一种用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器，包括触发电路、触发源优化电路、二级雪崩晶体管和脉冲成形电路；触发电路的输出端连接触发源优化电路的输入端；触发源优化电路的输出端连接二级雪崩晶体管的发射极；直流电源连接二级雪崩晶体管的集电极，二级雪崩晶体管的基极接地；脉冲成形电路的输入端连接二级雪崩晶体管的集电极，输出端连接负载。本实用新型所述的脉冲发生器，所发生的脉冲，幅度较大、振铃较小、波形对称，适用于UWB雷达探测系统。本实用新型电路结构简单，成本低廉，适于广泛推广应用。
【专利说明】
一种用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器
技术领域
[0001]本实用新型UWB雷达探测领域，具体涉及一种基于雪崩效应的用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器。
【背景技术】
[0002]UffB(Ultra Wideband，脉冲无线电)技术不需要载波，通过直接发送、传输和接收纳秒级、亚纳秒级极窄脉冲进行信息传送或者目标探测等。鉴于UWB脉冲宽度极窄、时间分辨率较高的优势，UWB技术在雷达探测领域具有良好的应用前景。收发机是UWB系统最基本的组成部分，其中，高速极窄脉冲的产生是UWB技术的前提条件。在雷达探测系统中，要求发送的脉冲具有足够的峰值功率，以便实现更远距离的传输，同时要求发送脉冲具有合适的波形、良好的前后沿、高重复频率，且产生电路体积小、结构简单，易于实现。
[0003]目前，产生UWB脉冲信号的方法有很多种，电路的核心大多是一些高速开关器件，其产生的脉冲的性能必然与电路中所使用的高速器件有关。通常能产生纳秒、皮秒级脉冲的高速开关器件有:隧道二极管、雪崩晶体管、阶跃恢复二极管等。其中，利用雪崩晶体管的雪崩效应可以产生幅度为几伏、脉冲宽度为几十皮秒的高速UWB脉冲，脉冲幅度大，满足雷达探测系统的应用需求。
[0004]图1是现有技术中基于雪崩效应的UWB脉冲发生器电路原理图。如图1所示，如当激励信号尚未到来时，晶体管Q的基极反向偏置，处于截止状态，集电极与发射极之间存在着强电场，储能电容C2充电，进入稳态后两端电压约为Vcc。当一个足够大的激励脉冲到来后，晶体管Q工作点运动到不稳定的雪崩负阻区，晶体管Q雪崩击穿，产生快速增大的雪崩电流，导致电容C2经晶体管Q和负载电阻RL快速放电，从而在负载电阻RL上形成一个较窄的负极性脉冲。
[0005]虽然上述的基于雪崩效应的UWB脉冲产生电路输出脉冲已经可以基本满足UWB系统的要求，但是其波形振铃较严重，反映在频域上，则带宽较窄，在雷达探测领域的应用具有局限性。
【实用新型内容】
[0006]针对现有技术的不足，本实用新型公开了一种用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器。
[0007]本实用新型的技术方案如下:
[0008]—种用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器，包括触发电路、触发源优化电路、二级雪崩晶体管和脉冲成形电路；
[0009]触发电路的输出端连接触发源优化电路的输入端;触发源优化电路包括RC微分电路、雪崩晶体管、第二电容、第二电阻和第三电阻;RC微分电路的输入端为触发源优化电路的输入端;雪崩晶体管为NPN型，其基极连接RC微分电路的输出端，发射极接地，集电极通过第二电阻连接直流电源;第二电容和第三电阻串联，在此串联电路中，第二电容的一端连接在第二电阻和雪崩晶体管的公共端，第三电阻的一端接地;第二电容和第三电阻的公共端为触发源优化电路的输出端;二级雪崩晶体管为NPN型;触发源优化电路的输出端连接二级雪崩晶体管的发射极;直流电源连接二级雪崩晶体管的集电极，二级雪崩晶体管的基极接地;脉冲成形电路的输入端连接二级雪崩晶体管的集电极，输出端连接负载。
[0010]其进一步的技术方案为:还包括脉冲整形电路，所述脉冲整形电路连接在直流电源和二级雪崩晶体管的集电极之间。
[0011]其进一步的技术方案为:所述脉冲整形电路为电感，两端分别连接直流电源和二级雪崩晶体管的集电极。
[0012]其进一步的技术方案为:所述RC微分电路包括第一电容和第一电阻；第一电容和第一电阻串联，此串联电路两端为RC微分电路的输入端;第一电阻两端为RC微分电路输出端。
[0013]其进一步的技术方案为:所述脉冲成形电路为第三电容，两端分别连接二级雪崩晶体管的集电极和负载。
[0014]其进一步的技术方案为:雪崩晶体管和二级雪崩晶体管的型号均为BFP450，当集电极为4.5?15V时，其工作于雪崩区。
[0015]其进一步的技术方案为:所述触发电路是型号为Tektronix的任意波形生成器，以提供频率为20MHz的TTL激励信号;所述直流电源的型号是GWInstek，以提供12V直流电源；还包括型号为Agilent DS081204A的示波器，以观察输出脉冲;超宽带极窄脉冲发生器的负载端和示波器之间通过型号为Model 310C UWB喇叭天线进行传输，其输入端和输出端均采用SMA接头。
[0016]本实用新型的有益技术效果是:
[0017]本实用新型所述的脉冲发生器，所发生的脉冲，幅度较大、振铃较小、波形对称，适用于UWB雷达探测系统。
[0018]本实用新型电路结构简单，成本低廉，适于广泛推广应用。
【附图说明】
[0019]图1是现有技术中基于雪崩效应的UWB脉冲发生器电路原理图。
[0020]图2是雪崩晶体管输出特性图。
[0021]图3是本实用新型的结构示意图。
[0022]图4是本实用新型的电路原理图。
[0023]图5是型号为BFP450雪崩晶体管在ADS中的符号示意图。
[0024]图6是本实用新型与现有技术中的UWB脉冲产生电路输出波形的仿真结果对比图。
[0025]图7是本实用新型的收发测试电路的结构框图。
[0026]图8-a是本实用新型的发射信号示意图。
[0027]图8-b是本实用新型的示波器接收信号示意图。
【具体实施方式】
[0028]图2是雪崩晶体管输出特性图。本实用新型中提到的雪崩二极管和二级雪崩二极管，都是基于图2所示的特性工作的。如图2所示，雪崩晶体管的雪崩击穿现象是:当雪崩晶体管的集电极电压很高时，空间电荷区内电场足够强时，热生载流子在通过强电场区时会产生雪崩倍增效应。于是反向电流会随反向电压迅速增加，发生雪崩击穿。
[0029]图3是本实用新型的结构示意图。图4是本实用新型的电路原理图。如图3、图4所示，本实用新型包括触发电路、触发源优化电路、二级雪崩晶体管和脉冲成形电路。
[0030]触发电路连接触发源优化电路的输入端。触发电路用于发出矩形波作为激励信号，在本实施例中，触发电路为一TTL信号源Vpeak，可产生激励信号。
[0031]触发源优化电路包括RC微分电路。RC微分电路将激励信号的上升沿和下降沿分别微分处理为正、负脉冲。在本实施例中，RC微分电路包括第一电容Cl和第一电阻Rl，第一电容Cl和第一电阻Rl串联，此串联电路两端为RC微分电路的输入端，第一电阻Rl两端为RC微分电路的输出端。
[0032]触发源优化电路还包括雪崩晶体管Ql、第二电容C2、第二电阻R2和第三电阻R3。雪崩晶体管QI为NPN型，其基极连接RC微分电路的输出端，发射极接地，集电极通过第二电阻R2连接直流电源Vdc;第二电容C2和第三电阻R3串联，在此串联电路中，第二电容C2的一端连接在第二电阻R2和雪崩晶体管Ql的公共端，第三电阻R3的一端接地;第二电容C2和第三电阻R3的公共端为触发源优化电路的输出端。
[0033]触发源优化电路的输出端连接二级雪崩晶体管Q2的发射极。直流电源Vdc通过第四电阻R4连接二级雪崩晶体管Q2的集电极，二级雪崩晶体管Q2的基极接地。脉冲成形电路的输入端连接在二级雪崩晶体管Q2的集电极，输出端连接负载，脉冲成形电路为一个储能元件，用以配合二级雪崩晶体管Q2工作。在本实施例中，脉冲成形电路为第三电容C3。
[0034]作为一种优选的技术方案，可以在上述电路中增加脉冲整形电路，脉冲整形电路连接在直流电源Vdc和二级雪崩晶体管Q2的集电极之间，用于缩短二级雪崩晶体管Q2的恢复时间，以减小脉冲振铃。在本实施例中，脉冲整形电路即为电感L。
[0035]在信号源Vpeak发出的激励信号到来时，经过RC微分电路和雪崩晶体管Ql，在第三电阻R3上形成负极性窄脉冲，由于二级雪崩晶体管Q2的触发脉冲必须是正极性的，所以电路中将二级雪崩晶体管的基极和发射极反接，这样，当负极性窄脉冲到来时，才可以使二级雪崩晶体管Q2进入雪崩状态，第三电容C3迅速放电，即可以在负载电阻RL上形成极窄脉冲。
[0036]经过多次试验，本实用新型还公开了脉冲产生效果最好的优选的方案，即雪崩晶体管和二级雪崩晶体管均使用型号为BFP450的晶体管，图5是型号为BFP450雪崩晶体管在ADS(Advanced Design System，先进设计系统软件)中的符号示意图。如图5所示，集电极1、基极2和发射极3、发射极4均如上文所述的方法接入电路，当集电极I为4.5?15V时，其工作于雪崩区。使用此型号的晶体管，经过实测，可产生幅度约为10V、中心频率约为2GHz、10dB带宽约为3.6GHz的UWB极窄脉冲。
[0037]为了配合型号为BFP450的雪崩晶体管，其余的电路参数的最优选值为:第一电容Cl的阻值为10pF，第二电容C2和第三电容C3的阻值为3.9pF，第一电阻Rl的阻值为100Ω，第二电阻R2和第四电阻R4的阻值为680Ω，第三电阻R3和第五电阻R5的阻值为50Ω，电感L的阻值为10uH。
[0038]图6是本实用新型与现有技术中的UWB脉冲产生电路输出波形的仿真结果对比图。使用ADS仿真，激励信号均选取频率为IGHz，幅值为5V的方波。分别对传统UWB脉冲产生电路和本实用新型所述的电路进行仿真。如图6所示，本实用新型电路的输出信号为Voutl，传统UWB脉冲产生电路的输出信号为Vout。本实用新型电路与传统UWB脉冲产生电路输出脉冲幅度均约为-8V，但本实用新型电路输出脉冲较传统UWB脉冲产生电路输出脉冲，波形对称、振铃明显减小。
[0039]本实用新型还可增加收发测试电路。图7是本实用新型的收发测试电路的结构框图。组成如图7所示的测试电路，首先制作本实用新型UWB极窄脉冲发生器样机，PCB尺寸为
2.5cm X 2.5cm，电源线宽20miI，信号线宽20mil，所有元器件均使用表贴封装，且选取FR-4板材。采用型号为Tektronix任意波形生成器提供频率为20MHz的TTL激励信号;直流电源的型号为GWInstek，提供12V直流电源;示波器的型号为Agilent DS081204A，可由示波器观察输出脉冲，其实时带宽12GHz，最大采样率为40GSa/s。超宽带极窄脉冲发生器的负载端和示波器之间通过型号为Model 310C UWB喇叭天线进行传输，其输入端和输出端均采用SMA接头。
[0040]图8-a是本实用新型的发射信号示意图。图8-b是本实用新型的示波器接收信号示意图。如图8-a、图8-b所示，实测相距5m处的UWB极窄脉冲收发效果，脉冲幅度由发射的-10.7￥衰减为-2.381￥。
[0041]以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器，其特征在于:包括触发电路、触发源优化电路、二级雪崩晶体管和脉冲成形电路； 触发电路的输出端连接触发源优化电路的输入端;触发源优化电路包括RC微分电路、雪崩晶体管、第二电容、第二电阻和第三电阻;RC微分电路的输入端为触发源优化电路的输入端;雪崩晶体管为NPN型，其基极连接RC微分电路的输出端，发射极接地，集电极通过第二电阻连接直流电源;第二电容和第三电阻串联，在此串联电路中，第二电容的一端连接在雪崩晶体管的集电极，第三电阻的一端接地;第二电容和第三电阻的公共端为触发源优化电路的输出端;二级雪崩晶体管为NPN型;触发源优化电路的输出端连接二级雪崩晶体管的发射极;直流电源连接二级雪崩晶体管的集电极，二级雪崩晶体管的基极接地;脉冲成形电路的输入端连接二级雪崩晶体管的集电极，输出端连接负载。2.如权利要求1所述的用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器，其特征在于:还包括脉冲整形电路，所述脉冲整形电路连接在直流电源和二级雪崩晶体管的集电极之间。3.如权利要求2所述的用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器，其特征在于:所述脉冲整形电路为电感，两端分别连接直流电源和二级雪崩晶体管的集电极。4.如权利要求1所述的用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器，其特征在于:所述RC微分电路包括第一电容和第一电阻;第一电容和第一电阻串联，此串联电路两端为RC微分电路的输入端;第一电阻两端为RC微分电路输出端。5.如权利要求1所述的用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器，其特征在于:所述脉冲成形电路为第三电容，两端分别连接二级雪崩晶体管的集电极和负载。6.如权利要求1所述的用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器，其特征在于:雪崩晶体管和二级雪崩晶体管的型号均为BFP450，当集电极为4.5?15V时，其工作于雪崩区。7.如权利要求1所述的用于雷达探测系统的超宽带极窄脉冲发生器，其特征在于:所述触发电路是型号为Tektronix的任意波形生成器，以提供频率为20MHz的TTL激励信号;所述直流电源的型号是GWInstek，以提供12V直流电源;还包括型号为Agilent DS081204A的示波器，以观察输出脉冲；超宽带极窄脉冲发生器的负载端和示波器之间通过型号为Model31OC UWB喇叭天线进行传输，其输入端和输出端均采用SMA接头。
【文档编号】H03K3/335GK205453650SQ201620273963
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】张 浩, 刘兴, 梁晓林, 吕婷婷, 魏兆强, 王增锋
【申请人】中国海洋大学