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皮秒级超宽带脉冲发生器的设计

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0. 引言


超宽带技术是一种全新的通信技术,它不需要使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收纳秒或纳秒以下的极窄脉冲来传输数据。超宽带技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获与检测的概率低、系统的复杂程度低、定位精度高等优点,非常适用与室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。


超宽带技术实现的关键之一是如何设计并产生可以控制的极窄脉冲。目前, 从现有的脉冲产生电路来看主要有雪崩三极管、阶跃恢复二极管(Step Recovery Diode)两种形式。但由于其要求供电电压较高(100V 以上) 普通电源很难满足, 需采用高压逆变电源或加变压器等设备, 很难达到小型化、低功耗和野外作业的要求本文给出了一种采用阶跃恢复二极管和微带传输线的皮秒级脉冲形成电路的实现方法及仿真和测试结果。


1. 阶跃恢复二极管特性


阶跃恢复二极管是一种具有PN结的二极管。其结构上的特点是:在PN结边界处具有陡峭的杂质分布区,从而形成自助电场。由于PN结在正向偏压下,以少数载流子导电,并在PN结附近具有电荷存贮效应,使其反向电流需要经历一个存贮时间后才能降至最小值(反向饱和电流值)。阶跃恢复二极管的自助电场缩短了存贮时间,使反向电流快速截止,并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断(阶跃恢复)二极管用于脉冲和高次谐波电路中。它的直流伏安特性与一般PN结构相同。


    阶跃恢复二极管在高频时钟信号作用下,阶跃管正向时导通内部存储电荷,当到了时钟信号负半周时,脉冲沿很陡瞬间反向电流立即达到最值 二极管逐渐耗尽所存储的电荷,维持一定的时间 在电荷耗尽的瞬间,反向电流突然变为零,形成了电流的“阶跃”.由于电流在瞬问(<1ns)变化,在外电路中会产生极窄的脉冲,其中反向恢复时间 为存储延迟时间 与暂态时间 之和。


   存储延迟时间:



其中 是少数载流子寿命, 是前向电流, 是反向电流, 是前向电流持续时间。


暂态时间近似的与外部电路电阻R和阶跃恢复二极管的节电容 成正比为:



2. 硬件电路设计


由于信号属于高频信号,电路理论中基本的假定即:不考虑导线的粗细与长度,在研究的导线上,电压,电流到处一样在此电路中不再成立。这就需采用传输线理论即:导线长度与波长可比,导线长度方向,电压,电流是不相等的,也就是所谓的“长线效应”。因此电路中的导线用具有一定长度与宽度的微带传输线TL1,TL3代替。R1R2分别为输入输出电阻,阻值为50欧姆,如图1所示。


(以protel99的图为准)


1 电路原理图


3. 系统仿真及分析


输入周期10MHz, 幅度 5V的时钟信号Vin,经过阶跃恢复二极管D和短路微带传输线TL2形成极窄脉冲,脉冲上升沿由阶跃恢复二极管的暂态时间决定,下降沿由短路微带传输线中脉冲的反射时间决定。


信号分成两路,一路朝输出方向传输,一路朝短路微带线方向传输,然后反射回来,朝输出方向传输,故输出两路信号有延迟时间。


仿真脉冲时域波形如图2所示:脉宽348ps,上升时间117ps,峰值电压2.08V



2 仿真脉冲时域波形


频谱图如图3所示:



3 仿真脉冲频谱图


4. 测试结果


信号源采用50MHZ, ,占空比50%脉冲,则实际测量所得波形如图4和图5所示,脉宽224.9ps上升时间175.2ps,幅度2.788V



 


4 实际测量所得波形



 


5 实际测量所得波形


从实际测量所得到的波形可以看出,由于阻抗不匹配,高斯脉冲有较大的振铃,可以通过改变激励波形的幅度,使用严格意义上的微带线而不是用铜片近似代替得到解决。或者可以在阶跃恢复二极管前端加入一个脉冲成形网络并进行严格的阻抗匹配。


5. 结束语


本设计方案具有电路简单、成本低、性能好的特点,从实验结果可以看出本系统可以用于精度要求不是很高的超高频的超宽带通信的场合,当然也可以通过使用严格意义上的微带线等方法提高系统的精度以扩展使用范围。

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