000基于脉冲形成网络的超宽带脉冲产生与设计

文章编号：1001-893X（2009）02-0029-04
基于脉冲形成网络的超宽带脉冲产生与设计∗
田波，邓茗春
（空军工程大学导弹学院，陕西三原713800）
摘要：分析了超宽带天线对冲击脉冲波形的要求。

利用阶跃恢复二极管和微带传输线，通过延迟的方法设计并制作了超宽带双极脉冲发生器。

根据超宽带脉冲发生器产生的脉冲参数，通过理论分析和时域有限差分法（FDTD）仿真，给出了一种微带脉冲形成网络的设计方法，并利用该方法成功地产生了纳秒级宽度的双极性超宽带窄脉冲信号。

测量结果表明：经过脉冲形成网络产生的信号具有良好的波形，且拖尾振荡小，有利于提高天线的辐射效率。

关键词：超宽带天线；脉冲形成网络；冲击脉冲；时域有限差分法
中图分类号：TN914.3 文献标示码：A
UWB Pulse Generation Based on Pulse Forming Network
TIAN Bo，DENG Ming-chun
（The Missile Institute，Air Force Engineering University，Sanyuan 713800，China）
Abstract：The requirement of ultra wideband（UWB）antenna for pulse waveform is analyzed. Then using step recovery diode（SRD）and microstrip transmission line，a UWB monocycle pulse generator is designed by means of intervention and elimination. According to the parameters of the generated pulse and theory analysis and FDTD simulation results，a method based on pulse forming network is presented. The measured result shows that the waveform of bipolar pulse is good，and the ringing level is low. This pulse generator can be used to improve the radiation efficiency of UWB antenna.
Key words：ultra wideband（UWB）antenna；pulse forming network；impulse；FDTD method
1 引言
随着微电子技术的进步和高速器件的发展，超宽带（UWB）无线技术开始走向商业化。

由于具有高速率、低功耗和低成本等优点，超宽带技术呈现了巨大的发展潜力，被认为是未来最具有竞争力的无线通信技术之一。

在超宽带的各项技术中，窄脉冲形成电路一直是射频电路研究领域倍受关注的问题[1]。

从目前的研究现状看，用于产生窄脉冲信号的主要方法有以下几种：一种是利用低功耗CMOS电路设计生成脉冲信号；另一种是采用光电方法，利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得电磁脉冲；第三种是利用阶跃恢复二极管（Step Recovery Diode，SRD）、肖特基二极管或半导体PN结反向加电达到雪崩导通获得电磁脉冲。

CMOS 电路输出脉冲的重复频率通常不高，且幅度较小。

另外两种方法输出的波形通常是单极性的钟形脉冲，其超宽带特性体现于快速变化的前沿，这种脉冲信号的频谱中低频分量所占比例比较大，若直接馈入天线，天线的辐射效率将受到严重影响。

本文分析了一种微带脉冲形成网络，单极性超宽带脉冲
∗收稿日期：2008-10-22；修回日期：2008-11-25
基金项目：陕西省自然科学基金资助项目（2004F21）；武器装备预先研究项目（513040104）
通过该网络可形成具有正负极性的脉冲，从而改善UWB系统的性能。

2 两种脉冲波形与超宽带天线
在UWB系统中，根据脉冲波形的不同通常分为两类：一类是具单一峰值的冲击脉冲，其频谱低频分量占很大比例，而低频分量很难辐射出去，理论分析中常采用类似高斯脉冲的波形代替；另一类是单周期脉冲，也称双极脉冲，具有一正一负两个峰值，它的直流分量很小，易于天线辐射，理论分
析中常采用类似微分高斯脉冲波形代替。

超宽带天线可看作具有高通特性的脉冲滤波器[2]，从天线角度看，若超宽带脉冲产生器能够直接生成类似微分高斯脉冲波形或单周波（Monocycle）的信号，则可明显提高天线辐射效率。

图1给出了通过时域有限差分法（FDTD）仿真的单极锥天线辐射的瞬态波形，为比较同一天线对单极脉冲和双极脉冲辐射特性差别，仿真中采用相同脉冲宽度的信号：高斯（Gaussian）脉冲和微分高斯（Differentiated Gaussian）脉冲，并在距离天线相同的位置上进行比较。

图1 单极锥对两种脉冲辐射特性比较
从仿真结果可以看出天线的微分作用（高通滤波器）；另一方面可观察到同一天线对两种波形辐射幅度的明显差别，超宽带天线对双极脉冲辐射效率明显高于单极脉冲。

因此研制能够产生双极脉冲的超宽带信号源非常必要。

3 超宽带脉冲形成网络设计与分析
超宽带脉冲形成网络的原理如图2所示，高斯脉冲波形的信号沿传输线传输，遇到短路支节后被分为两路，一路直接传输到输出端，另一路沿短路支节传输并在终端被反射，信号反转并延迟t∆后到达输出端，当延迟时间t∆恰好等于输入脉冲宽度时，输出端形成双极性的近似微分高斯形的波形。

若短路支节长度为l，则延迟时间即脉冲宽度τ与支节长度l必须满足
2
τ
∆==
g
t l v（1）式中g v为电磁波在传输线中的传播速度。

图2 基于传输线的短脉冲形成原理
为验证该设计方法，下面利用FDTD数值分析方法对微带电路结构进行仿真，短路支节采用双支节，如图3所示，采用的介质基片介电常数 4.3
=
r
ε，厚度1.5 mm，主传输线采用50Ω微带线。

假设输入脉冲宽度400 ps，根据公式（1）设计短路支节长29 mm，宽0.5 mm。

（a）仿真电路结构
0.00.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
（b）仿真结果
图3 双支节微带脉冲形成网络
在FDTD仿真中，单极性的冲击激励信号从图3（a）的①口加入，从②口观测输出的波形。

仿真得到的输出波形如图3（b）所示。

从仿真结果可以看出，脉冲形成网络的设计方法是可行的，但输出脉冲后部分有拖尾。

按照设计的微带脉冲形成网络加工制作电路板如图4（a）所示，为方便试验，将阶跃管脉冲产生器与网络加工在一起，并将短路支节进行了弯曲。

脉冲产生器电路采用文献[2]提出的结构，SRD采用ASI公司的ASRD820，该管的主要参数为：击穿电压为50 V、少子寿命为55 ns、阶跃时间小于200 ps，该脉冲源输出脉冲宽度约400 ps。

测试采用Aglient33250A信号源作为输入，输出信号使用Aglient54830B数字存储示波器进行观测，测试波形如图4（b）所示，与仿真结果对比可以看出两者比较吻合，说明该方法设计可行。

（a）脉冲形成网络电路板
（b）测试结果
图4 制作的电路和测试结果
4 微带脉冲形成网络改进设计
图3给出的脉冲形成网络输出波形尾部振荡仍比较大，为进一步改善脉冲形成网络的性能，下面对微带支节进行了优化设计，具体设计步骤如图5所示。

对微带网络的设计和S参数的优化可编制简单的设计程序或通过商用的软件如ADS、ANSOFT Senerade等进行设计，这里不再详述，优化的目标是使得微带网络在脉冲对应的主要频谱范围内尽可能匹配且插损较小。

需要说明的是，因为网络输入的短脉冲频谱很宽，对不同的频率，一定尺寸的微带支节的电长度、特性阻抗和电磁波传播速度都不同，因此需要合理设计短路支节的尺寸，初始参数可根据输入脉冲频谱的中心频率求得。

图5 微带脉冲形成网络设计方法
（a）一种改进的脉冲形成网络
（b）测试结果
图6 双极脉冲测试波形
优化后的结构如图6（a）所示，除去原有的双支节短路线外，在主线上增加了一个9 mm×11 mm 的容性支节。

微带脉冲形成网络仍制作在相对介电常数为4.3、厚度为1.5 mm的介质基片上，两个支节终端接地。

将脉冲产生器输出的脉冲送入该微带
网络，即可得到双极性的冲击脉冲。

图6（b）给出了Aglient 54830B数字存储示波器的测试波形，从图中可以看出脉冲主体波形宽度约为输入脉冲的2倍，宽0.9 ns左右，拖尾较小。

测试结果表明，利用该设计方法，通过输入脉冲的延迟倒向叠加，是可以形成类似微分高斯脉冲的波形的。

5 结论
本文主要介绍了一种采用微带结构的冲击脉冲形成网络，并对电路的工作原理和简单设计方法进行了阐述，从电路的性能和形式来看，通过该网络可以产生较好的双极性冲击波形，且电路形式简单、成本低、采用平面结构适合微波集成电路制作，对于提高天线辐射效率和改善系统性能非常有利。

当然微带电路也存在尺寸较大的缺点，可根据系统需求通过减小脉冲宽度、采用高介电常数基片、改变网络拓扑结构等方法进一步减小电路尺寸。

参考文献：
[1]程勇，周月臣，程崇虎. 一种超宽带脉冲信号发生器的
设计[J].通信学报，2006，26（10）：112-115.
[2]陈振威，郑继禹. 基于SRD的超宽带脉冲产生与设计[J].
桂林电子工业学院学报，2005，25（5）：36-39.
[3]谈大伟. 冲激引信超窄脉冲源的研究[J]. 制导与引信，
2004，25（3）：22-27.
[4]Hiroyuki KIDA. Measured and Simulated Results of
Impulse Generator Using Step Recovery Diode[J]. IEICE
Trans. Fundamentals，2005，E88A（9）：2381-2383.
[5]Jeongwoo Han，Cam Nguyen.A New Ultra-Wideband，
Ultra-Short Monocycle Pulse Generator with Reduced Ringing[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2002，12 （6）：206-208.
作者简介：
田 波（1979－），男，空军工程大学导弹学院讲师，主要研究方向为微波电路CAD和天线设计。

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tianbo0216@。