大幅度皮秒平衡脉冲信号发生器的制造方法

大幅度皮秒平衡脉冲信号发生器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种皮秒平衡脉冲信号发生器。该皮秒平衡脉冲信号发生器包括：脉冲信号发生电路，包括两级级联的雪崩三极管组成的雪崩三极管脉冲产生电路，用于由输入的负极性触发脉冲信号触发产生双极性的纳秒平衡脉冲信号；第一整形电路，其前端电性连接至脉冲信号发生电路，用于对纳秒平衡脉冲信号进行整形，产生皮秒脉冲信号；以及第二整形电路，其前端电性连接至第一整形电路，用于对皮秒脉冲信号的拖尾和过冲进行整形。本发明结构简单、电路结构小巧，产生的平衡脉冲波形对称性好、拖尾小、幅度大，可应用于脉冲型超宽带雷达系统中，满足脉冲型雷达系统对不同深度和分辨率的探测需求。
【专利说明】大幅度皮秒平衡脉冲信号发生器

【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子行业电子元器件【技术领域】，尤其涉及一种大幅度皮秒平衡脉冲信 号发生器。

【背景技术】
[0002] 超宽带技术采用极窄的（纳秒级或皮秒级）脉冲信号作为传输载体，不需要进行 信号的调制和解调，直接通过传输极窄的脉冲信号获取信息，具有高数据传输速率、抗多径 衰落能力强、功耗低、带宽高、发射信号功率谱密度低等优点，广泛的应用于无线通信、无线 局域网、雷达定位、跟踪等诸多领域。脉冲信号本身的特性大体上决定了超宽带技术具有上 述这些优点，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致分为两类：一类是采用低功率 CMOS等常规半导体器件来设计生成脉冲信号，该方法电路实现简单。另一类是利用非常规 的半导体器件-各种高速的模拟开关器件，通过其导通与截止状态控制电容充放电形成脉 冲信号。
[0004] 上述两种脉冲产生方式分别存在各自的缺陷。采用低功率CMOS等常规半导体器 件来设计生成脉冲信号的方法，脉冲宽度多为纳秒级，且输出脉冲幅度较低，电路静态功耗 相对较大，重复频率通常不高。利用非常规的半导体器件产生脉冲信号的方法，各种器件单 独产生脉冲信号时，单级雪崩三级管等可以利用雪崩效应产生较大幅度的脉冲信号，但输 出的脉冲宽度通常在纳秒量级，且电路可靠性较低。阶跃恢复二极管利用其阶跃特性，能产 生皮秒级的极窄脉冲，但输出脉冲幅度偏小，很难满足超宽带浅层探地雷达系统的实际应 用需求。


【发明内容】

[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种大幅度皮秒平衡脉冲信号发生器，以克服 现有的脉冲产生电路结构复杂，电压幅度与脉冲宽度不能同时兼顾的窘境。
[0007] (二）技术方案
[0008] 本发明皮秒平衡脉冲信号发生器包括：脉冲信号发生电路，包括两级级联的雪崩 三极管组成的雪崩三极管脉冲产生电路，用于由输入的负极性触发脉冲信号触发产生双极 性的纳秒平衡脉冲信号；第一整形电路，其前端电性连接至脉冲信号发生电路，用于对纳秒 平衡脉冲信号进行整形，产生皮秒脉冲信号；以及第二整形电路，其前端电性连接至第一整 形电路，用于对皮秒脉冲信号的拖尾和过冲进行整形。
[0009] (三）有益效果
[0010] 由以上技术方案可知，本发明大幅度皮秒平衡脉冲信号发生器具有以下有益效 果：
[0011] (1)利用两级级联的雪崩三极管作为一个基础单元电路构建脉冲信号发生电路， 与单极雪崩三极管构成的脉冲产生电路相比，该纳秒脉冲信号发生器产生的脉冲信号幅度 大，脉冲前沿陡峭，电路可靠性高；
[0012] (2)变压器电路中采用变压器构造的并行触发模式，可以同步提供触发脉冲信号， 避免触发脉冲信号间的不同步效应引起的拖尾；
[0013] (3)将雪崩三极管和阶跃恢复二极管结合起来，综合利用雪崩三极管的雪崩特性 和阶跃恢复二极管的阶跃特性等优势，通过调节高压电源的供电电压、雪崩三极管级联的 级数、阶跃恢复二极管偏置电流的大小以及充放电电容的大小，可以调节输出的高斯脉冲 的幅度与脉冲宽度，产生不同频带的脉冲信号。
[0014] 本发明结构简单、电路结构小巧，产生的平衡脉冲波形对称性好、拖尾小、幅度大， 可应用于脉冲型超宽带雷达系统中，满足脉冲型雷达系统对不同深度和分辨率的探测需 求。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 图1为根据本发明实施例大幅度皮秒平衡脉冲信号发生器的结构示意图；
[0016] 图2为图1所示实施例大幅度皮秒平衡脉冲信号发生器的电路图。

【具体实施方式】
[0017] 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】中普通技术人员 所知的形式。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，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的 方向用语，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参考附图的方向。因此，使用的 方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
[0018] 本发明利用两级级联的雪崩三极管作为一个基础单元电路构建纳秒平衡驱动脉 冲信号发生器，变压器电路中采用变压器构造的并行触发模式，同时综合利用雪崩三极管 的雪崩特性和阶跃恢复二极管的阶跃特性等优势，能够产生符合要求的电压幅度与脉冲宽 度。
[0019] 在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种大幅度皮秒平衡脉冲信号发生器。 图1为根据本发明实施例大幅度皮秒平衡脉冲信号发生器的结构示意图。
[0020] 请参照图1，本实施例大幅度皮秒平衡脉冲信号发生器包括：单端触发脉冲信号 产生电路，用于产生正极性触发脉冲信号；触发脉冲信号整形电路，其前端电性连接至单端 触发脉冲信号产生电路，用于对正极性触发脉冲信号进行整形处理；脉冲信号发生电路，其 前端电性连接至触发脉冲信号整形电路，用于利用整形处理后的负极性触发脉冲信号触发 产生纳秒平衡脉冲信号；阶跃恢复二极管（SRD)脉冲整形电路，其前端电性连接至脉冲信 号发生电路，用于利用SRD的阶跃特性对纳秒平衡脉冲信号进行整形，产生皮秒脉冲信号； 肖特基二极管整形电路，其前端电性连接至SRD脉冲整形电路，用于对皮秒脉冲信号的拖 尾和过冲进行整形。
[0021] 图2为图1所示实施例大幅度皮秒平衡脉冲信号发生器的电路图。以下结合图2， 分别对本实施例大幅度皮秒平衡脉冲信号发生器的各个组成部分进行详细说明。
[0022] 1、单端触发脉冲信号产生电路
[0023] 本实施例中，单端触发脉冲信号产生电路为一方波发生器，其产生幅度为5V，脉冲 宽度为l〇〇ns，信号重复频率为200kHz的正极性方波信号。
[0024] 本发明并不以此为限，该触发脉冲信号的幅度可以介于5V?10V之间，脉冲宽度 可以介于30ns?300ns之间，信号重复频率可以介于ΙΟΟΚΗζ?1MHz之间。
[0025] 此外，本发明中也可以不包含该单端触发脉冲信号产生电路，而直接由外界输入 满足上述条件的一触发脉冲信号，同样可以实现本发明。
[0026] 2、触发脉冲信号整形电路
[0027] 请参照图2,触发脉冲信号整形电路包括：射频三极管开关电路，其中，射频三极 管Q1(BFR96)基极连接至正极性触发脉冲信号输入端，发射极连接至地，集电极通过第一 电阻R1连接至电源正极VCC1 (+12V)，整形后的负极性触发脉冲信号由射频三极管Q1的集 电极和发射极输出。
[0028] 该触发脉冲信号整形电路中，射频三极管Q1有快速导通和闭合的功能，可以对触 发脉冲信号进行整形，从而在集电极产生边沿快、相位相反的一负极性触发脉冲信号。
[0029] 本发明并不以此为限，触发脉冲信号整形电路还可以直接由PNP型射频三极管开 关电路替代，去掉后端的变压器电路，在PNP型射频三极管的集电极产生边沿快、相位相反 的一正极性触发脉冲信号，同时提供给第一雪崩三极管Q2和第二雪崩三极管Q3的基极；
[0030] 触发整形电路输出的触发脉冲信号幅度可以介于2V?12V之间，脉冲宽度可以介 于30ns?100ns之间，脉冲重复频率可以介于ΙΟΟΚΗζ?1MHz之间。
[0031] 此外，本发明中也可以不包含该触发脉冲信号整形电路，而直接由外界输入一满 足上述条件的双端触发脉冲信号，同样可以实现本发明。
[0032] 3、脉冲信号发生电路
[0033] 请参照图2,该脉冲信号发生电路包括：变压器电路、雪崩三极管脉冲产生电路、 充放电电路和耦合电路。
[0034] 变压器电路包括：第一变压器T1和第二变压器T2。第一变压器T1，其初级线圈的 非同名端通过第一电容C1连接至负极性触发脉冲信号的输入端，其次级线圈的非同名端 通过第二电阻R2连接至地电极。第二变压器T2,其初级线圈的非同名端连接至第一变压器 T1的初级线圈的同名端，同名端连接至地；次级线圈的非同名端通过第六电阻R6连接至地 电极。
[0035] 雪崩三极管脉冲产生电路包括：第一雪崩三极管Q2和第二雪崩三极管Q3。第一 雪崩三极管Q2,其基极连接至第一变压器T1次级线圈的同名端；其发射极连接至第一变压 器T1次级线圈的非同名端。第二雪崩三极管Q3,其基极连接至第二变压器T2次级线圈的 同名端，其发射极连接至第二变压器T2次级线圈的非同名端。
[0036] 充放电电路包括：第二充放电电容C2和第三充放电电容C3。第二充放电电容C2 的第一端连接至第一变压器T1次级线圈的非同名端，其第二端连接至第二雪崩三极管Q3 的集电极，并通过第五电阻R5连接至高压供电电压HV(取值在200V?300V之间）。第三 充放电电容C3的第一端连接至第一雪崩三极管Q2的集电极，并通过第三电阻R3连接至高 压供电电压HV(取值在200V?300V之间）。
[0037] 稱合电路，包括：第五稱合电容C5、第四稱合电容C4和第六稱合电容C6。第六奉禹 合电容C6的第一端通过第五耦合电容C5连接至第二变压器T2次级线圈的非同名端，并通 过第七电阻R7连接至地，其第二端作为纳秒平衡脉冲信号的正脉冲输出端。第四耦合电容 C4的第一端连接至第三充放电电容C3的第二端，并通过第四电阻R4连接至地，其第二端作 为纳秒平衡脉冲信号的负脉冲输出端。
[0038] 该脉冲信号发生电路中，第一变压器T1和第二变压器T2将整形后的负极性触发 脉冲信号转换为双端触发脉冲信号，为雪崩三极管提供触发脉冲信号。雪崩三极管在整形 触发脉冲信号的作用下快速导通，产生雪崩击穿效应，通过第二充放电电容C2和第三充放 电电容C3的充放电过程，在第一雪崩三极管Q2的集电极和第二雪崩三极管Q3的发射极分 别产生负极性和正极性的纳秒平衡脉冲信号。该纳秒平衡脉冲信号的脉冲前沿由雪崩三极 管的雪崩时间决定，脉冲后沿由第二充放电电容C2、第三充放电电容C3、第三电阻R3和第 五电阻R5的大小决定。
[0039] 4、SRD脉冲整形电路
[0040] 请参照图2，该SRD脉冲整形电路包括：
[0041] 第一绕线电感L1，其第一端连接至脉冲信号发生电路的纳秒平衡脉冲信号的负脉 冲输出端，即第四耦合电容C4的第二端，同时连接至第一肖特基二极管D1的负极端，其第 二端连接至第一阶跃恢复二极管D2的正极端；
[0042] 第二绕线电感L2,其第一端连接至脉冲信号发生电路的纳秒平衡脉冲信号的正脉 冲输出端，即第六耦合电容C6的第二端，同时连接至第二肖特基二极管D4的正极端，其第 二端连接至第二阶跃恢复二极管D5的负极端；
[0043] 第一肖特基二极管D1，其负极端通过第八电阻R8连接至正偏置电压+VCC (+12V)， 其正极端连接至地；
[0044] 第二肖特基二极管D4,其正极端通过第九电阻R9连接至负偏置电压-VEE (-12V)， 其负极端连接至地；
[0045] 第一阶跃恢复二极管D2,其正极端连接至第三肖特基二极管D3的负极端，其负极 端连接至地；
[0046] 第二阶跃恢复二极管D5,其负极端连接至第四肖特基二极管D6的正极端，其正极 端连接至地。
[0047] 该SRD脉冲整形电路中，由于阶跃恢复二极管的阶跃特性以及肖特基二极管的单 向导通特性，雪崩三极管构成的脉冲信号发生电路输出端产生的纳秒级的平衡脉冲信号到 达时，第一阶跃恢复二极管D2、第二阶跃恢复二极管D5处于反向偏置状态，在其内部电荷 被完全抽取完毕后产生电流的阶跃，从而产生电压的阶跃，对输入的脉冲信号进行整形，产 生脉冲宽度更窄的皮秒脉冲信号；同时，第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D4正向 导通，第一绕线电感L1和第二绕线电感L2等效于两段微带短路线，可分别对由第一阶跃恢 复二极管D2、第二阶跃恢复二极管D5整形后的皮秒脉冲信号产生全反射效应，形成与原脉 冲信号极性相反、幅度大小相同的脉冲信号，于是在D2的正极，负的皮秒脉冲信号与其经 过D1的全反射效应产生的正极性的皮秒脉冲信号相叠加，产生脉冲宽度更窄的负极性脉 冲信号；在D5的负极，正的皮秒脉冲信号与其经过D4的全反射效应产生的负极性的皮秒脉 冲信号相叠加，产生脉冲宽度更窄的正极性脉冲信号；
[0048] 第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D4与第一阶跃恢复二极管D2、第二阶跃 恢复二极管D5之间的两段等长的绕线电感的长度L应满足

【权利要求】
1. 一种皮秒平衡脉冲信号发生器，其特征在于，包括： 脉冲信号发生电路，包括两级级联的雪崩三极管组成的雪崩三极管脉冲产生电路，用 于由输入的负极性触发脉冲信号触发产生双极性的纳秒平衡脉冲信号； 第一整形电路，其前端电性连接至所述脉冲信号发生电路，用于对所述纳秒平衡脉冲 信号进行整形，产生皮秒脉冲信号；以及 第二整形电路，其前端电性连接至所述第一整形电路，用于对所述皮秒脉冲信号的拖 尾和过冲进行整形。
2. 根据权利要求1所述的皮秒平衡脉冲信号发生器，其特征在于，所述脉冲信号发生 电路包括：变压器电路、雪崩三极管脉冲产生电路、充放电电路和耦合电路，其中： 变压器电路包括：第一变压器（T1)和第二变压器（T2)，其中：第一变压器（T1)，其初 级线圈的非同名端通过第一电容（C1)连接至负极性触发脉冲信号的输入端，其次级线圈 的非同名端通过第二电阻（R2)连接至地电极；第二变压器（T2)，其初级线圈的非同名端连 接至第一变压器（T1)的初级线圈的同名端，同名端连接至地；次级线圈的非同名端通过第 六电阻（R6)连接至地电极； 雪崩三极管脉冲产生电路包括：第一雪崩三极管（Q2)和第二雪崩三极管（Q3)，其中： 第一雪崩三极管（Q2)，其基极连接至第一变压器（T1)次级线圈的同名端；其发射极连接至 第一变压器（T1)次级线圈的非同名端；第二雪崩三极管（Q3)，其基极连接至第二变压器 (T2)次级线圈的同名端，其发射极连接至第二变压器（T2)次级线圈的非同名端； 充放电电路包括：第二充放电电容（C2)和第三充放电电容（C3)，其中：第二充放电电 容（C2)的第一端连接至第一变压器（T1)次级线圈的非同名端，其第二端连接至第二雪崩 三极管（Q3)的集电极，并通过第五电阻（R5)连接至高压供电电压（HV);第三充放电电容 (C3)的第一端连接至第一雪崩三极管（Q2)的集电极，并通过第三电阻（R3)连接至高压供 电电压（HV); 奉禹合电路，包括：第五f禹合电容（C5)、第四f禹合电容（C4)和第六f禹合电容（C6)，其中： 第六耦合电容（C6)的第一端通过第五耦合电容（C5)连接至第二变压器（T2)次级线圈的 非同名端，并通过第七电阻（R7)连接至地，其第二端作为该脉冲信号发生电路的纳秒平衡 脉冲信号的正脉冲输出端；第四耦合电容（C4)的第一端连接至第三充放电电容（C3)的第 二端，并通过第四电阻（R4)连接至地，其第二端作为该脉冲信号发生电路的纳秒平衡脉冲 信号的负脉冲输出端。
3. 根据权利要求2所述的皮秒平衡脉冲信号发生器，其特征在于，所述脉冲信号发生 电路中： 所述第三电阻（R3)和第五电阻（R5)的阻值相等，介于10kΩ?50kΩ之间； 所述第四电阻（R4)和第七电阻（R7)的阻值相等，介于50 Ω?100 Ω之间； 所述第二充放电电容（C2)和第三充放电电容（C3)的电容值相等，介于50pf?180pf 之间； 所述第四耦合电容（C4)和第六耦合电容（C6)的电容值相等，介于100pF?500pF之 间。
4. 根据权利要求1所述的皮秒平衡脉冲信号发生器，其特征在于，所述第一整形电路 为阶跃恢复二极管脉冲整形电路，包括： 第一绕线电感（LI)，其第一端连接至所述脉冲信号发生电路的纳秒平衡脉冲信号的负 脉冲输出端，并通过第八电阻（R8)连接至正偏置电压（+VCC); 第一肖特基二极管（D1)，其负极端连接至所述第一绕线电感（L1)的第一端，其正极端 连接至地； 第二绕线电感（L2)，其第一端连接至所述脉冲信号发生电路的纳秒平衡脉冲信号的正 脉冲输出端，并通过第九电阻（R9)连接至负偏置电压（-VEE); 第二肖特基二极管（D4)，其正极端连接至所述第二绕线电感（L2)的第一端，其负极端 连接至地； 第一阶跃恢复二极管（D2)，其正极端连接至所述第一绕线电感（L1)的第二端，其负极 端连接至地； 第二阶跃恢复二极管（D5)，其负极端连接至所述第二绕线电感（L2)的第二端，其正极 端接地； 其中，所述第一绕线电感（L1)的第二端作为该阶跃恢复二极管脉冲整形电路的皮秒 脉冲信号的负脉冲输出端；所述第二绕线电感（L2)的第二端作为该阶跃恢复二极管脉冲 整形电路的皮秒脉冲信号的正脉冲输出端。
5. 根据权利要求4所述的皮秒平衡脉冲信号发生器，其特征在于，所述第一绕线电感 (L1)和第二绕线电感（L2)的长度相同，其长度：
其中，τ为阶跃恢复二极管整形后的皮秒脉冲信号与经过相应绕线电感全反射作用后 产生的相反极性的皮秒脉冲信号之间的时间延迟，ε Μ为相应绕线电感等效的微带线基片 的有效介电常数，Q为真空中的光速。
6. 根据权利要求1所述的皮秒平衡脉冲信号发生器，其特征在于，所述第二整形电路 为肖特基二极管整形电路，包括： 第三肖特基二极管（D3)，其负极端连接至所述第一整形电路的皮秒脉冲信号的负脉冲 输出端，其正极端连接至第七耦合电容（C7)的第一端；以及 第四肖特基二极管（D6)，其正极端连接至所述第一整形电路的皮秒脉冲信号的正脉冲 输出端，其负极端连接至第八f禹合电容（C8)的第一端； 其中，所述第七耦合电容（C7)第二端作为所述皮秒平衡脉冲信号发生器的负脉冲输 出端；所述第八耦合电容（C8)第二端作为所述皮秒平衡脉冲信号发生器的正脉冲输出端。
7. 根据权利要求6所述的皮秒平衡脉冲信号发生器，其特征在于，所述第七耦合电容 (C7)和第八耦合电容（C8)的电容值相等，介于50pF?lOOpF之间。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的皮秒平衡脉冲信号发生器，其特征在于，所述 脉冲信号发生电路中输入的负极性触发脉冲信号的幅度介于2V?12V之间，脉冲宽度介于 30ns?100ns之间，脉冲重复频率介于ΙΟΟΚΗζ?1MHz之间。
9. 根据权利要求8所述的皮秒平衡脉冲信号发生器，其特征在于，还包括： 单端触发脉冲信号产生电路，用于产生正极性触发脉冲信号； 触发脉冲信号整形电路，其前端电性连接至所述单端触发脉冲信号产生电路，用于对 所述正极性触发脉冲信号进行整形处理； 其中，所述脉冲信号发生电路的前端连接至所述触发脉冲信号整形电路的后端，用于 由整形处理后的负极性触发脉冲信号触发产生纳秒平衡脉冲信号。
10.根据权利要求9所述的皮秒平衡脉冲信号发生器，其特征在于： 所述单端触发脉冲信号产生电路为一方波发生器；该方波发生器产生幅度为介于 5V?10V之间，脉冲宽度介于30ns?300ns之间，信号重复频率介于ΙΟΟΚΗζ?1MHz之间 的正极性方波信号； 所述触发脉冲信号整形电路包括：射频三极管开关电路，其中，射频三极管（Q1)的基 极连接至正极性触发脉冲信号输入端，发射极连接至地，集电极通过第一电阻（R1)连接至 电源正极（VCC1)，整形后的负极性触发脉冲信号由射频三极管（Q1)的集电极输出。
【文档编号】H03K3/02GK104104362SQ201410315884
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】夏新凡, 刘丽华, 管洪飞, 张群英, 方广有 申请人:中国科学院电子学研究所