大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的制作方法

本发明属于电子行业电子元器件技术领域，具体涉及一种大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器。

背景技术：

超宽带技术采用纳秒级或皮秒级的冲激脉冲作为载体传输信息，具有带宽高、功耗低、抗多径衰落能力强、隐蔽性能好等优点，可广泛的应用于无线电通信、超宽带雷达系统探测、定位与跟踪等领域。为了实现较大距离探测，要求发射的脉冲信号具有较大的瞬时功率，即要求脉冲幅度较大，同时为了满足超宽频带探测需求，需要脉冲宽度窄、重频高，因此，如何产生大幅度高重频的窄脉冲信号是超宽带雷达系统设计的关键技术。

现有技术中，采用常规cmos器件设计生成脉冲信号，这种脉冲信号输出方法，具有以下不足：其输出脉冲幅度较低，输出脉冲信号重复频率也受器件限制通常不高，因此，难以满足超宽带雷达系统的实际探测应用需求。

技术实现要素：

为了突破常规脉冲产生信号的性能制约，本发明提供一种大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器，包括：

单极性脉冲信号产生电路，包括两级串并级联设计的具备雪崩效应的三极管组成的三极管脉冲产生电路，用于由输入的双极性触发脉冲信号触发产生大幅度高重频纳秒负极性脉冲信号；

平衡脉冲产生电路，其前端电性连接至单极性脉冲信号产生电路，用于将所述大幅度高重频纳秒负极性脉冲信号转换为平衡脉冲信号，产生大幅度高重频纳秒级平衡脉冲信号。

优选的，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；

双极性触发脉冲信号产生电路，其前端电性连接至单端触发脉冲信号产生电路，用于对所述正极性触发脉冲信号进行整形和处理，产生所述双极性触发脉冲信号；所述双极性触发脉冲信号产生电路的后端与所述单极性脉冲信号产生电路连接，用于向所述单极性脉冲信号产生电路输入双极性触发脉冲信号。

优选的，所述单端触发脉冲信号产生电路为方波脉冲信号发生器。

优选的，所述双极性触发脉冲信号产生电路为变压器耦合电路，包括：第一变压器(t1)、第一耦合电容(c1)和第一电阻(r1)；

其中，所述第一变压器(t1)，其初级线圈的同名端依次通过串联的第一耦合电容(c1)和第一电阻(r1)后，连接至所述单端触发脉冲信号产生电路的输出端；第一电阻(r1)和第一耦合电容(c1)对所述单端触发脉冲信号产生电路产生的正极性触发脉冲信号进行限流微分整形变换后，产生窄脉冲触发信号；所述第一变压器(t1)将该窄脉冲触发信号进行耦合转换，所述第一变压器(t1)的次级线圈输出所述双极性触发脉冲信号；其中，次级线圈的同名端输出正极性触发脉冲信号；次级线圈的非同名端输出负极性触发脉冲信号。

优选的，所述单极性脉冲信号产生电路包括：第一三极管(q1)、第二三极管(q2)、第三三极管(q3)、第四三极管(q4)、第二耦合电容(c2)、第三耦合电容(c3)、第四耦合电容(c4)、第五耦合电容(c5)、第六耦合电容(c6)、第七耦合电容(c7)、第二电阻(r2)、第三电阻(r3)、第四电阻(r4)、第五电阻(r5)、第六电阻(r6)、第七电阻(r7)、第八电阻(r8)、第九电阻(r9)、第十电阻(r10)、第十一电阻(r11)和第十二电阻(r12)；

其中，第一三极管(q1)，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，并通过第五电阻(r5)连接至地；其集电极通过第四电阻(r4)连接至第二三极管(q2)的发射极，并通过第五耦合电容(c5)连接至地；

第二三极管(q2)，其集电极连接至高压供电电压(hv)，并通过第四耦合电容(c4)连接至地；其基极通过第二电阻(r2)连接至高压供电电压(hv)，并通过第三电阻(r3)连接至地；

第二耦合电容(c2)，其第一端连接至第一三极管(q1)的发射极，其第二端连接至第六电阻(r6)的第一端；第六电阻(r6)的第二端连接至第七电阻(r7)的第一端，第七电阻(r7)的第二端连接至地；在第六电阻(r6)到第七电阻(r7)的线路上，引出一条线连接至第八电阻(r8)的第一端；其中，第二耦合电容(c2)第二端作为单极性脉冲信号产生电路的第一级级联电路的正脉冲输出端；

第三三极管(q3)，其基极连接至第八电阻(r8)的第二端；其发射极连接至地；其集电极通过第十一电阻(r11)连接至第四三极管(q4)的发射极，并通过第七耦合电容(c7)连接到地；

第四三极管(q4)，其集电极连接至高压供电电压(hv)；其基极通过第九电阻(r9)连接至高压供电电压(hv)，并通过第十电阻(r10)和第六耦合电容(c6)并联接地；

第三耦合电容(c3)，其第一端通过第十二电阻(r12)连接至第三三极管(q3)的集电极，第三耦合电容(c3)的第二端作为该大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的单极性脉冲信号产生电路的纳秒负脉冲输出端。

优选的，所述平衡脉冲产生电路包括：第二变压器(t2)、第十三电阻(r13)和第十四电阻(r14)；

其中，第二变压器(t2)，其初级线圈的同名端连接至该大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的单极性脉冲信号产生电路的纳秒负脉冲输出端，非同名端连接至地；其次级线圈的同名端连接至第十三电阻(r13)的第一端，其次级线圈的非同名端连接至第十四电阻(r14)的第一端，其次级线圈的中间抽头连接至地；其中，所述第十三电阻(r13)第二端作为大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的负脉冲输出端；所述第十四电阻(r14)第二端作为大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的正脉冲输出端。

本发明提供的大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器具有以下优点：

(1)利用两级串、并级联设计的具备雪崩效应的三极管作为一个基础单元电路构建脉冲信号发生电路，与单极具备雪崩效应的三极管构成的脉冲产生电路相比，该大幅度高重频纳秒平衡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；

(2)平衡脉冲产生电路中，采用宽带变压器设计，可以将单脉冲信号转换为同步输出的平衡脉冲，避免输出平衡脉冲的幅度、相位差异，并通过串联匹配电阻有效的抑制拖尾、吸收振荡；

(3)综合利用三极管的雪崩特性等优势，通过调节高压电源的供电电压、三极管级联的级数以及充放电电容的大小，可以调节输出脉冲的幅度、脉冲宽度以及重频，产生不同需求的脉冲信号。

本发明提供的大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器，设计新颖，电路结构简单，产生的纳秒级平衡脉冲信号波形对称性好、振铃水平低、幅度大、重频高、拖尾振荡小，可应用于脉冲型超宽带雷达系统中，提高探测质量、确保较大的探测距离。

附图说明

图1为本发明提供的大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的原理图；

图2为本发明提供的大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的电路图。

具体实施方式

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。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。

利用三极管的雪崩效应可以获得大幅度的脉冲信号，且级联形式可以提高输出脉冲信号幅度，基于此，本发明采用具备雪崩效应的三极管级联电路获取大幅度高重频纳秒级脉冲信号，以克服现有的脉冲产生电路结构复杂，电压幅度与重频不能同时兼顾的窘境，本发明可广泛的应用于探地雷达、生命探测雷达等系统的实际工程应用中。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器。图1为根据本发明实施例大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的结构示意图。

请参照图1，本实施例提供的大幅度高重频纳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；

双极性触发脉冲信号产生电路，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和极性变换处理，产生双极性触发脉冲信号；

单极性脉冲信号产生电路：包括两级串、并级联设计的具备雪崩效应的三极管组成的三极管脉冲产生电路，其前端电性连接至双极性触发脉冲信号产生电路，用于在双极性触发脉冲信号产生电路激励下产生大幅度高重频纳秒负极性脉冲信号；

平衡脉冲产生电路，其前端电性连接至单极性脉冲信号产生电路，用于将大幅度高重频纳秒负极性脉冲信号转换为平衡脉冲信号，产生大幅度高重频纳秒级平衡脉冲信号。

图2为图1所示实施例大幅度高重频纳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高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的各个组成部分进行详细说明。

1、单端触发脉冲信号产生电路

本实施例中，单端触发脉冲信号产生电路为一脉冲信号发生器，其产生幅度为5v，脉冲宽度为100ns，信号重复频率为200khz的正极性脉冲信号。

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～500ns之间，信号重复频率可以介于10khz～500khz之间。

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触发脉冲信号，同样可以实现本发明。

2、双极性触发脉冲信号产生电路

请参照图2，双极性触发脉冲信号产生电路为变压器耦合电路，包括：第一变压器t1、第一耦合电容c1和第一电阻r1；

其中，第一变压器t1，其初级线圈的同名端依次通过串联的第一耦合电容c1和第一电阻r1后，连接至单端触发脉冲信号产生电路的输出端；第一电阻r1和第一耦合电容c1对单端触发脉冲信号产生电路产生的正极性触发脉冲信号进行限流微分整形变换后，产生窄脉冲触发信号；第一变压器t1将该窄脉冲触发信号进行耦合转换，第一变压器t1的次级线圈输出双极性触发脉冲信号；其中，次级线圈的同名端输出正极性触发脉冲信号；次级线圈的非同名端输出负极性触发脉冲信号。

该双极性触发脉冲信号产生电路中，正极性触发脉冲信号通过串联的第一电阻r1、第一耦合电容c1限流微分整形变换后，产生窄脉冲触发信号，第一变压器t1将该窄脉冲触发信号耦合转换，在第一变压器t1的次级产生双极性窄脉冲触发信号。

本发明并不以此为限，双极性触发脉冲信号产生电路还可以直接由npn、pnp型射频三极管开关电路替代，通过射频三极管的开关特性产生边沿快、相位相反的一对双极性触发脉冲信号，同时提供给第一三极管q1的基极和发射极。

双极性触发脉冲信号产生电路输出的触发脉冲信号电位差可以介于2v～12v之间，脉冲宽度可以介于5ns～500ns之间，脉冲重复频率可以介于10khz～500khz之间。

此外，本发明中也可以不包含该双极性触发脉冲信号产生电路，而直接由外界输入一个满足上述条件的双极性触发脉冲信号，同样可以实现本发明。

3、单极性脉冲信号产生电路

请参照图2，单极性脉冲信号产生电路包括：第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3、第四三极管q4、第二耦合电容c2、第三耦合电容c3、第四耦合电容c4、第五耦合电容c5、第六耦合电容c6、第七耦合电容c7、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11和第十二电阻r12；

其中，第一三极管q1，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，并通过第五电阻r5连接至地；其集电极通过第四电阻r4连接至第二三极管q2的发射极，并通过第五耦合电容c5连接至地；

第二三极管q2，其集电极连接至高压供电电压hv，并通过第四耦合电容c4连接至地；其基极通过第二电阻r2连接至高压供电电压hv，并通过第三电阻r3连接至地；

第二耦合电容c2，其第一端连接至第一三极管q1的发射极，其第二端连接至第六电阻r6的第一端；第六电阻r6的第二端连接至第七电阻r7的第一端，第七电阻r7的第二端连接至地；在第六电阻r6到第七电阻r7的线路上，引出一条线连接至第八电阻r8的第一端；其中，第二耦合电容c2第二端作为单极性脉冲信号产生电路的第一级级联电路的正脉冲输出端；

第三三极管q3，其基极连接至第八电阻r8的第二端；其发射极连接至地；其集电极通过第十一电阻r11连接至第四三极管q4的发射极，并通过第七耦合电容c7连接到地；

第四三极管q4，其集电极连接至高压供电电压hv；其基极通过第九电阻r9连接至高压供电电压hv，并通过第十电阻r10和第六耦合电容c6并联接地；

第三耦合电容c3，其第一端通过第十二电阻r12连接至第三三极管q3的集电极，第三耦合电容c3的第二端作为该大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的单极性脉冲信号产生电路的纳秒负脉冲输出端。

该单极性脉冲信号产生电路中，上下串联的第一三极管q1、第二三极管q2在双极性触发脉冲信号的作用下快速导通，产生雪崩击穿效应，在第一三极管q1的发射极通过第二耦合电容c2，耦合输出正极性快沿脉冲信号；在第一级上下串联的具有雪崩效应的三极管级联电路输出信号的激励下，第二级上下串联第三三极管q3、第四三极管q4随之快速导通，产生雪崩击穿效应，在第三三极管q3的集电极通过第三耦合电容c3，输出负极性快沿高压脉冲信号。

第一三极管q1的发射极产生正极性脉冲信号，第三三极管q3的集电极产生负极性的纳秒脉冲信号。该纳秒脉冲信号的脉冲前沿主要由三极管的雪崩导通时间决定，脉冲宽度主要由第二耦合电容c2、第三耦合电容c3、第六电阻r6和第七电阻r7的大小决定。高压供电电压hv根据选用的三极管的耐压选定。

4、平衡脉冲产生电路

请参照图2，平衡脉冲产生电路包括：第二变压器t2、第十三电阻r13和第十四电阻r14；

其中，第二变压器t2，其初级线圈的同名端连接至该大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的单极性脉冲信号产生电路的纳秒负脉冲输出端，非同名端连接至地；其次级线圈的同名端连接至第十三电阻r13的第一端，其次级线圈的非同名端连接至第十四电阻r14的第一端，其次级线圈的中间抽头连接至地；其中，第十三电阻r13第二端作为大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的负脉冲输出端；第十四电阻r14第二端作为大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的正脉冲输出端。

该平衡脉冲产生电路中，宽带变压器对产生的脉冲信号进行整形变换，串入匹配电阻有效的抑制信号过冲、吸收振荡，得到拖尾小、波形好的平衡高斯脉冲信号。

大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的工作方法，其改变高压供电电压、第二耦合电容c2、第三耦合电容c3、第六电阻r6和第七电阻r7的大小，以及级联三极管的数量，可以调节输出脉冲的宽度和幅度，实现脉冲可调性。

下面介绍大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器的工作过程：

步骤一、当触发脉冲信号处于低电平状态时，第一变压器t1次级线圈输出信号为低电平，第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3、第四三极管q4均处于截止状态；

步骤二、当触发脉冲信号处于高电平时，第一变压器t1次级线圈同名端与非同名端之间耦合出电位差为正的双极性窄脉冲触发信号，第一三极管q1快速触发导通，第二三极管q2过压雪崩击穿，在其发射极产生一个前沿快的正极性脉冲信号；

步骤三、在第一三极管q1、第二三极管q2输出的正极性脉冲信号到来后，同理，第三三极管q3快速触发导通，第四三极管q4产生过压雪崩击穿效应，形成雪崩电流，在第三三极管q3的集电极形成负极性纳秒脉冲信号，通过第三耦合电容c3耦合输出；

步骤四、该负极性纳秒脉冲信号经过平衡脉冲产生电路的整形、极性变换、阻抗匹配后，产生拖尾较小的大幅度高重频平衡纳秒脉冲信号。

步骤五、选择合适的具有雪崩效应的第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3、第四三极管q4，根据三极管的耐压，选择合适的高压供电hv，调节第二耦合电容c2、第三耦合电容c3、第六电阻r6和第七电阻r7的取值大小，可以调节输出的大幅度纳秒平衡脉冲信号的脉冲宽度和电压幅度。高压供电hv越大，则脉冲宽度越大；第二耦合电容c2、第三耦合电容c3取值越大，则脉冲宽度越大，电压幅度也越大。本领域技术人员可以根据选取三极管的型号选取合适的阻值。第二耦合电容c2的取值为100pf～1nf，第三耦合电容c3的取值为30pf～100pf，第六电阻r6的取值为100ω～500ω，第七电阻r7的电阻取10ω～100ω。第四耦合电容c4和第六耦合电容c6的电容相等，取100pf～500pf。变压器t2的选择与产生的脉冲信号带宽匹配的宽带变压器。第十三电阻r13和第十四电阻r14的电阻值调节振铃水平，介于10～20欧姆之间。

实际测试表明，本实施例产生的大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号，脉冲重复频率10khz～500khz可调，前沿陡峭，后沿偏缓，前沿为1～2ns，脉冲宽度为5～15ns，输出电压幅度为±20v～±50v，输出正负极性波形对称性好，拖尾小，适合超宽带系统的应用。

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大幅度高重频纳秒平衡脉冲信号发生器有了清楚的认识。

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改或替换，例如：

(1)本实施例中，触发脉冲信号产生电路也可以由fpga芯片产生，便于系统集成；

(2)双极性触发脉冲信号产生电路还可以直接由npn、pnp型射频三极管开关电路替代，通过射频三极管的开关特性产生前沿快、相位相反的一对双极性触发脉冲信号，同时提供给第一三极管q1的基极和发射极；

(3)本实施例中，第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3、第四三极管q4均为具备雪崩效应的三极管，可以直接选用雪崩三极管；

(4)根据产生信号的带宽要求，选择带宽匹配的宽带变压器，或选择磁芯自行绕制。

综上所述，本发明采用具备雪崩效应的三极管器件，充分利用三极管的雪崩击穿特性，结合其优点，设计了重频、幅度、前沿、底宽可调的大幅度纳秒平衡脉冲信号发生器。通过调节高压电源的供电电压、三极管的选型、三极管级联的级数、以及电容等参数的大小调节，可以调节输出的脉冲的幅度与脉冲宽度等特性参数，产生不同带宽的平衡脉冲信号，从而适用于不同频带的脉冲型超宽带雷达系统的应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。