本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种高斯类型的超宽带脉冲产生电路。
背景技术：
超宽带技术是一种新型的无线通信技术，它通过频带极宽(高达数吉赫兹)和宽度极窄(亚纳秒级或纳秒级)的脉冲信号作为传输信息的载体，具有传输速率高、抗多径干扰能力强、低截获和低成本等诸多优点，广泛运用于短距离高速无线通信、雷达探测和精确定位等诸多领域。在超宽带通信系统中，脉冲产生器不仅是发射机的核心部件，也是接收机的重要组成单元，产生的脉冲信号的参数直接影响系统的系能指标。因此，超宽带脉冲产生器一直是超宽带技术研究的重要方向之一。
根据美国联邦通信委员会(FCC)的定义，超宽带信号是指在-10dB处绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20％且中心频率大于500MHz的信号。超宽带信号在时域表现为持续时间极短的脉冲，通常只有几百皮秒或几百纳秒。超宽带脉冲常由具有高速开关特性的半导体器件和传输线产生。常用于产生超宽带脉冲的器件有隧道二极管、阶跃恢复二极管、雪崩三极管和光导开关等，其中，隧道二极管和阶跃恢复二极管所产生的脉冲上升时间可达几十到几百皮秒，但其幅度很小，只有几十到几百毫伏。基于火花隙的光导开关能产生千伏以上的脉冲，但产生的脉冲重复频率太低，而且工作时需要几百至几千伏的电源电压，体积庞大，不利于小型化的设计要求。采用非线性传输线也能产生皮秒量级的极窄脉冲信号，但是其对工艺要求很高，成本昂贵，限制了其使用范围。雪崩三极管能产生纳秒级的脉冲，可触发频率高，幅度可达几十伏，电路实现简单，能满足一般收发系统的技术要求，较为实用，因此被经常用于超宽带脉冲产生器的设计。但是，现有的基于雪崩三极管的脉冲产生电路要求电源电压较高，不利于设备的小型化和移动便携，并且，一般的基于雪崩三极管的脉冲产生电路只能直接产生高斯脉冲，而高斯脉冲含有直流分量和较多低频分量，不适合天线发射，所以还需要添加额外的脉冲整形电路将产生的高斯脉冲进行微分和滤波，以得到适合天线发射的高阶高斯脉冲或其他波形，而且传统的脉冲产生电路功率较小，产生的脉冲幅度较低，往往需要添加额外的宽带放大器，这些均增加了电路的复杂度和成本。
综上所述，现有的超宽带脉冲产生电路具有对电源电压要求高、脉冲波形不适合天线发射、脉冲幅度低以及复杂度和成本较高等缺陷。
技术实现要素：
基于此，有必要针对现有的脉冲产生电路产生的脉冲信号不适合电线的发射以及电路的复杂度和成本较高的技术问题，提供一种超宽带脉冲产生电路。
一种超宽带脉冲产生电路，包括：微分电路、高速开关电路、脉冲产生电路和电压偏置电路；
所述微分电路、高速开关电路和脉冲产生电路依次连接，所述电压偏置电路分别与所述高速开关电路和脉冲产生电路连接；
所述微分电路接收外部输入的数字方波信号，并将所述数字方波信号转换为宽度为纳秒级的尖脉冲信号；
所述高速开关电路接收所述高压偏置电路提供的电压，并处于临界雪崩状态；以及在所述尖脉冲信号的驱动下由临界雪崩状态转为雪崩导通状态；
所述脉冲产生电路在所述高速开关电路导通时产生负向脉冲，并在所述脉冲产生电路放电时产生正向脉冲，根据所述负向脉冲和正向脉冲产生超宽带脉冲信号。
上述超宽带脉冲产生电路，通过微分电路将外部输入的数字方波信号转换为宽度为纳米级的尖脉冲信号，高速开关电路在所述尖脉冲信号的驱动下由临界雪崩状态转为雪崩导通状态，所述脉冲产生电路根据在所述高速开关电路导通时产生的负向脉冲和正向脉冲，直接产生超宽带脉冲信号。通过上述技术方案产生的脉冲信号不含直流分量，更适合于天线的发射；再者，不同于传统的脉冲产生电路需要外加脉冲整形电路，本申请的超宽带脉冲产生电路可以直接产生超宽带脉冲信号，降低了电路的复杂度和成本。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的超宽带脉冲产生电路的结构示意图；
图2为本发明的另一个实施例的超宽带脉冲产生电路的电路原理图；
图3是对本发明的另一个实施例的超宽带脉冲产生电路的产生的脉冲信号进行仿真的波形图；
图4是对本发明的另一个实施例的超宽带脉冲产生电路的产生的脉冲信号进行实测的波形图。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。
如图1所示，图1为本发明的一个实施例的超宽带脉冲产生电路的结构示意图，包括：微分电路101、高速开关电路102、脉冲产生电路103和电压偏置电路104；
所述微分电路101、高速开关电路102和脉冲产生电路103依次连接，所述电压偏置电路104分别与所述高速开关电路102和脉冲产生电路103连接；
所述微分电路101，用于接收外部输入的数字方波信号，并将所述数字方波信号转换为宽度为纳秒级的尖脉冲信号；
所述高速开关电路102，用于接收所述高压偏置电路104提供的电压，并处于临界雪崩状态；以及在所述尖脉冲信号的驱动下由临界雪崩状态转为雪崩导通状态；
所述脉冲产生电路103，用于在所述高速开关电路103导通时产生负向脉冲，并在所述脉冲产生电路放电时产生正向脉冲，根据所述负向脉冲和正向脉冲产生超宽带脉冲信号。
上述超宽带脉冲产生电路，通过微分电路将外部输入的数字方波信号转换为宽度为纳米级的尖脉冲信号，高速开关电路在所述尖脉冲信号的驱动下由临界雪崩状态转为雪崩导通状态，所述脉冲产生电路根据在所述高速开关电路导通时产生的负向脉冲和正向脉冲，直接产生超宽带脉冲信号。通过上述技术方案产生的脉冲信号不含直流分量，更适合于天线的发射；再者，不同于传统的脉冲产生电路需要外加脉冲整形电路，本申请的超宽带脉冲产生电路可以直接产生超宽带脉冲信号，降低了电路的复杂度和成本。
在其中一个实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路，所述微分电路101包括：第一RC微分电路和第二RC微分电路；
所述第一RC微分电路和第二RC微分电路的输出端分别与所述高速开关电路102连接。
在其中一个实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路，所述第一RC微分电路将输入的第一数字方波信号转换为第一尖脉冲信号，并传输至高速开关电路102；
所述第二RC微分电路将输入的第二数字方波信号转换为第二尖脉冲信号，并传输至高速开关电路102。
在上述实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路的微分电路将外部输入的数字方波信号转换为宽度为纳米级的尖脉冲信号，为下一级的高速开关电路102提供触发信号。在实际应用中，尖脉冲信号的宽度由时间常数τ＝R×C决定，尖脉冲信号的宽度决定了高速开关电路102的导通时间，一般取1ns。
在其中一个实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路，所述高速开关电路102包括：第一雪崩三极管和第二雪崩三极管；
所述第一雪崩三极管和第二雪崩三极管分别与所述脉冲产生电路连接。
在其中一个实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路，所述第一雪崩三极管接收所述第一尖脉冲信号，并在所述第一尖脉冲信号的驱动下由临界雪崩状态转为雪崩导通状态；
所述第二雪崩三极管接收所述第二尖脉冲信号，并在所述第一尖脉冲信号的驱动下由临界雪崩状态转为雪崩导通状态。
在上述实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路的高速开关电路102由第一雪崩三极管和第二雪崩三极管并联组成，在没有数字信号输入时，这两个雪崩三极管均处于截止状态，它们在微分电路产生的尖脉冲信号的驱动下雪崩导通，从而促使下一级的脉冲产生电路103产生超宽带脉冲信号。
在上述实施例中，通过采用两个雪崩三极管并联的方式，使得雪崩导通时，流经负载电阻的电流比单个三极管的电路增加一倍，从而使产生的脉冲幅度增加一倍，提高了输出脉冲的功率，不需要外加宽带放大器，降低了电路的复杂度和成本。
在其中一个实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路，所述脉冲产生电路103包括：第一储能电容、第二储能电容、储能电感和负载电阻；
所述第一储能电容与所述第一雪崩三极管的集电极相连，所述第二储能电容与所述第二雪崩三极管的集电极相连；所述储能电感并联在所述负载电阻的两端；
当所述第一雪崩三极管和所述第二雪崩三极管同时处于导通状态时，所述第一储能电容与所述第一雪崩三极管和所述负载电阻构成第一放电回路，产生第一放电电流，所述第二储能电容与所述第二雪崩三极管和所述负载电阻构成第二放电回路，产生第二放电电流；
所述第一放电电流和第二放电电流同时加载在所述负载电阻上，并形成负向脉冲。
在其中一个实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路，所述脉冲产生电路还用于；
当所述第一储能电容和第二储能电容的电荷量减少时，所述第一放电电流和第二放电电流开始减小，所述储能电感开始对所述负载电阻放电，使通过所述负载电阻的电流反向，并在所述负载电阻上形成正向脉冲。
在上述负向脉冲和正向脉冲的作用下，所述脉冲产生电路的输出端形成超宽带脉冲信号。由于产生的超宽带脉冲信号近似一阶微分高斯信号，可将所产生的超宽带脉冲信号称为一阶微分高斯超宽带脉冲信号。
在上述实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路中的脉冲产生电路的负载电阻两端并联储能电感，利用储能电感的储能作用，直接一次性产生一阶微分高斯超宽带脉冲信号，不需外加微分电路和滤波电路，减少了电路的复杂度和成本；另外，本发明的超宽带脉冲产生电路中的脉冲产生电路采用双管结构设计，使得输出的脉冲信号的幅度比单管结构更大，可达4.3V，提高了信号功率，不需要外加宽带放大器即可满足发射功率要求，减少了电路的复杂度和成本。
在其中一个实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路，所述电压偏置电路104包括：第一偏置电路和第二偏置电路；
所述第一偏置电路包括第一直流电源、第一电感和第一电阻，并与所述第一雪崩三极管的集电极相连；
所述第二偏置电路包括第二直流电源、第二电感和第二电阻，并与所述第二雪崩三极管的集电极相连。
在其中一个实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路，当没有数字信号输入时，所述第一直流电源通过第一电压偏置电路对所述第一储能电容进行充电；所述第二直流电源通过所述第二偏置电路对所述第二储能电容进行充电。
在上述实施例中，当电路处于静态时，所述第一雪崩三极管和第二雪崩三极管截止，高压偏置电路使所述雪崩三极管处于临界雪崩的状态，并分别对脉冲产生电路的第一储能电容和第二储能电容进行充电，由于第一电感和第二电感的储能作用，会使第一储能电容和第二储能电容两端的电压超过电源电压，从而储存更多的电荷，使放电电流更大，产生更大幅度的脉冲，因此可以降低对电源电压的要求。
在上述实施例中，当没有数字信号输入，电路处于静态时，第一电压偏置电路通过第一直流电源对第一储能电容进行充电，第二电压偏置电路通过第二直流电源对第二储能电容进行充电，由于第一电感和第二电感的储能作用，使第一储能电容和第一储能电容两端的电压超过电源电压，当第一雪崩三极管开关电路和第二雪崩三极管雪崩同时导通时，第一储能电容和第二储能电容分别通过第一雪崩三极管和第二雪崩三极管快速放电，二者的放电电流均会流经储能电感和负载电阻，从而在负载电阻上产生一个负向的窄脉冲，由于第一储能电容和第二储能电容很小，储存的电荷量很少，很快放电电流开始减小，此时由于储能电感的储能作用，所述储能电感开始对负载电阻放电，使所述负载电阻的电流反向，从而产生一个正向的窄脉冲，两个脉冲合在一起形成近似一阶微分高斯超宽带脉冲信号。
通过上述方式获得的超宽带脉冲信号由于不含直流分量，更适合天线的发射；其次，脉冲产生电路的负载电阻两端并联储能电感，利用储能电感的储能作用，直接一次性产生一阶微分高斯超宽带脉冲信号，不需外加微分电路和滤波电路，减少了电路的复杂度和成本；再者，脉冲产生电路采用双管结构设计，使得输出的脉冲信号的幅度比单管结构更大，可达4.3V，提高了信号功率，不需要外加宽带放大器即可满足发射功率要求，减少了电路的复杂度和成本；最后，由于电压偏置电路中电感的储能作用，在对储能电容进行充电时，会使储能电容两端的电压超过电源电压，在保证相同的输出信号幅度的条件下，可以储存更多的电荷，使放电电流更大，产生更大幅度的脉冲，因此可以降低对电源电压的要求。
如图2所示，图2为本发明的另一个实施例的超宽带脉冲产生电路的电路原理图，包括微分电路、高速开关电路、脉冲产生电路和电压偏置电路；
所述微分电路包括第一RC微分电路1011和第二RC微分电路；其中，所述第一RC微分电路1011由R1和C1串联组成，所述第二RC微分电路1012由R2和C2串联组成，两组RC微分电路将输入的数字方波信号转换成宽度为纳秒级的两组尖脉冲信号，为下一级的高速开关电路提供触发信号。在实际应用中，尖脉冲信号的宽度由时间常数τ＝R×C决定，尖脉冲信号的宽度决定了高速开关电路102的导通时间，一般取1ns一下。
所述高速开关电路由第一雪崩三极管Q1和第二雪崩三极管Q2并联组成。在没有数字信号输入时，Q1和Q2均处于截止状态；在由数字信号输入时，第一雪崩三极管Q1接收由第一RC微分电路产生的第一尖脉冲信号，并在所述第一尖脉冲信号的驱动下由临界雪崩状态转为雪崩导通状态；所述第二雪崩三极管Q2接收由第二RC微分电路产生的第二尖脉冲信号，并在所述第二尖脉冲信号的驱动下由临界雪崩状态转为雪崩导通状态，从而促使下一级的脉冲产生电路产生近似一阶微分高斯超宽带脉冲信号。
在本实施例中，通过采用两个雪崩三极管并联的方式，使得雪崩导通时，流经负载电阻的电流比单个三极管的电路增加一倍，从而使产生的脉冲幅度增加一倍，提高了输出脉冲的功率，不需要外加宽带放大器，降低了电路的复杂度和成本。
在其中一个实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路，所述脉冲产生电路包括：第一储能电容C1、第一储能电容C2、储能电感L和负载电阻R，第一储能电容C1与第一雪崩三极管Q1的集电极相连，第二储能电容C2与第二雪崩三极管Q2的集电极相连，储能电感L并联在负载电阻R的两端。
在其中一个实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路，所述脉冲产生电路还用于；
当第一雪崩三极管Q1和第二雪崩三极管Q2同时处于导通状态时，第一储能电容C1与第一雪崩三极管Q1和负载电阻R构成第一放电回路，产生第一放电电流，第二储能电容C2与第二雪崩三极管Q2和负载电阻R构成第二放电回路，产生第二放电电流，所述第一放电电流和第二放电电流同时加载在所述负载电阻R上，并形成负向脉冲。
当所述第一储能电容C1和第二储能电容C2的电荷量减少时，所述第一放电电流和第二放电电流开始减小，所述储能电感L开始对所述负载电阻R放电，使通过所述负载电阻R的电流反向，并在所述负载电阻R上形成正向脉冲，在所述负向脉冲和正向脉冲的作用下，所述脉冲产生电路的输出端形成超宽带脉冲信号。
在其中一个实施例中，本发明的超宽带脉冲产生电路，所述电压偏置电路包括：第一偏置电路1041和第二偏置电路1042；其中，所述第一偏置电路1041包括第一直流电源V1、第一电感L1和第一电阻R3，并与所述第一雪崩三极管Q1的集电极相连；所述第二偏置电路1042包括第二直流电源V2、第二电感L2和第二电阻R4，并与所述第二雪崩三极管Q2的集电极相连。
在实际应用中，当没有数字信号输入时，第一雪崩三极管Q1和第二雪崩三极管Q2截止，第一直流电源V1通过第一电压偏置电路1041对所述第一储能电容C1进行充电；第二直流电源V2通过所述第二偏置电路1042对所述第二储能电容C2进行充电，第一高压偏置电路1041使第一雪崩三极管Q1处于临界雪崩的状态，第二高压偏置电路1042使第二雪崩三极管Q2处于临界雪崩的状态，由于第一电感L1和第二电感L2的储能作用，会使第一储能电容C1和第二储能电容C2两端的电压超过电源电压，从而储存更多的电荷，使放电电流更大，产生更大幅度的脉冲，因此可以降低对电源电压的要求。
当第一雪崩三极管Q1和第二雪崩三极管Q2同时雪崩导通时，第一储能电容C1和第二储能电容C2分别通过第一雪崩三极管Q1和第二雪崩三极管Q2快速放电，二者的放电电流均会流经储能电感L和负载电阻R，从而在负载电阻R上产生一个负向的窄脉冲，由于第一储能电容C1和第二储能电容C2很小，储存的电荷量很少，很快放电电流开始减小，此时由于储能电感L的储能作用，储能电感L开始对负载电阻R放电，使负载电阻R的电流反向，从而产生一个正向的窄脉冲，两个脉冲合在一起形成近似一阶微分高斯超宽带脉冲信号。
通过上述方式获得的超宽带脉冲信号由于不含直流分量，更适合天线的发射；其次，脉冲产生电路的负载电阻两端并联储能电感，利用储能电感的储能作用，直接一次性产生一阶微分高斯超宽带脉冲信号，不需外加微分电路和滤波电路，减少了电路的复杂度和成本；再者，脉冲产生电路采用双管结构设计，使得输出的脉冲信号的幅度比单管结构更大，可达4.3V，提高了信号功率，不需要外加宽带放大器即可满足发射功率要求，减少了电路的复杂度和成本；最后，由于电压偏置电路中电感的储能作用，在对储能电容进行充电时，会使储能电容两端的电压超过电源电压，在保证相同的输出信号幅度的条件下，可以储存更多的电荷，使放电电流更大，产生更大幅度的脉冲，因此可以降低对电源电压的要求。
如图3所示，图3是对本发明的另一个实施例的超宽带脉冲产生电路的产生的脉冲信号进行仿真的波形图，其中，图中的横坐标表示脉冲信号的宽度，单位是ns，纵坐标表示脉冲信号的电压幅值，单位为V。
采用PspiceA/D对产生的脉冲信号进行仿真，其中，输入信号是50MHz的方波信号，图中显示的脉冲峰值约为23.7V，脉冲宽度约为1.1ns。根据上述仿真波形图可以得知，利用本发明的超宽带脉冲产生电路产生的脉冲信号幅度较高，脉冲宽度为纳秒级，可以作为超宽带脉冲使用。
如图4所示，图4是对本发明的另一个实施例的超宽带脉冲产生电路的产生的脉冲信号进行实测的波形图，使用Agilent示波器DSO90804A观测波形，其中，输入信号是25MHz的方波信号，图中脉冲峰峰值约为4.3V，脉冲宽度约为1.5ns。由测试结果可知，本发明的超宽带脉冲产生电路所产生的脉冲信号幅度较大，脉冲重复频率较高，脉冲宽度较窄，能够满足超宽带收发系统的性能要求，如：短距离无线通信和室内定位等，电路实现简单实用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。