一种超宽脉冲发生器的设计.docx

一种超宽脉冲发生器的设计.docx摘要超宽带是一种利用纳秒级窄脉冲发送信息的技术。重点讨论了一种采用级联雪崩晶体管结构极窄脉冲发生器,并对其电路及雪崩晶体管的工作原理进行了具体分析。实验获得的输出脉冲宽度约为122,上升时间约为863。关键词超宽带雪崩晶体管脉冲发生器目前,技术已经成为国际无线通信技术研究的新热点,日益受到重视和关注。 2002年2月14日,美国联邦通信委员会首次批准了产品的民用销售和使用。即超宽带,它是一种利用纳秒级极窄脉冲发送信息的技术,其信号相对带宽即信号带宽与中心频率之比大于25。一个典型的中心频率为2即宽度为500的脉冲信号的时域波形及其频谱图分别如图1所示。范文先生网收集整理一般通信技术都是把信号从基带调制到载波上,而则是通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制,从而具有量级的带宽。具有发射信号功率谱密度低数十范围、难以截获、抗多径、低成本、极好的穿透障碍物能力等优点,尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和通信、雷达、定位、汽车防撞、液面感应和高度测量应用。信息调制方式需结合传播特性和脉冲产生方法综合考虑,通常可采用脉冲位置调制和正反极性调制,这里采用调制。从本质上看,无线技术是发射和接收超短电磁能量脉冲的技术,它采用极窄脉冲直接激励天线。因此,极窄脉冲的产生就显得尤为重要。目前,极窄脉冲的产生方法主通过雪崩三极管、隧道二极管或阶跃恢复二极管实现。其中隧道二极管和阶跃恢复二极管所产生的脉冲,上升时间可以达几十至几百皮秒,但其幅度较小,一般为毫伏级。采用了利用雪崩三极管的雪崩效应的方案,同时采用雪崩三极管级联结构来产生极窄脉冲,最后得到输出脉冲上升时间约为863,幅度约为12。 1雪崩效应理论当型晶体管的集电极电压很高时,收集结空间电荷区内电场强度比放大低压运用时大得多。进入收集结的载流子被强电场加速,从而获得很大能量,它们与晶格碰撞时产生了新的电子-空穴时,新产生的电子、空穴又分别被强电场加速而重复上述过程。于是流过收集结的电流便雪崩式迅速增长,这就是晶体管的雪崩倍增效应。晶体管在雪崩区的运用具有如下主要特点1电流增益增大到正常运用时的倍,其中为雪崩倍增因子。 2由于雪崩运用时集电结加有很高的反向电压,集电结空间电荷区向基区一侧的扩展使有效基区宽度大为缩小,因而少数载流子通过基区的渡越时间大为缩短。换言之,晶体管的有效截止频率大为提高。 3在雪崩区内,与某一给定电压值对应的电流不是单值的。并且随电压增加可以出现电流减小的现象。也就是说,雪崩运用时晶体管集电极-发射极之间呈负阻特性。 4改变雪崩电容与负载电阻,所对应的输出幅度是不同的。换言之,输出脉冲与雪崩和负载电阻有关。下面对雪崩管的动态过程进行分析。在雪崩管的动态过程中,工作点的移动相当复杂,现结合原理图形示电路图4进行分析这里主要分析雪崩管1的工作过程,其余类同。在电路中近似地将雪崩管静态负载电阻认为是,当基极未触发时,基极处于反偏,雪崩管截止。根据电路可列出雪崩管过程的方程为式中为通过雪崩管的总电流,为通过静态负载的电流,为雪崩电流,0为电容初始电压,为动态负载电阻,为雪崩电容,为雪崩时间。为雪崩管1集-射极电压,为电路直接偏置电压。从1式可求解出雪崩过程动态负载线方程式为在具体的雪崩管电路中,为几千欧本实验中取为68Ω,而则为几十欧本实验中取为51Ω,因此>>。雪崩时雪崩电流比静态电流大得多,即>>,所以≈。于是2式可简化为因为0~这段雪崩时间很短,因此可以略去,即得=1[0-]4式3和式4表明雪崩状态下,动态负载线是可变的。雪崩管在雪崩区形成负阻特性,负阻区处于与之间,当电流再继续加大时,则会出现二次击穿现象,如图2所示。图2中,电阻负载线贯穿了两个负阻区。若加以适当的推动,工作点会通过负阻区交点到达,由于雪崩管的推动能力相当强,点通常不能被封锁,因而通过第二负阻区交点而推向点。工作点从到一共经过两个负阻区,即电压或电流信号经过两次正反馈的加速。因此,所获得的信号其电压或电流的幅度上当大,其速度也相当快。当负载很陡时,如图2中负载线所示,它没有与二次击穿曲线相交而直接推而饱和区,这时就不会获得二次负阻区的加速。本文介绍的超宽带极窄脉冲发生器即是利用雪崩管的二次负阻区加速作用,来达到产生极窄脉冲的目的。 2脉冲产生电路及分析21电路原理图发射机系统的简化框图如图3所示,系统的信息调制采用调制。本文主要讨论脉冲产生电路的设计,电路原理图如图4所示。 22电路分析当触发脉冲尚未到达时,雪崩管截止,电容2、4在的作用下分别通过电阻1、和2、3充电。电容通过充电充电后其电压近似等于电源电压。当一个足够大的触发脉冲到来后,使晶体管工作点运动到不稳定的雪崩负阻区,1雪骨击穿,产生快速增大的雪崩电流,导致电容经由晶体管1快速放电,从而在负载电阻上形成一个窄脉冲。由于雪崩电