新型纳秒级探地雷达脉冲源设计_许会

第32卷第11期2011年11月仪器仪表学报Chinese Journal of Scientific InstrumentVol.32No.11Nov．2011收稿日期：2010-08Received Date ：2010-08*基金项目：辽宁省教育厅创新团队项目（2009T074）项目新型纳秒级探地雷达脉冲源设计*许会，牛长富，李邦宇，吴国瑞（沈阳工业大学先进在线检测技术省重点实验室沈阳110870）摘要：针对超宽带探地雷达脉冲源的要求，提出并验证了一种利用FPGA 触发来合成彼此有任意延迟的窄脉冲波形合成方法。

研究和实际设计了一种提高脉冲源性能的新型宽范围输入输出的线性直流电源，并利用此电源制成了适用于多种雪崩管为核心的宽范围纳秒级脉冲源，给出了脉冲源各个单元的设计、及雪崩三极管的筛选及老化处理方法。

在50Ω负载上得到了脉宽在2 50ns 、幅度在20 180V 的多种超宽带窄脉冲，并对多种雪崩管的雪崩性能进行了对比，给出了集电极充电电容与脉冲幅度和宽度的关系。

关键词：纳秒级脉冲源；雪崩三极管；波形合成；FPGA 触发；宽范围直流电源中图分类号：TN958文献标识码：A国家标准学科分类代码：510．70Design of a new nanosecond GPR pulse sourceXu Hui ，Niu Changfu ，Li Bangyu ，Wu Guorui（Advanced Online Measurement Technology Key Lab of Liaoning Province ，Shenyang University of Technology ，Shenyang 110870，China ）Abstract ：A kind of waveform synthesis method is proposed and demonstrated ，with which arbitrary delay short-pul-ses can be generated and controlled by an FPGA to meet the requirements of ultra wide band ground penetrating radar pulse source．A new linear DC power supply with wide-ranges of input and output is studied and designed to improvethe performance of the pulse source．The self-made power supply is adopted to make a wide range nanosecond pulsesource ，which is suitable for using many kinds of avalanche transistors as its core．Detailed design method of the nanosecond pulse source is described ，and the methods of screening and aging treatment of the avalanche transistors are introduced．Multiple kinds of nanosecond pulses are obtained on 50Ωload with the amplitude between 20—180V and the pulse width between 2—50ns．The avalanche performances of several avalanche transistors are com-pared in experiments．Relationships between pulse amplitude ＆width and collector capacitor of the transistors are given．Key words ：nanosecond pulse source ；avalanche transistor ；waveform synthesis ；FPGA trigger ；wide range DC power supply1引言探地雷达通过向地下发射高频宽带的电磁脉冲信号，利用地下介质的电磁特性差异，根据回波信号特征来分析和推断地下介质结构，具有无损检测的优势［1］。

大多数商用雷达都基于无载频脉冲体制，可采用单脉冲激励或双极性脉冲激励［2-3］。

为使信号更好地辐射出去，脉冲幅度、脉冲宽度，以及双极脉冲的波形一致性是超宽带探地雷达脉冲源的重要参数［4-5］。

脉冲的幅度越高，辐射的能力就越强，探地雷达的脉冲幅度一般为几十V 到几百V ；脉宽越窄含有的频率范围越广，探地雷达脉冲宽度2450仪器仪表学报第32卷一般在0．5ns 到20几ns 之间；脉冲的重复频率在10kHz 到几百kHz 之间［6］。

大多数探地雷达的发射单元都是超宽带脉冲源，因此设计出幅度高、脉宽适当、适合天线发射的脉冲源有非常重要的实用价值。

国内外研究文献中，针对信号处理及成像的资料较多，脉冲源设计的资料较少［7-9］。

综合文献资料，按构成脉冲源的关键部件，探地雷达脉冲源主要有2类：第1类采用电真空器件作为脉冲发生器件，主要研究其触发及驱动电路，在大功率脉冲源中应用较成熟，但是体积大、可靠性较低、寿命短、噪声大，近几年这方面研究较少［10-12］；第2类以雪崩三极管等高压固态器件为代表，是近年来的研究热点，有取代电真空器件的趋势。

虽然单个器件的脉冲幅度在几百V 以内，但是可以通过多级Marx 电路提高脉冲峰值电压达千V 以上，具有重复率高、寿命长、稳定、过渡时间短等优点［6，12-15］。

本文研究以固态器件雪崩三极管为核心的脉冲源，主要针对波形的对称关系控制难题进行研究，利用FPGA 产生符合严格时序触发脉冲，提出了一种合成所需的发射波形方法，实现了波形合成；设计了脉冲源的核心宽范围输入输出高压直流电源，并利用此电源和FPGA 及雪崩三极管实现了适用于多种雪崩管的脉冲源。

文中给出以4种三极管为核心、用FPGA 产生符合严格时序的触发电路来合成完全对称的脉冲或者有任意相对延时的双极性窄脉冲的设计方法，并实际测量了重要电路参数对脉冲波形的影响。

最终得到了脉宽在2 50ns ，幅度在20 180V 的多种的窄脉冲和双极性窄脉冲源。

2脉冲源系统的构成如图1所示，脉冲源的构成主要由雪崩三极管电路、宽范围输入输出的线性可调直流电源、FPGA 触发电路3部分组成。

脉冲源是的核心是雪崩三极管电路，利用三极管的雪崩效应，由线性可调直流电源给三极管提供临界雪崩电压，由FPGA 触发电压使三极管雪崩导通在50Ω负载上产生纳秒级高幅度的窄脉冲。

图1脉冲源的构成Fig．1Composition of the pulse source2．1雪崩三极管电路如图2所示，当NPN 型晶体管的集电结加反向高压时，可能产生雪崩倍增效应。

当一次雪崩击穿发生后，如果CB 结反向偏压继续增大，由于倍增效应，会导致很大的电流发生二次击穿，晶体管呈现负输出阻抗特性，此时，仅需很小的电压，仍能维持很大的集电极电流［16］。

其中，图2（a ）是单极性负脉冲产生电路，图2（b ）是双极性脉冲产生电路。

如图（a ）所示，上电后，在触发脉冲没有到来之前，三极管Q1的集电极电压等于电源电压V CC ，三极管处于临界雪崩状态，当触发脉冲到来后，三极管雪崩导通，电容C 1通过三极管对地放电，在50Ω电阻上产生瞬间负向窄脉冲，正脉冲的产生同理。

图2雪崩晶体管典型电路Fig．2Typical avalanche transistor circuits2．2FPGA 触发电路触发脉冲由FPGA 来产生。

借助计算机辅助设计方法可以方便地实现严格的时序控制。

本文超宽带探地雷达系统用FPGA 作为主控芯片，产生完全同步的或者有任意相对延迟的两路或多路触发脉冲。

FPGA 的芯片选择ALTERA 公司CYLONE Ⅱ系列第11期许会等：新型纳秒级探地雷达脉冲源设计2451EP2C8Q208，用Verilog 语言在QUARTUS Ⅱ中编程实现。

通常多路触发脉冲之间需要保证严格的时序关系，用FPGA 可以方便地实现时序控制，完成波形合成。

即在程序中通过修改参数来调整各触发脉冲之间的相对延时，通过控制雪崩三极管的触发时间，便可产生完全对称或任意延时的发射脉冲。

在QUARTUS Ⅱ中主要设置参数为t co （即时钟到输出的延时），通过合理设置和布线路径调整，可仿真实现多路同步触发脉冲之间同步时差最大为0．01ns 。

不同的雪崩三极管对触发脉冲的响应通常也有差异，通过采样观察各路发射脉冲的时间差，再通过调整t co 进行弥补，可以做到完全同步触发，也可以得到彼此之间有任意延时单极性脉冲的合成波。

若要求同步时差更小，可选用性能更好的FPGA 。

2．3线性可调直流电源直流电源采用差分电路和电流源相结合的方法，设计并制作了70 282V 连续可调的宽范围输入输出可调的线性直流电源。

设计的原理图如图3所示，输入电压经过浪涌抑制电路，再经过整流滤波形成脉动的直流，经过调整管到达输出端，输出端通过取样单元取样并与基准进行比较放大，其误差信号作为比较放大单元的输入信号，经放大后反馈给调整管。

调整管相当于可变电阻，它的值取决与输入的误差信号。

输出端发生任何的变化，都会通过取样与基准作差通过放大单元加到调整管上使输出稳定在额定的值。

图3电源电路原理图Fig．3Block diagram of the DC power supply如图4所示，通过选择放大倍数大的、集射两极耐压高的调整管Q1，宽范围工作电流的稳压二极管D6、D7、D8，合适的取样电阻R 7、R 8、R 9，和差分放大电路（Q3、Q4、Q6构成）来实现的。

当输入比输出高30V 时即可保证调整管工作在放大状态下，当输入电压升高时压降就会降在调整管两端，放大倍数大的调整管把比较放大单元的微小变化信号放大反馈给输出端使输出稳定下来。

通过调整取样电阻R 9来实现宽范围的输出调节，通过R 8和R 2来实现输出量程的调节。

当输出从80V 到280V 变化时，调整管集射之间承受的电压最大为230V 。

探地雷达的发射脉冲功率由于脉冲宽度极窄，因此功率不是很大，综合以上因素选择达林顿管BU941P ，它的集射耐压为400V 、最大功率为155W 、放大倍数300，足以满足图4电源电路图Fig．4DC power supply circuit diagram2452仪器仪表学报第32卷所要求的条件。