复频率可以介于20kHz?320kHz之间。
[0036](b)触发脉冲整形电路
[0037]请参照图2，触发脉冲整形电路包括:第一电阻R1、第一电容Cl和第一变压器Tl，其中第一电阻Rl作为限流电阻，其第一端连接至触发信号输出端，第二端通过第一电容Cl(作为整形电容)连接至第一变压器Tl初级线圈同名端，变压器初级线圈非同名端接地。
[0038]该触发脉冲整形电路中，第一电容Cl对输入的触发方波信号整形，利用电容对方波信号的微分作用，锐化触发信号，并利用第一变压器Tl将输入的单端触发信号转换为双端触发信号，完成对触发脉冲信号的整形。
[0039]此外，本发明中也可以不包含该触发脉冲整形电路，而直接由外界输入一满足上述条件的双端脉冲触发信号，同样可以实现本发明。
[0040](2)脉冲信号产生电路
[0041]请参照图2，该脉冲信号产生电路(C)包括:
[0042]电压供应电路:包括第二电阻R2。其中第二电阻R2作为限流电阻，其第一端连接至高压供电HV(取值在200V?400V之间)，第二端连接至下文所述的充放电电压控制电路。
[0043]充放电电压控制电路:包括第一射频三极管Ql和第二射频三极管Q2，偏置分压网络电阻R3、R4和电阻R5、R6，耦合电容C2。其中第一射频三极管Ql集电极连接至第二电阻R2的第二端和第三电阻R3的第一端，基极通过第四电阻R4接地并连接至第三电阻R3的第二端，发射极连接至第七电阻R7的第一端，第二射频三极管Q2集电极连接至第五电阻R5的第一端和第一射频三极管Ql集电极，基极通过第六电阻R6接地并连接至第五电阻R5的第二端，发射极连接至第九电阻R9的第一端。第二电容C2的第一端连接至第三电阻R3的第一端，第二端接地。
[0044]雪崩三极管脉冲产生电路:包括第一雪崩三极管Q3和第二雪崩三极管Q4，耦合电容C3和C5。第一雪崩三极管Q3，其集电极通过第八电阻R8和第七电阻R7连接至第一射频三极管Ql的发射机，基极连接至第一变压器Tl次级线圈同名端，发射极通过第十一电阻Rll接地并连接至第一充放电电容C4的第一端。第一充放电电容C4的第二端连接至第十二电阻R12的第一端，其第二端通过第十三电阻R13接地并连接至第十四电阻R14的第一端，第十四电阻R14的第二端连接第二雪崩三极管Q4的基极。第二雪崩三极管Q4的集电极通过第十电阻RlO和第九电阻R9连接至第二射频三极管Q2的发射极并连接至第二充放电电容C6，第二充放电电容C6的第二端连接至过冲抑制电路，发射极接地。耦合电容C3的第一端连接至第七电阻R7的第二端，第二端接地，耦合电容C5的第一端连接至第九电阻R9的第二端，第二端接地。
[0045]该脉冲信号产生电路中，第一雪崩三极管在双端触发脉冲信号作用下快速导通，集电极电压下降，导致其连接的第一射频三极管导通，在高压供电电压的作用下，第一雪崩三极管产生雪崩击穿的效应，通过第一充放电电容C4的充放电过程，在雪崩三极管的发射极产生正极性的大幅度驱动脉冲信号，然后通过分压网络进入第二雪崩三极管的基极，重复第一次的过程，使第二雪崩三极管进入雪崩击穿的过程，并通过第二充放电电容C6的作用，在集电极产生更大幅度的负极性脉冲信号。该负极性脉冲信号的脉冲宽度由第二充放电电容C6的值决定，幅度由高压供电电压HV、偏置分压网络电阻R3、R4和电阻R5、R6的值共同决定。
[0046](3)过冲抑制电路
[0047]请参照图2，该过冲抑制电路(d)包括:
[0048]端接电阻电路，包括第一端接电阻R15、第二端接电阻R16、第三端接电阻R17、第一肖特基二极管Dl和第二肖特基二极管D2。其中，第一端接电阻R15的第一端连接至第二充放电电容C6的第二端，第二端接地。第一肖特基二极管DI的第一端连接至第二端接电阻Rl 6的第一端，第二端连接至第一端接电阻R15的第一端。第二肖特基二极管D2的第一端连接至第三端接电阻R17的第一端，第二端连接至第二端接电阻R16的第一端。第三端接电阻R17的第一端连接至第二变压器T2初级线圈的同名端，第二端接地。
[0049]该过冲抑制电路中，由于雪崩击穿效应是一个从雪崩状态中的负阻状态转变为雪崩结束时的高阻状态的过程，而窄脉冲信号正是在雪崩状态结束的瞬间产生的，因此不可避免的会因为雪崩三极管阻抗变换而导致产生微小的反射，当这个反射加载到主脉冲上时会在主脉冲一定时间单位后表现为一个微小的过冲，而在超宽带雷达探测地下的应用中，直达波中过冲所对应的时窗上会重叠着到对应深度后的反射波，而深层的反射波幅度跟直达波的过冲幅度是一个数量级的，此时会对雷达目标的探测产生干扰，这并不是只有本电路才有的问题，而是所有利用三极管雪崩击穿效应产生脉冲的电路都会有的效应，因此过冲抑制电路的目的是抑制由雪崩状态结束阻抗失配所产生的反射，使抑制后的主脉冲上没有雪崩结束时的反射。
[0050](4)平衡脉冲产生电路
[0051]请参照图2，该平衡脉冲产生电路(e)包括:
[0052]变压器电路，包括第二变压器T2。其中，第二变压器T2初级线圈的同名端连接至第三端接电阻R17的第一端，非同名端接地，次级线圈的同名端通过第十八电阻R18连接至第一脉冲输出端，非同名端通过第十九电阻R19连接至第二脉冲输出端。
[0053]该平衡脉冲产生电路中，过冲抑制后的负极性脉冲经过传输线变压器之后变成正极性脉冲和负极性脉冲分别从两个负载端输出，由非平衡脉冲变为平衡脉冲，可直接连接至平衡天线。
[0054]所述的高重频、低过冲脉冲发生器的工作方法，其改变高压供电电压、充放电电容C3、C5和电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10的方法，可以调节输出脉冲的幅度、脉冲宽度和重复频率，实现脉冲可调性。
[0055]本实施例高重频、低过冲脉冲发生器的工作过程如下:
[0056]步骤一、当触发信号处于低电平状态时，第一射频三极管Ql、第二射频三极管Q2处于导通状态，第一雪崩三极管Q3、第二雪崩三极管Q4均处于闭合状态，通过基极偏置分压网络可以决定第一雪崩三极管Q3、第二雪崩三极管Q4的集电极电压大小，电源电压通过第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第十电阻RlO对第一充放电电容C4和第二充放电电容C6充电。
[0057]步骤二、当触发的信号处于高电平状态时，通过第一整形电容Cl的作用，使脉冲锐化，经过变压器电路的作用，变成双端触发信号，为雪崩三极管的脉冲产生电路提供触发脉冲。
[0058]步骤三、第一雪崩三极管Q3在触发信号的作用下产生雪崩击穿效应，形成雪崩电流，在第一充放电电容(?的充放电过程中，Q3的发射极产生正极性脉冲信号作为下一级雪崩三极管电路的驱动信号。Q3产生的正极性脉冲驱动信号通过偏置电阻分压网络进入到第二雪崩三极管基极，使其进入雪崩击穿状态，雪崩电流与第一级的雪崩电流汇聚，在第二充放电电容C6的充放电过程中，Q4的集电极产生了幅度更大的负极性纳秒高斯脉冲信号。
[0059]步骤四、Q4产生的负极性脉冲信号进入过冲抑制电路中，将雪崩状态结束时阻抗失配产生的反射去掉，使得产生的主脉冲可以满足更深层的探测需求。最后通过平衡脉冲产生电路，产生适应于平衡天线的平衡输出脉冲。
[0060]步骤五、调节电阻R3、R4、R5、R6的取值大小，其中R3、R4取值10k?600k、R5、R6取值10k?600k，可以调节雪崩三极管集电极电压的大小，同时不会消耗太大的电源功率，进而调节输出幅度的大小。调节电阻1?7、1?8、1?9、1?10，第一充放电电容04、第二充放电电容06的取值大小，可以调节输出的平衡脉冲的幅度、宽度、重复频率的大小，电容越大，幅度越大，脉宽越小，电容与电阻值的乘积越大，重复频率越小。调节电容Cl的大小，可以调节进入雪崩三极管的触发脉冲的宽度，取值在150pF?300pF之间。耦合电容C2、C3、C5的取值范围在I OnF?I OOnF之间。过冲抑制电路电阻的取值与所涉及电路的传输线特征阻抗有关。
[0061]实际测试证明，本实施例产生的高重频、低过冲平衡脉冲信号，脉冲宽度在3ns?20ns之间，为纳秒量级，峰值电压幅度为土 70V?土 200V，正负脉冲对称性好，主脉冲后拖尾小，无过冲，振铃水平低，满足超宽带雷达系统的中层探测需求。
[0062]至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明高重频、低过冲平衡脉冲发射机有了清楚地认识。
[0063]此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更替或替换，例如:
[0064](I)本实施例中，触发信号产生电路也可以由FPGA芯片产生，便于系统集成。
[0065](2)触发脉冲整形电路可以添加D触发器，利于使触发信号的幅度和宽度得到更好的控制，得到边沿更快的触发信号。
[0066](3)射频三极管Q1、Q2所对应的偏置电阻分压网络可以由可调节的电位器替换，可以更方便的调节输出脉冲的幅度。
[0067]综上所述，本发明利用射频三极管控制雪崩三极管集电极电压的方式，可以尝试使用更高的高压供电电压，提供给雪崩三极管更大的雪崩电流而避免雪崩三极管彻底热击穿损坏，产生更大幅度的脉冲。并通过构建过冲抑制电路，将解决雪崩三极管固有存在的在脉冲后有过冲存在的现象，使得利用雪崩三极管制作的发射机可以满足更大深度的探测需求。利用变压器将负极性纳秒级脉冲信号转化为平衡纳秒级脉冲信号，可与发射天线直接相连，减少发射机与天线间的反射效应。另外，本发明利用雪崩三极管两级串联连接结构，通过调节充放电电容和电阻的大小，可以调节输出脉冲的幅度、脉宽、重复频率，可以实现多级级联难以实现的高重复频率，提高雷达处理数据时的刷新率，适合于中层超宽带雷达的不同频带的探测应用。
[0068]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种脉冲信号发生器，其特征在于包括: 驱动脉冲产生电路，用于生成平衡触发脉冲信号； 脉冲信号产生电路，用于将平衡触发脉冲信号转化为非平衡脉冲信号； 过冲抑制电路，用于抑制非平衡脉冲信号的过冲以输出过冲抑制后的非平衡脉冲信号；以及 平衡脉冲产生电路，用于将所述过冲抑制后的非平衡脉冲信号转化为平衡脉冲信号。2.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述驱动信号脉冲产生电路包括单端触发脉冲信号产生电路和触发脉冲整形电路，其中， 所述单端脉冲触发信号产生电路，用于产生触发信号； 所述触发脉冲整形电路，其前端电性连接至单端脉冲触发信号产生电路，用于对触发信号整形生成所述平衡触发脉冲信号。3.根据权利要求2所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述触发脉冲整形电路包括第一电阻R1、第一电容Cl和第一变压器Tl，所述第一电阻Rl的第一端连接至触发信号输出端，第二端通过第一电容Cl连接至第一变压器Tl初级线圈同名端，第一变压器Tl初级线圈非同名端接地;第一电容Cl用于对输入的触发信号整形，变压器Tl用于将输入的触发信号转换为双端的平衡触发脉冲信号。4.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述脉冲信号产生电路包括雪崩三极管脉冲产生电路，该雪崩三极管脉冲产生电路包括第一雪崩三极管Q3和第二雪崩三极管Q4，第一雪崩三极管的基极连接平衡触发脉冲信号，在第一雪崩三极管的发射极连接至第二雪崩三极管的基极，在第二雪崩三极管的集电极连接至脉冲信号产生电路的输出端，输出非平衡脉冲信号。5.根据权利要求4所述的脉冲信号发射器，其特征在于，雪崩三极管脉冲产生电路还包括第一充放电电容C4，所述第一雪崩三极管发射极经第一充放电电容C4连接至第二雪崩三极管集电极。6.根据权利要求4所述的脉冲信号发射器，其特征在于，雪崩三极管脉冲产生电路还包括第二充放电电容C6，所述第二雪崩三极管的集电极经第二充放电电容C6连接至脉冲信号产生电路的输出端。7.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述过冲抑制电路包括由并联端接电阻和肖特基二极管构成的过冲抑制模块，过冲抑制模块的输入端输入非平衡脉冲信号，输出端输出过冲抑制后的非平衡脉冲信号。8.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述平衡脉冲产生电路包括变压器电路，所述变压器电路包括第二变压器T2，第二变压器T2初级线圈的同名端输入过冲抑制后的非平衡脉冲信号，初级线圈的非同名端接地;第二变压器T2次级线圈的同名端连接至平衡脉冲信号的第一脉冲输出端，第二变压器T2次级线圈的非同名端连接至衡脉冲信号的第二脉冲输出端。9.根据权利要求1所述的脉冲信号发生器，其特征在于，所述脉冲信号发生器为超宽带10M雷达脉冲源。10.—种雷达，包括权利要求1-9任一项所述的脉冲信号发生器。
【文档编号】H03K5/01GK106026985SQ201610480171
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】叶盛波, 刘晋伟, 张群英, 董泽华, 方广有
【申请人】中国科学院电子学研究所