超宽带窄脉冲产生方法比较
新型超宽带穿墙雷达单周期窄脉冲产生技术
收稿日期：２０１０－０３－２６基金项目：国家“八六三”计划项目（２００７ＡＡ１２Ｚ１２４）作者简介：刘丽华（１９８１—），女，博士生，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｌｉｈｕａ．ｉｅ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ；方广有（１９６３—），男，研究员，博士生导师．第３１卷 第１期２０１１年１月北京理工大学学报Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．３１ Ｎｏ．１Ｊａｎ．２０１１新型超宽带穿墙雷达单周期窄脉冲产生技术刘丽华１，２， 戴舜１，２， 谢义方３， 方广有１（１．中国科学院电子学研究所，北京 １００１９０；２．中国科学院研究生院，北京 １００１９０；３．中国科学院空间科学与应用研究中心，北京 １００１９０）摘 要：提出了一种电路结构简单、成本低廉的新型单周期窄脉冲产生方法，设计的脉冲产生电路主要由基于阶跃恢复二极管和微波三极管的脉冲产生电路，基于肖特基二极管和终端并联短截线的脉冲整形电路以及ＲＣ微分电路三部分组成．分析了电路各部分的工作原理和设计方法，并利用ＡＤＳ软件对整个电路进行仿真．实验测试结果表明，设计的脉冲产生电路能够产生峰峰值为７．６Ｖ、脉宽为５００ｐｓ的单周期脉冲信号，且脉冲振铃小、波形质量高，与软件仿真结果基本吻合，是一种适用于超宽带穿墙探测雷达系统的单周期脉冲发射机电路．关键词：超宽带雷达；单周期脉冲；阶跃恢复二极管；微波三极管；终端并联短截线中图分类号：ＴＮ ９５９．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－０６４５（２０１１）０１－００９２－０４Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｕｌｔｒａ－Ｓｈｏｒｔ Ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｕｌｔｒａ－ＷｉｄｅｂａｎｄＴｈｒｏｕｇｈ－Ｗａｌｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ＲａｄａｒＬＩＵ Ｌｉ－ｈｕａ１，２， ＤＡＩ Ｓｈｕｎ１，２， ＸＩＥ Ｙｉ－ｆａｎｇ３， ＦＡＮＧ Ｇｕａｎｇ－ｙｏｕ１（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ，ｃｏｍｐａｃｔ，ａｎｄ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ ｕｌｔｒａ－ｓｈｏｒｔ ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｐａｒｔｓ：ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｓｔｅｐｒｅｃｏｖｅｒｙ ｄｉｏｄｅ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｓｈａｐｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｄｉｏｄｅ ａｎｄｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ ｓｈｕｎｔ ｓｔｕｂ，ａｎｄ ｔｈｅ ＲＣ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＡＤＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｈａｓ ７．６Ｖｐｅａｋ－ｔｏ－ｐｅａｋ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｎｄ ５００ｐｓ ｐｕｌｓｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈｖｅｒｙ ｌｏｗ ｒｉｎｇｉｎｇ ｌｅｖｅｌ．Ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｖｅｒｙ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｒｏｕｇｈ－ｗａｌｌ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｒａｄａｒ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｏｕｇｈ－ｗａｌｌ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｒａｄａｒ；ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ ｐｕｌｓｅ；ｓｔｅｐ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｄｉｏｄｅ；ｍｉｃｒｏｗａｖｅｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ ｓｈｕｎｔ ｓｔｕｂ 近年来，超宽带技术得到了快速的发展，超宽带雷达由于发射脉冲信号的超宽频带特性，使其具有很强的穿透性和很高的距离分辨率．在超宽带雷达的各项关键技术中，窄脉冲信号发生器一直是射频电路研究领域中倍受关注的技术问题．窄脉冲产生的方法大致可以分为２类：①利用数字电路的逻辑器件特性［１］来实现所需脉冲信号的产生，利用这种方法产生单极性脉冲，方法简单，有利于与数字电路系统兼容，但所产生的脉冲宽度为纳秒量级，且幅度很低；②利用各种高速的模拟开关器件，结合脉冲整形网络产生满足要求的脉冲．目前大多采用后一类方法，常用器件包括阶跃恢复二极管（ＳＲＤ）［２－４］、雪崩晶体三极管［５－６］等．阶跃恢复二极管是利用它正向导通但反向并不能立即截止的渡越特性，可以生成幅度为几伏到几十伏、宽度为几百皮秒的脉冲；雪崩三极管是利用晶体管的雪崩击穿特性，生成脉冲的幅度可达几十伏到几百伏．但是，文献中介绍的脉冲方法绝大部分都是单极性高斯脉冲，在实际的应用中，单周期脉冲具有频带宽、辐射效率高的优点，在超宽带雷达系统中具有很好的应用前景．目前，单周期脉冲多在高斯脉冲的基础上通过短路型微带传输线［７－９］的反射得到，这种方法得到的脉冲幅度一般较小，多为毫伏量级，需要增加价格昂贵的宽带放大器才能满足系统对发射功率的指标要求．作者针对目前超宽带系统对单周期脉冲的切实需求，以及目前产生的单周期脉冲信号幅度小、波形差的现状，结合以上脉冲产生方法的优缺点，提出一种基于阶跃恢复二极管、微波三极管、肖特基二极管、终端并联短线和ＲＣ微分电路的单周期窄脉冲产生方法．其特点是形成的单周期脉冲幅度大、振铃小，且电路结构简单小巧．经测试，产生的单周期脉冲宽度为５００ｐｓ，电压幅度峰峰值为７．６Ｖ，比文献［３－４］中所提方法产生的皮秒级单周期脉冲在幅度上要大很多，满足超宽带穿墙雷达系统实现短距离探测对发射机对发射功率以及距离分辨率的应用要求，对实际的工程应用也有较好的参考价值．１ 冲激脉冲信号超宽带（ＵＷＢ）技术中最常用的脉冲波形是高斯脉冲或其微分形式．基本的单极性高斯脉冲时域表达式为ｓ（ｔ）＝１２槡πσｅｘｐ－ｔ２２σ（）２．（１）式中σ表示高斯信号的均方差，称为脉宽因子．高斯脉冲的功率谱密度为Ｓ（ω）２＝ｅｘｐ［－（２πωσ）２］．（２）直流分量Ｓ（０）２＝１，即信号频谱中直流分量最大．高斯脉冲的一次微分即为单周期脉冲，其表达式为ｓ１（ｔ）＝－ｔ２槡πσ３ｅｘｐ－ｔ２２σ（）２．（３） 对应的功率谱密度表达式为Ｓ１（ω）２＝（２πω）２ｅｘｐ［－（２πωσ）２］，（４）其中Ｓ１（０）２＝０，即单周期高斯脉冲直流分量为０．根据式（１）（３），当脉宽因子σ取值相同时，单极性高斯脉冲和单周期高斯脉冲的时域波形及其频谱如图１所示．图１ 单极性高斯脉冲与单周期脉冲时域波形及其频谱Ｆｉｇ．１ Ｗａｖｅｆｏｒｍ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｍｏｎｏｐｏｌａｒ ｐｕｌｓｅ ｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈ ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ ｐｕｌｓｅ 从脉冲频谱可知，单极性高斯脉冲的主要频谱分量集中在低频部分，而单周期脉冲低频成分相对较少，具有更高的中心频率．在脉宽相同的情况下，单周期脉冲相比单极性高斯脉冲具有更宽的频带．在实际应用中，由于天线具有高通效应，低频能量无法辐射出去，同时在系统内部产生反射振荡，这种信号失真降低了系统的动态范围，尤其是近距离探测能力，因此，单周期脉冲作为发射信号是系统所期望的．２ 电路设计与仿真阶跃恢复二极管是产生窄脉冲的有效方法之一，本文中提出了一种基于普通二极管ｓｐｉｃｅ参数及非线性电容和非线性电阻的阶跃恢复二极管模型，如图２所示．模型中的二极管为普通二极管，Ｃｐ为二极管的封装电容，Ｌｐ为二极管的引线电感，Ｒｊ和Ｃｊ分别表示随二极管两端变化而变化的结电阻和结电容．该模型既表现了二极管的一般特性，又体现了ＳＲＤ的特殊性质，能较好地体现ＳＲＤ的电特性．设计中，ＳＲＤ选用Ｍｅｔｅｌｉｃｓ公司的ＳＭＭＤ８３０，经过测试，可以绘出ＳＲＤ的伏安特性曲线，并３９第１期刘丽华等：新型超宽带穿墙雷达单周期窄脉冲产生技术图２ 阶跃恢复二极管模型Ｆｉｇ．２ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｔｅｐ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｄｉｏｄｅ由伏安特性导出不同偏置下的结电阻Ｒｊ，可知ＳＲＤ的结电阻为可变电阻，电阻随偏置电压的增大而变小．ＳＲＤ结电容Ｃｊ与结电阻的性质类似，随着正向偏置电压的升高，结电容增大．图３所示为单周期脉冲产生电路原理图，由高斯脉冲形成电路、脉冲整形电路以及ＲＣ微分电路３部分组成，其中Ｑ１和Ｑ２为微波宽带三极管，Ｄ２为肖特基二极管，Ｄ３为ＳＲＤ，Ｃ１和Ｃ２为充放电电容．图３ 单周期超短脉冲产生电路原理图Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｕｌｔｒａ－ｓｈｏｒｔ ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ第１部分为高斯脉冲形成电路，由微波三极管开关电路、充放电电容以及ＳＲＤ组成．开始时，三极管Ｑ１和Ｑ２截止，偏置电压通过电阻Ｒ２对Ｃ２充电，ＳＲＤ管正向偏置；当ｃｌｏｃｋ脉冲到来时，Ｑ１和Ｑ２迅速由截止状态进入饱和状态，此时Ｃ２，Ｒ３，ＳＲＤ构成一个回路，Ｃ２上集聚的电荷通过电阻Ｒ３放电，在ＳＲＤ管的正极形成边沿较快的高斯脉冲信号．电路中Ｃ２和Ｒ３的取值共同决定了脉冲信号的脉宽与幅度，当它们的取值较大时，脉冲幅度较大，同时脉宽较宽．第２部分为脉冲整形电路，由肖特基二极管和终端并联短截线组成，对高斯脉冲进行两次整形，获得边沿很快的单极性高斯脉冲．肖特基二极管Ｄ２具有理想的开关特性，可以截去脉冲底部的一部分杂波．终端并联短截线的作用是在脉冲形成电路与ＲＣ微分电路之间形成阻抗匹配网络，可以消除很大一部分振铃，其代价是同时牺牲小部分脉冲幅度．电路中终端并联短截线长度Ｌ决定了反射信号相对入射信号的延时，从而决定了整形后的脉冲宽度，长度Ｌ须满足Ｌ＝ｃｔｇ２ε槡ｒ．（５）式中：εｒ为微带传输线的有效介电常数；ｔｇ为脉冲宽度；ｃ为真空中的光速．第３部分为微分电路［１０－１１］，由负载电阻及电容Ｃ３组成，将前级整形后的单极性高斯脉冲变换为幅度较大且波形质量好的单周期脉冲．微分电路的时间常数τ＝ＲＬＣ３，Ｖ２（ｔ）为整形后的波形，电容Ｃ３充放电过程中，负载电阻ＲＬ两端的电压Ｖ０（ｔ）随时间按指数规律变化，将Ｖ２（ｔ）的上升沿和下降沿变换为正负尖脉冲，其表达式为Ｖ０（ｔ）＝τｄＶ２（ｔ）ｄｔ．（６）可知，电路输出电压Ｖ０（ｔ）与Ｖ２（ｔ）的一阶微分成正比，所以，若不对前级单极性脉冲边沿进行整形，则经微分电路后的脉冲波形不仅脉冲幅度很小，且对称性很差，无法满足系统对发射信号的应用要求．基于ＳＲＤ模型，利用ＡＤＳ软件对图３所示电路进行仿真，激励信号为周期１ＭＨｚ，幅度２Ｖ的方波，图４为电路仿真输出波形，从仿真结果可以看出，输出脉冲宽度为４７０ｐｓ，脉冲幅度为±４．８Ｖ．图４ 周期脉冲产生电路仿真结果Ｆｉｇ．４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｃｉｒｃｕｉｔ３ 实际测试结果图５为单周期脉冲输出信号的实测结果，测量仪器为Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＴＤＳ６８０４Ｂ．电路的触发信号为１ＭＨｚ重复频率，幅度２Ｖ的方波信号．图５（ａ）为实测的脉冲时域波形，脉冲宽度为５００ｐｓ，电压幅度为±３．８Ｖ，图５（ｂ）为对应的幅频谱曲线，该脉冲－１０ｄＢ带宽为４．７ＧＨｚ．与图４对比，实测脉冲的幅度比仿真结果小，但脉冲宽度与仿真结果基本吻合．实验结果表明，实测的单周期脉冲不仅对称性很好，且脉冲振铃小，波形理想．４９北京理工大学学报第３１卷图５ 实际测量结果Ｆｉｇ．５ Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｃｉｒｃｕｉｔ４ 结 论 采用阶跃恢复二极管、微波三极管、肖特基二极管为核心器件，以充放电电容以及终端并联短截线为辅助元件产生单周期脉冲．重点分析了电路各部分的工作原理，并利用ＡＤＳ软件进行ＳＲＤ建模和电路仿真．实验测试结果表明，该电路产生的单周期脉冲波形质量好，与仿真结果基本吻合．目前，该脉冲发生器已成功应用于穿墙探测雷达系统发射机中，该脉冲与天线的匹配性很好，辐射效率更高，且辐射信号的振铃得到了有效抑制，提高了穿墙探测雷达目标检测能力．参考文献：［１］Ｆｏｎｔａｎａ Ｒ Ｊ．Ｒｅｃｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｈｏｒｔ－ｐｕｌｓｅｕｌｔｒａ－ｗｉｄｅｂａｎｄ（ＵＷＢ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｍｉ－ｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ，２００４，５２（９）：２０８７－２１０４．［２］Ｐｒｏｔｉｖａ Ｐ，Ｍｒｋｖｉｃａ Ｉ，Ｍａｃｈａｃ Ｊ．Ａ ｃｏｍｐａｃｔ ｓｔｅｐ ｒｅｃｏｖ－ｅｒｙ ｄｉｏｄｅ ｓｕｂｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１０，５２（２）：４３８－４４０． ［３］Ｈａｎ Ｊｅｏｎｇｗｏｏ，Ｃａｍ Ｎｇｕｙｅｎ．Ａ ｎｅｗ ｕｌｔｒａ－ｗｉｄｅｂａｎｄ，ｕｌｔｒａ－ｓｈｏｒｔ ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｒｅｄｕｃｅｄ ｒｉｎ－ｇｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｐｏｎ ｌｅｔｔ，２００２，１２（６）：２０６－２０８．［４］周建明，费元春．新型超宽带雷达发射机技术［Ｊ］．兵工学报，２００８，２９（２）：２４０－２４３．Ｚｈｏｕ Ｊｉａｎｍｉｎｇ，Ｆｅｉ Ｙｕａｎｃｈｕｎ．Ｎｏｖｅｌ ｕｌｔｒａ－ｗｉｄｅｂａｎｄ ｒａ－ｄａｒ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＡＣＴＡ Ａｒｍａｍｅｎｔａｒｉｉ，２００８，２９（２）：２４０－２４３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）［５］杨峰，薛泉，陈志豪．一种基于射频三极管的高斯脉冲发生器的设计［Ｊ］．通信学报，２００５，２６（１０）：６９－７１．Ｙａｎｇ Ｆｅｎｇ，Ｘｕｅ Ｑｕａｎ，Ｃｈｅｎ Ｚｈｉｈａｏ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｕｂ－ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＲＦｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２００５，２６（１０）：６９－７１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）［６］Ｒｅｉｓｅｎｚａｈｎ Ａ，Ｂｕｃｈｅｇｇｅｒ Ｔ，Ｋａｉｎｅｄｅｒ Ｇ，ｅｔ ａｌ．Ａ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ ＵＷＢ ｒａｄａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］∥ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ．Ｗａｌｔｈａｍ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００６：２９９－３０２．［７］Ｌｅｅ Ｊ Ｓ，Ｎｇｕｙｅｎ Ｃ，Ｓｃｕｌｌｉｏｎ Ｔ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｃｏｍｐａｃｔ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ ｉｍｐｕｌｓｅ ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ ｆｏｒ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＭｅａｓ，２００４，５３（６）：１５０２－１５０９．［８］周建明，费元春．ＳＲＤ建模及其在冲激脉冲产生电路中的应用［Ｊ］．北京理工大学学报，２００７，２７（１）：５５－５８．Ｚｈｏｕ Ｊｉａｎｍｉｎｇ，Ｆｅｉ Ｙｕａｎｃｈｕｎ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ＳＲＤ ａｎｄ ｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｉｍｐｕｌｓｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃ－ｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，２７（１）：５５－５８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）［９］Ｚｈａｎｇ Ｃ，Ｎｇｕｙｅｎ Ａ Ｅ．Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｐｉｃｏ－ｐｕｌｓｅ ｇｅｎ－ｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ＵＷＢ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］∥ＩＥＥＥ ＭＴＴ－Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａ－ｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ．Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ，２００６：４０７－４１０．［１０］倪原，郭玉平，杨辉．穿墙探测雷达中脉冲产生技术的研究［Ｊ］．西安工业大学学报，２００９，２９（１）：６７－７０．Ｎｉ Ｙｕａｎ，Ｇｕｏ Ｙｕｐｉｎｇ，Ｙａｎｇ Ｈｕｉ．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｉｍｐｕｌｓｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｎ ＴＷＳＲ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ ａｎ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００９，２９（１）：６７－７０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）［１１］Ｌｉｎ Ｗｕｎｂｉ，Ｌｉｕ Ｙｉｎｇｔｅ，Ｃｈｅｎ Ｆｕｃｈｉａｎｇ．Ａ ｎｅｗ ｕｌｔｒａ－ｗｉｄｅｂａｎｄ ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ３８ｔｈ ＥｕｒｏｐｅａｎＭｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ：［ｓ．ｎ．］，２００８：１５８５－１５８８．（责任编辑：刘芳）５９第１期刘丽华等：新型超宽带穿墙雷达单周期窄脉冲产生技术。
超宽带极窄脉冲设计与产生
第２ 卷 第３ ８ 期
２０ ０ ６年 ３月
现 代 雷 达
Ｍｏ ｅ Ｒａ ａ ｄ ｍ ｄ ｒ
Ｖｏ ＿ ８ Ｎｏ ３ ｌ２ ．
Ｍａｃ ０ ６ ｒ ｈ ２０
８ ７
超 宽 带 极 窄脉 冲设 计 与产 生
樊孝明， 林基 明， 郑继禹， 仇洪冰
０ 引 言
超宽带技 术 （ ｌａＷｉ ｂｎ ， ＷＢ 是 以持续 时 Ｕｔ － ｄ ａｄ Ｕ ） ｒ ｅ 对比较简单 ， 如图 １ 所示。从 图 中可 以发现 ， ＷＢ发 Ｕ
间为纳秒甚至皮秒量级脉冲作为传输载体进行数据通
信的无线新技术…。由于脉冲持续时间极短 ， 导致信
射机部分可以不包含功率放大器 ， 替代它的是一个脉
冲发生器 ， 它根据要求产生 时间宽度极短 的窄 脉冲直 接激励超宽带天线进行辐射。可编程时延实现了伪随 机码 的时域编码和时域调制功能 。驱动器主要用来提 供一定的驱动能力 ， 同时对前 、 后级电路进行有效地隔 离。脉冲发生器在超宽带无线通信系统中占据着极其
重要 的地位 ， Ｕ 是 ＷＢ系统 中独特 的关键 部件 之一。 Ｕ ＷＢ通信系统 的超宽带特性直接与脉 冲发生器产生 的脉冲形状相关 ， 显然 ， 冲持续 时间越短 ， 脉 导致 脉冲 所扩展的带宽就越宽。
了ｕ ＷＢ技术的研究工作。
Ｕ ＷＢ技术实现 的关键之一是如何设计并 产生可 以控制的 Ｕ ＷＢ极窄脉冲， ＷＢ脉 冲形式是多种多样 Ｕ
的， 文献 ［ ］ ２ 中介绍利用 Ｓ Ｄ和传输线 的基本原理产 Ｒ 生了单周高斯脉冲， 产生 幅度 比较低。本文利用晶 但 体管雪崩区工作 的基本原理 ， Ｊ设计并产生 了持续 时
ｒｗ ｕｓ ｏ ｐ ｅ聃 ｔ ｎ ｍｉｓｏ ａｒｅ． Ｂ ｓｎ ｎ ｔｅｃ ａａ ｔｒｓｉｓｏ ． ａａ ｃ ｅｔａ ｓｓ ｒ ｙ ｃ ｒｎ ｕ ｒ ｇ ｒｎ ｄ ｓａ ｏ ｔｄ ｌ ｒ ｓ ｓｉｎ ｃｒｉｒ ａｉｇ ｏ ｈ ｈ ｒｃｅｉｔ ｆａ ｌｎ ｈ ｒｎｉｔ ，ｓｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｔｇ ｅ ｇ ｍｏ ｅ ｉ ｄ ｐｅ ． ａ ｃ ｖ ｏ ｉ ｉ ａ ｄ ｔｅｎ ｎ ｓｃ ｎ ｎ ｕ －ａ ｏｅｏ ｄ Ｕ Ｂ ｐ ｌｅ ｒ ｅｉｎ ｄａ ｄｇ ｎ ｒｔｄ ｎ ｈ ａ ｏｅ ｏ ｄ ａ ｄ ｓｂ ｎ ｎ ｓ ｃ ｎ Ｗ ｕｓ ｓａｅｄ ｓ ｅ ｎ ｅ ｅａｅ ．Ｔｈ ｈ ａ ｔｒｓ ｃｐ ｒｍｅｅｓｏ Ｂ ｐ ｌｅａｅ ｇ ｅｃ ａ ｃｅ ｔ ａａ ｔｒ ｆ ｒ ｉ ｉ ＵＷ ｕｓ ｒ ａ ａｙ ｅ ｎ ａｃ ｌｔｄｆｏ ａ ｑ ｉａｅ ｔｃｒｕｔ Ｇ ｏ ｇｅｍｅ ｔｂ ｔ ｅ ｈ ａ ｕｅ ｄ ｃ ｃ ｌｔｄｒｓ ｌ ｓａ ｈｅｅ ． ｎ ｚｄ ａ ｄ ｃ ｕａｅ ｒｍ ｎｅ ｕｖ ｎ ｉ ｉ ｌ ｌ ｌ ｃ ． ｏ ｄ ａｒｅ ｎ ｅｗｅ ｎｔｅｍｅ ｓ ｒｄ ａ ａ ｕａｅ ｅｕｔ ｉ ｃ ｉｖ ｄ ｎ ｌ ｓ
脉冲的涨宽与变窄
脉冲的涨宽与变窄引言脉冲信号是在通信、控制等领域中非常重要的信号之一，其宽度的变化对系统的性能和操作有着重要的影响。
本文将介绍脉冲信号的涨宽和变窄的原理及应用。
脉冲信号的基本知识脉冲信号是在一段很短的时间内突然达到最大值，然后迅速回到零值的一种电信号。
脉冲信号通常具有较短的脉冲宽度，并且可以通过改变脉冲宽度来改变信号的特性。
脉冲的涨宽与变窄原理脉冲的涨宽和变窄是通过改变信号的时域特性来实现的。
脉冲的涨宽当我们需要将脉冲信号的宽度变宽时，可以采取以下几种方法：1.增大脉冲宽度的持续时间：通过延长脉冲信号的持续时间，可以使脉冲信号的宽度变得更宽。
这可以通过增加脉冲发生器的工作时间或改变脉冲信号的周期来实现。
2.增加脉冲信号的占空比：占空比是信号高电平时间与一个周期的比值。
通过增加占空比，可以使脉冲信号的宽度变得更宽。
脉冲的变窄当我们需要将脉冲信号的宽度变窄时，可以采取以下几种方法：1.缩短脉冲宽度的持续时间：通过减少脉冲信号的持续时间，可以使脉冲信号的宽度变得更窄。
这可以通过减少脉冲发生器的工作时间或改变脉冲信号的周期来实现。
2.减小脉冲信号的占空比：通过减小占空比，可以使脉冲信号的宽度变得更窄。
脉冲的涨宽与变窄的应用脉冲信号的涨宽和变窄具有广泛的应用，以下是一些常见的应用场景：1.通信系统中的调制技术：在数字通信中，脉冲宽度调制（PWM）和脉冲位置调制（PPM）等技术被广泛应用。
涨宽和变窄脉冲信号可以用来传输数字信息。
2.电子测量和控制系统：在电子测量中，通过改变脉冲信号的宽度可以实现测量和控制信号的精度。
3.医疗设备中的脉冲信号：在医疗设备中，脉冲信号的宽度变化可以用来模拟心跳信号，以检测和治疗心脏疾病。
4.雷达和无线电通信系统：在雷达和无线电通信系统中，脉冲信号的涨宽和变窄可以用来控制传输和接收信号的范围和精度。
脉冲信号的涨宽和变窄对于很多领域的应用来说都是非常重要的，通过改变脉冲信号的宽度，我们可以控制信号的范围和精度。
uwb技术原理
UWB技术原理详解1. 引言超宽带（Ultra-Wideband，简称UWB）技术是一种用于无线通信的调制和传输技术。
与传统的窄带通信技术相比，UWB技术具有更大的频谱带宽、更低的功率密度和更高的数据传输速率。
本文将详细解释UWB技术的基本原理。
2. UWB技术概述UWB技术是一种基于短脉冲的无线通信技术，其核心思想是通过在时间域上使用非常短且宽带的脉冲来传输信息。
这些脉冲通常持续时间仅为纳秒级别，但频谱却非常宽广，覆盖几个GHz甚至更多。
由于这种特殊的脉冲形式，UWB技术能够实现高速数据传输、高精度定位以及低功耗通信等应用。
3. UWB脉冲生成在UWB系统中，脉冲生成是实现高速数据传输和定位功能的关键步骤之一。
一般来说，UWB系统中使用两种方法来生成宽带脉冲：直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，简称DSSS）和脉冲形状调制（Pulse Shape Modulation，简称PSM）。
3.1 直接序列扩频（DSSS）DSSS是一种将窄带信号扩展到宽带信号的技术。
在UWB系统中，DSSS通过将窄脉冲与一个高速伪随机码序列进行乘积运算来生成宽带脉冲。
这个伪随机码序列通常是一个具有良好相关性特性的码片序列，其周期远远小于脉冲持续时间。
具体而言，DSSS的过程如下： - 步骤1：将要传输的信息数据进行调制，得到基带信号。
- 步骤2：将基带信号与伪随机码序列进行乘积运算。
- 步骤3：将乘积结果进行滤波处理，得到宽带脉冲。
3.2 脉冲形状调制（PSM）PSM是一种通过调制脉冲形状来实现宽带通信的方法。
在UWB系统中，PSM通过改变脉冲的幅度、宽度和相位等参数来实现信息传输。
常见的PSM技术包括正弦调制、高斯调制和Hermite-Gauss调制等。
具体而言，PSM的过程如下： - 步骤1：将要传输的信息数据进行调制，得到基带信号。
- 步骤2：根据基带信号的特性，设计合适的脉冲形状函数。
超宽带窄脉冲的设计与实现
参考文献 1. 朱慧, 苏锐. 超宽带技术概述[J]. 信息技 术2006年11期, 2006-05-23 2. Kim H., Joo Y., All-digital low-power CMOS pulse generator for UWB system[J]. IEE Electronics Letters Vol. 40, No 24, pp. 1534– 1535, November 2004 3. 黄堂森. 用于超宽带穿墙雷达的窄脉冲 产生技术[J]. 电子科技2007年2期, 2006-08 4. 张海平. 超宽带(U W B)窄脉冲发生器 的研究[D]. 西南交通大学硕士学位论文, 2007-05
图4 重复频率2MHz的脉冲串 图5 晶体管方法生成窄脉冲的原理图
万方数据
69 Electronic Design & Application World-Nikkei Elect窄脉冲
可以实现宽度的实时可控。此外使 用一些集成度较高的成熟芯片，增 强了电路的简易性，也增加了整个 系统的集成度。缺点是脉冲信号功 率有限，而且脉宽也受限于集成芯 片速度，不易做到很窄。
参考文献(4条)
1.张海平 超宽带(UWB)窜脉冲发生器的研究 2007
2.黄堂森 用于超宽带穿墙雷达的窄脉冲产生技术[期刊论文]-电子科技 2007(02)
3.Kim H;Joo Y All-digital low-power CMOS pulse generator for UWB system[外文期刊] 2004(24)
4.朱慧;苏锐 超宽带技术概迷[期刊论文]-信息技术 2006(11)
本文读者也读过(10条) 1. 田野.孙宏宁.祖大鹏.Tian Ye.Sun Hongning.Zu Dapeng 基于MultisimV7平台的组合逻辑电路中竞争冒险的分析[期刊论文]-哈尔 滨师范大学自然科学学报2005,21(4) 2. 吴兰臻.Wu Lanzhen 基于三值模型的竞争冒险检测[期刊论文]-仪器仪表用户2001,8(1) 3. 崔瑞雪.张增良.周涛.CUI Rui-xue.ZHANG Zeng-liang.ZHOU Tao 可编程逻辑器件的竞争-冒险现象[期刊论文]-华北航天工业学院 学报2005,15(2) 4. 韩芳.张亚 EDA技术在竞争-冒险现象教学中的应用[期刊论文]-福建电脑2008,24(12) 5. 王春侠 CPLD应用中计数器竞争-冒险现象的一种消除方法[期刊论文]-陕西工学院学报(自然科学版)2003,19(2) 6. 张洁.宋晓丹.ZHANG Jie.SONG Xiao-dan 计数电路中竞争冒险消除的一种方法[期刊论文]-上饶师范学院学报2005,25(3) 7. 宁敏东.熊中朝.杨犀.NING Min-dong.XIONG Zhong-chao.YANG Xi 竞争冒险实验电路的设计与测试[期刊论文]-洛阳师范学院学报 2006,25(5) 8. 沈济民 组合逻辑电路中的竞争冒险现象[期刊论文]-南京广播电视大学学报2003(4) 9. 尹红卫.侯周国 电平异步时序电路的本质险象[期刊论文]-娄底师专学报2003(2) 10. 冼志妙.李廷洪 电位异步时序电路的冒险现象[期刊论文]-河南职业技术师范学院学报2004,32(4)
一种超宽带、单周期窄脉冲产生技术
第 7 期" " " " " " " " " " " " "
周建明等：一种超宽带、 单周期窄脉冲产生技术
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!" 单周期窄脉冲电路的设计和分析
根据前面的分析， 456 体现了很强的非线性电 容特性， 基于这种特性可用 456 产生单周期窄脉冲
［ > ? @］ 信号， 图 = 为单周期窄脉冲产生电路 ， 该电路由
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阶跃恢复二极管与普通的 )2 二极管有很大的 区别
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用于超宽带穿墙雷达的窄脉冲产生技术
Ｔｈ ｃ ｎｏ ｏ ｙ ｏ ｌ ｅ Ｇｅ ｅ ａ ｉ ｎ ｏ ｎ ｔ ａ Ｗ ｉ ｂａ ｒ ｕｇ ａ ｌＲａ ａ ｅ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ｆＰｕ ｓ ｎ ｒ ｔｏ ｆ ａ Ｕｌｒ ｄｅ ｎｄ Ｔｈ ｏ ｈ Ｗ ｌ ｄ ｒ
Ｈｕ ｎ ｎ ｓ ｎ ａ ｇ Ｔａ ｇ ｅ
具 有 穿 透 能 力 强 ， 隐蔽 性 好 ，抗 干扰 能 力 强 ，传 输 速 率高 ，系 统 容 量 大 ，功耗 底 ，系 统 复 杂 度 低
超宽 带技 术 的 脉 冲雷 达 ，在 反 恐 战 斗 、远 程 医疗
服务 、非接 触 式 探 测 心 跳 和 呼 吸 、军 事 领 域 以及
等一 系列优 点。有 资料 表 明 ，频 率在 ３０Ｍ ｚ ０ Ｈ 到
（ｏ Ｃ ｍｍｕ ｉａｉｎａ ｄ Ｉｆｒ ｔ ｎ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ｐ ｒ ｎ ，Ｇ ｉｎ ｎｃｔ ｎ ｎｏｍａｉ ｎ ｉｅ ｒ ｇＤｅ ａｔ ｔ ｕｌ ｏ ｏ ｉ ｍｅ ｉ Ｕｎｖ ｒｉ ｆＥｅ ｔ ｎｃＴ ｃ ｎ ｌｇ ｉｅ ｔ ｏ ｌｃ ｏ ｉ ｅｈ ｏｏｙ，Ｇ ｉｎ５ １ ０ ｓｙ ｒ ｕｌ ４ ０ ４，Ｃ ｉａ ｉ ｈｎ ）
Ｋ ｅ ｗｏ ｄ ｕ ｔａ ｗｉｅ ａ ｄ ｔｒ ｕ ｈ ｗａｌｒ ｄ ； ｓ ｏ ｕｓ ｙ ｒｓ ｌ ｄ ｂ ｎ ｈ ｏ ｇ ｌ ａ ａ ｒ ｒ ｈ ｒ ｐ ｌｅ； ｄ ｌｙ Ｃ ｔ ｅａ ＯＭＳ ｃ ｉ 来 ，超 宽带 穿墙 雷 达 成 为 国 内 外 学 者 研 究 的热点 。超 宽 带 穿墙 雷 达 是 一 种 新 型 的 、基 于
超宽带无线电中纳秒级脉冲产生
超宽带无线电中纳秒级脉冲产生汇报人：2023-12-21•引言•纳秒级脉冲产生原理•纳秒级脉冲产生电路设计目录•纳秒级脉冲产生实验研究•纳秒级脉冲产生在实际应用中的挑战与解决方案•结论与展望01引言超宽带无线电技术是一种无线通信技术，其脉冲宽度极窄，具有高速传输和低截获率等优点。
定义与特点超宽带无线电技术广泛应用于雷达、通信、探测等领域，尤其在军事领域具有重要价值。
应用领域超宽带无线电技术概述纳秒级脉冲可以极大提高无线通信的传输速率，满足高速数据传输的需求。
提高传输速率增强抗干扰能力实现低截获率纳秒级脉冲具有极窄的脉冲宽度，可以降低多径效应和干扰，提高通信的可靠性。
由于纳秒级脉冲的能量集中，其信号容易被敌方识别和截获，因此对于军事通信具有重要意义。
030201纳秒级脉冲产生的重要性02纳秒级脉冲产生原理利用电路中的电容和电感等元件，通过快速充放电过程，产生短暂的脉冲电流。
在某些半导体材料中，利用雪崩倍增效应可以产生纳秒级的脉冲电流。
脉冲产生的基本原理雪崩倍增效应脉冲电路纳秒级脉冲的产生方法利用激光束在特定材料中产生非线性效应，生成高强度、短脉冲的光信号。
基于电子学的脉冲产生方法利用高速开关、变阻器、反射镜等元件，产生高速变化的电流和电压，从而产生纳秒级脉冲。
纳秒级脉冲的宽度通常在几至几十纳秒之间。
脉冲宽度纳秒级脉冲的幅度通常很高，可以达到数千安培或更高。
脉冲幅度纳秒级脉冲的波形通常呈现出快速上升和下降的特点，类似于矩形波或梯形波。
脉冲波形脉冲的特性与参数03纳秒级脉冲产生电路设计确保电路在各种工作条件下都能稳定工作，避免出现振荡或失真。
稳定性要求电路在工作范围内保持较好的线性关系，以保证脉冲信号的准确性和一致性。
线性度根据超宽带无线电的应用需求，选择合适的带宽以支持高速数据传输。
带宽电路设计的基本原则电路结构与工作原理产生高频脉冲信号，作为纳秒级脉冲的源信号。
对源信号进行放大，以满足后续电路对脉冲幅度和功率的要求。
几种超宽带脉冲波形构造方法分析
科
赵 鹏 赵 昆
科技论坛 Ｉ
李国强 邹 敬 博
（ 尔滨中庆燃 气有 限责任公 司， 哈 黑龙 江 哈 尔滨 １００ ） ５ ０ ０
摘 要： 在基于窄脉冲的超宽带（ ｌ ａ Ｗｉｅａ ｄ 系统 中， 用与传 统正弦波不 同的窄脉 冲采传 递信 息 ， Ｕ ｔ — ｄｂ ｎ ） ｒ 使 因此发射的脉冲信号是一 个很 关键 的 问题 。首先给出 了对发射脉冲信号的一些基本要求 ， 然后从理论上介 绍了三种 常见 的波形 以及 两种 比较新 的波形的构造方法 ， 最后对这几种波形构
造 方 法进 行 了分 析 与 比较 。
关键词 ： 超宽带 ； 脉冲波形 ； 能分析 性 冲 、高斯单脉 冲以及高斯脉 冲二 阶导 函数 的波 示成频域带宽 ｎ和脉冲时间宽度 Ｔ乘积 的一 １超宽带脉冲波形简介 通信 系统的一 个关键 功能就 是用一 个模 形 ， 所有波形 的能量都是归一化 的。 半 ， ｃ ， ２。 即 ：ｎｒ ， 在式 （） ， ５中 ｎ是 在 ［Ｔ２Ｔ２时 间段 内 的 一 ／ ，／］ 拟的波形来代表不 同的信息符号 。正如前面我 能量集 中程度 ， 其取值 范围为 ，］表示为 １， 们所提到的，在超宽带系统 中使用的模拟波形 不是正弦波而是一个窄脉冲 ，一般这个窄脉 冲 ￡ （ ７ ） 的时间宽度不 到 Ｉｓ ｎ 。但并 不是任意 的窄 脉冲 ｒ （ ｌ ｒ ） 都 可以直接应用在超宽带系统当中 ，下面给出 而 且 ， 以发 现 长 球 面 波 函 数 具 有 如 下 的 可 特性 ： ， 了对超宽带系统 中使用的窄脉 冲提 出的一些要 求： （ （ 。 ） 二 ） ‘ ： １１ ． 正交性 ：传统的超宽 带系统 中不 同用 ａ高斯类函数的时域波形 ｂ高斯类函数的频域波形 高斯 单脉 冲 、 高斯 脉 冲 二 阶 导 户使用相同的脉冲来传送信息 ，用户 间靠扩频 图 １ 高 斯 脉 冲 、 如果我们求解式 （ 所示的差分方程 ， ６ ） 可以 函数 的 波 形 码来区分 ，但是 不同用户使用 同样的脉 冲导致 得 到 很高的多用户 干扰 ， 从而将降低系统容量 ， 因此 ２２ 瑞 利 脉 冲 ． （－ｚ １ｔ堕 ） 堂 ＋ 一 ｚ） ｆ （ ｆ （：０（ ２ ） ９ ） ｄ ｔ ｄｔ ‘ “ 提出了为每个用户分配不同的波形 ，各个波形 由于使用 高斯导 函数 的方法 所得到 的波 之间相互正交 的要求 ， 以降低多用户干扰 ， 提高 形 矩 形 系数 不 是 很 好 ，因 此 又 提 出 了 一 种 基 于 系统容量 。 瑞利脉 冲的波形设计 方法，其具体 的工作流程 化 简 得 １ ． ２中心频率 、 宽可控 ：Ｃ 带 Ｆ Ｃ为超 宽带 分 如 下 ： 配给 超 宽 带 的频 率 范 嗣为 ３ Ｇ ｚ 分 ． Ｈ～ １ ｆ０ １１ １ ． 配了７ Ｇ ｚ ． Ｈ 的频段 ， 同的系统可 以占用其 中 １．Ｇ ， ５ 不 ０ Ｈｚ ６ 则发送 脉冲的峰值频率 ｆ一 定在此范 Ｍ （） ｆ＝＿ ［ｆ （） 一ｃ ） （） ２ ｆ一（ ｆ】 的某一部分或全 部，因此要求 窄脉 冲能够随着 围之 内。令 ３１ Ｈｚ ｆ ０６ ｔ ．Ｇ ＜Ｍ ．Ｇｔ ＜１ ｚ就可 以求 出对 ｌ— ｆ 系统的不同而处 于不同的中心频率 ，占用不 同 应于不 同 ｎ 的满足此 要求 的 “值 范围 “ 值 ＜ 式 中“ ” ｘ表示 对 Ｘ 关于 时间 ｔ 的微分 ， 以 可 的带 宽 。 ｄ ｄ ｄ为瑞利 函数 的脉 冲形状参 数） ＜ （ ， 然后从 看到 ， 单地改变一 下 的值 ， 可 以得 到对 简 就 １３自适应频谱包 络 ：在要 求 １ － ． ２的基础 “ 开始进行计算 ， 看所得 到的波形是否满足所 应于不同阶数的脉冲。 上 ，由于超宽带 占用的频带 中有些频段 已经分 有 拐点 的要求 ， 满足则 令 “ ＝ …若不 满足 若 ３各种 构造 方法的分析与比较 配给了其它 系统使用 ，因此希望在该干扰系统 则 逐渐 增大 ，直 至得 到满 足 所有 拐 点要 求 的 上面分 别介 绍了几 种不 同的波形 构 造方 对应 的频段上 ， 超宽带系统能够产 生陷波 ， 从而 ｄ ； 同样道理可 以求得 ｄ 。则在 ［ ｄ ｌ ｎ Ｊ 法， 但是每种方法都有各 自的优缺点 ， 下面就从 既避免 了该系统对超宽带 系统 的干扰 ，又避 免 间 内的 “ 值都是对应 的解 。此时对应于不同的 基本要求 的四个方 面对 以上介绍的波形进行一 了超宽带系统对现 有系统 的干扰 。 ｎ值， 可以得到 一系列满 足 Ｆ Ｃ规 范的脉 冲。 Ｃ 下 分 析 和 比较 ： １ ． 形系数 ：矩形系数衡 量的是一个 系 ４矩 ２ 修正 Ｈｅ ｎｔ ３ ｎｉ ｅ脉冲 ３１从正交性方面考虑 ：高斯类函数 以及 ． 统的总能量 与带外能量 的关系 。在系统设计时 修正 Ｈｅｍ ｔ ｒｉ ｅ脉冲定 义如下 ： 瑞利脉冲都不是正交函数 ， 这里不考 虑。 对于修 ４１ 正 Ｈｒ ｔ 总是 希望矩形系数越小越好 ，以避免能量损失 ｅｍｉ ｅ脉 冲 ，可以发现不 同的正交脉 冲所 （＝ ０ （ ＝ 一） ？ Ｃ （ ｔ２ｆ 占用的频带是不 同的，如果在一个 系统 中同时 ｆ ” ｆ （Ｔ ｅ１ Ｔ ） ） ４ ｅ２＂ －／２ ｒ 并 降低对其它用户或系统 的于扰。 “ ｄ ２常见脉冲波形构造方法 式 中 ，＝ ， ， ， … ； ∞＜＜ ； 是 时 间一 ｎ ０ １２ … 一 ｔ Ｔ 存在 多个脉 冲 ， 占用的带宽将远远大于单独 则 ２１高斯类函数 ． 尺度因子 ； ｋ 用来确定 正交 Ｈ ｒ ｔ ｅｍｉ ｅ脉搏的能 个脉 冲所 占用 的带宽 ，而且存在很丰 富的低 由于在数学表达上与高斯 函数 相类似 ， 有 量 ， 若要求各 阶脉冲具有单位 能量 ， ｋ 为 。 则 频分量 ； 对于长球 面波 函数 ， 所有 的正交 函数 占 类 函数被称为高斯类 函数 。高斯类 函数 中最 用几乎相同 的时间宽度和频带宽度 ，在一个 系 基本的一个 函数称 为高斯脉 冲， 定义如下 ： 统 中同时传 输 多个脉 冲也 不会 引起 频带 的变 ２３ 长 球 面 波 函数 － 化。 因此从正交性 的要求看 ， 长球面波函数是比 ｙ （） Ｋ】弋 目 ｆ＝ ｅ 一 ＩＩ ｆ 若 函数 ｈ ） ｈｃ ０ｔ （满足 （ Ｉ ｃ ） ｌ＞Ｔ／ 则称函 较好 的选择 。 ＝ ２， 式 中 ，。＜＜。Ｔ是时 间一 一。 ［。； 尺度 因子 ； Ｋ 是 数 ｈ０ （是时间有限的 ； 与此相类 似 ， 若函数 ｈ０ （ ３ ． ２从频谱包络 自适应性方面考 虑 ：高斯 常数 。更多 的波形可 以通过对高斯脉冲进行高 的傅里叶变换 Ｈ０ （满足 Ｈ｛ ０ｆ＞Ｏ ２ 则称 类 函数 的相对带宽是 固定 的，因此 当给定 中心 ｆ １ｌ ／ ， ］ ＝ 通滤波来得到 ， 从时间域上来 看 ， 可以看 成是 函数 Ｈ ） 也 ０是频带有限 的。在通信工程领域里 频率和带宽 中的一个时 ，另外一个参数也是 固 对式（ 进行微分运算 。例如 ， １ ） 高斯 单脉 冲就是 面 ， 在时域和频域 同时几乎 是有 限的函数是非 定 的， 基本 没有选择余 地 ； 修正 Ｈ ｒ ｉ 脉冲同 ｅ ｔ ｍｅ 对高斯 脉冲进行一次求导运算 ， 可表示成 常有用的 ， 而长球 面波 正是 这么一种 函数 。这 高斯类 函数存在相同的问题 ，而且 当同时传输 ５ ） 多个脉冲时 占用的带 宽太大 ；长球 面波函数 可 （ ＝ Ｋ２ ｆ ） ｅ （￣ －ｔ ） ／ （） 类 函数可 以表示成式ｆ 所示方程的解 ： ２ 。 ７ 以在给定的频段上设计波形 ，并完全覆盖所 给 州 ｄ＝ ｘ 高斯 脉冲没有过零点 ， 高斯单脉 冲有一个 定 的频段 ，但是若想在给定频段 中的某一部分 过零点 ， 更高阶的微分运算 会导致更 多的过零 也可 以写成是式（ 所示差分方程 的解 ６ ） 进行 陷波 时，现在仍然不能给 出一个很好 的解 点， 微分运算每增加一 次 ， 过零点就增 加一个 。 （ ｔ） １ ２ ＋（ 一ｃｔ） （ ：０ ２ ｆ ） （） 决算法 ；而瑞利脉冲虽然可以通过选择最优 的 如果 值 固定并增加微分的次数 ，则相对带 宽 波形来实现 占用带宽和中心频率的变换 ，但是 会下降 ， 同时中心频 率会上升 。 式 中 ， （是第 ｎ阶长球 面波 函数 ，＝ ， 也无法实现给定频 段的陷波。 ｆ Ｊ ｎｌ， ２ 因此 ， 了实现 自 为 图 １给 出了当 ｒ ２×１ ～１ Ｊ： ０ ０时高斯脉 ３…… ； 是 （ 的特征值 。常数 ｃ可以表 适应频谱 包络 ， ， ｆ ） 可以选择 （ 下转 ２ ３页） ６
一种新的超宽带窄脉冲产生方法
一种新的超宽带窄脉冲产生方法
朱满江;王玫
【期刊名称】《电测与仪表》
【年(卷),期】2008(045)005
【摘要】超宽带(UWB)技术是通过持续时间极短的脉冲传送信息的无线新技术.本文采用数字集成芯片设计了低功耗的UWB脉冲发生器.实验获得了纳秒级的超短、快速前沿的单极性高斯型UWB脉冲,脉冲的峰峰值为0.77V,半宽度为455ps.该电路结构简单、体积小、电路稳定、易于集成,适用于短距离环境下的超宽带无线通
信系统.
【总页数】4页(P57-60)
【作者】朱满江;王玫
【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院,广西,桂林,541004;桂林电子科技
大学信息与通信学院,广西,桂林,541004
【正文语种】中文
【中图分类】TN782
【相关文献】
1.一种新的低频超宽带干涉合成孔径雷达绝对相位估计方法 [J], 许军毅;安道祥;黄晓涛;王广学
2.一种新的超宽带脉冲波形设计方法 [J], 顾真松;陈佳栋;缪翔
3.一种新的超宽带脉冲信号优化设计方法 [J], 庄陵;仇国庆;唐贤伦;曹长修
4.一种超宽带、单周期窄脉冲产生技术 [J], 周建明;陈宁;纪建华;费元春
5.超宽带窄脉冲产生方法比较 [J], 李智;罗剑锋;
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超宽带窄脉冲产生方法比较
Zhi Li1, Jianfeng Luo2
1Chongqing Huayu Electric Group Co., Ltd., Chongqing 2Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xi’an Shaanxi
Received: May 6th, 2019; accepted: May 21st, 2019; published: May 28th, 2019
Abstract
Ultra-wideband (UWB) technology is the most advanced and accurate short-range wireless communication technology at present. UWB communication based on narrow pulse is the most classical way to realize it. In this paper, by analyzing several typical UWB narrow pulse generation methods, four UWB narrow pulse generation circuits are introduced from the angle of analog circuit and digital circuit respectively. The simulation results of four pulse generators are given, and the circuit structure and performance are discussed and compared.
超宽带无线电中纳秒级脉冲产生研究
整块电路的结构紧凑,布线讲究,整体电路比一元硬币稍大,封装后可作为一个独立的小型模块使用;另外电路是输入方波上升沿触发的,因此很适合应用到跳时脉冲位置调制的超宽带通信系统中。但为满足现代通信的需求,特别考虑集成时,系统在很多方面都需要大大改善和提高。
将超宽带雷达应用于通信是近年来业界的研究热点。在传统的通信技术中,通常把信号从基带调制到正弦或余弦载波上,而超宽带UWB(Ultra Wide Band)通信则是通过对持续时间持续时间为纳秒或亚纳秒级窄脉冲进行调制,这样UWB信号将具有GHz量级的带宽[1～2]。超宽带技术相对于连续波通信系统通信系统具有独到之处,应用领域广泛,如雷达、通信、探测等。UWB的特点:发射信号功率谱密度较低,强抗截获能力;系统复杂度低;数厘米的定位精度等优点。但是这些性能的获得都需要依赖于现有技术和工艺的可行性,特别是集成电路的工艺。UWB应用中必不可少的关键之一是如何产生可以控制的UWB窄脉冲,灵活方便是UWB通信所渴望的;产生足够窄的脉冲和适于信道传输的脉冲形状也是UWB通信中的热门研究点和关键所在。为此,本文探讨了一种纳秒级脉冲发生电路的原理和设计,完成了实物制作,给出测得的实际结果。
超宽带无线电中纳秒级脉冲产生研究
摘 要: 在分析现有超宽带超宽带无线电的载体—窄脉冲产生方法优缺点的基础上,提出产生超宽带纳秒纳秒级脉冲的逻辑框图,并由此设计相应的电路原理图、PCB版图,经实物调试测出输出波形,最后指出该电路的应用领域。
关键词: 超宽带 超宽带无线电 纳秒级脉冲
针对前人所作的工作和现有的器件,改进并设计了超宽带纳秒级脉冲成形电路,然后完成了具体电路的研制和测试。
2 设计概要和结果
2.1 基本工作原理
电路的逻辑结构,运用开关三极管的短暂良性雪崩效应,让存储在三极管集电极集电极端的电容快速放电而产生纳秒级脉冲。电源模块提供足以使三极管产生雪崩的高达90V的电压,这时即便断掉输入信号,也可以产生自激式纳秒级脉冲;调节电源模块的输出电压使之刚好在开关三极管的临界雪崩电压处,这时加上PPM信号促使三极管产生雪崩效应,得到窄脉冲,从而使输出窄脉冲承载了信息。脉冲整形电路对输入的PPM信号进行延迟和微分,以使之触发雪崩效应。此外调节脉冲生成电路可以得到不同形状的窄脉冲,满足对信息不同调制方式的需求。
超宽带雷达冲激窄脉冲串产生
窄脉冲串的产生方法
间接调制方法
直接调制方法
03
脉冲位置调制（PPM）
通过改变脉冲的位置来传递信息，具有较高的抗干扰能力和信噪比。
01
脉冲幅度调制（PAM）
通过改变脉冲的幅度来传递信息，通常采用二进制或多进制方式。
02
脉冲宽度调制（PWM）
超宽带雷达冲激窄脉冲串具有较强的抗干扰能力，能够在复杂环境下稳定工作。
总结词
超宽带雷达冲激窄脉冲串的宽频带信号具有较低的功率谱密度，能够有效降低其他电磁波的干扰。此外，超宽带雷达的脉冲信号具有极短的持续时间和极高的峰值功率，使其具有较强的抗干扰能力和穿透能力，能够在复杂环境下稳定工作。
详细描述
高抗干扰能力
无人驾驶
超宽带雷达可以用于无人驾驶车辆的环境感知，实时监测车辆周围障碍物、行人和其他车辆的位置和速度，提高行驶安全性。
智能交通
超宽带雷达还可以用于智能交通系统，检测交通违规行为、车辆流量和路况信息，优化交通流，提高道路通行效率。
医学成像
超宽带雷达具有高分辨率和穿透性，可以用于医学成像，如乳房X光检查、血管成像等，提高诊断准确性和可靠性。
02
冲激窄脉冲串的产生原理
快速上升沿和下降沿
冲激脉冲在时间轴上呈现出快速上升和下降的特性，具有很高的频率成分。
高峰值功率
为了产生超宽带信号，冲激脉冲通常具有较高的峰值功率。
极短的持续时间
冲激脉冲的持续时间极短，通常在纳秒级别，具有很高的时间分辨率。
冲激脉冲的特性
通过高速开关或脉冲发生器产生单个冲激脉冲，然后通过调制器将其调制为窄脉冲串。
通过改变脉冲的宽度来传递信息，可以获得较高的分辨率和动态范围。
超宽带UWB无线通信中的调制技术
超宽带UWB无线通信中的调制技术超宽带(UWB，Ultra Wide Band)无线技术在无线电通信、雷达、跟踪、精确定位、成像、武器控制等众多领域具有广阔的应用前景，因此被认为是未来几年电信热门技术之一。
目前“超宽带”的定义只是针对信号频谱的相对带宽(或绝对带宽)而言，没有界定的时域波形特征。
因此，有多种方式产生超宽带信号。
其中，最典型的方法是利用纳秒级的窄脉冲(又称为冲激脉冲)的频谱特性来实现。
1 UWB基本原理FCC(美国通信委员会)对超宽带系统的最新定义是：相对带宽(在-10dB点处)(fH-fL)/fc>20%(fH，fL，fc分别为带宽的高端频率、低端频率和中心频率) 或者总带宽BW>500MHz。
它与现有的无线电系统比较，在花费更小的制造成本的条件下，能够做到更高的数据传输速率(100～500MbPs)、更强的抗干扰能力(处理增益50dB以上)，同时具有极好的抗多径性能和十分精确的定位能力(精度在cm 以内)。
发射超宽带(UWB)信号最常用和最传统的方法是发射一种时域上很短(占空比低达0.5%)的冲激脉冲。
这种传输技术称为“冲击无线电(IR)”。
UWB-IR又被称为基带无载波无线电，因为它不像传统通信系统中使用正弦波把信号调制到更高的载频上，而是用基带信号直接驱动天线输出的;由信息数据对脉冲进行调制，同时，为了形成所产生信号的频谱而用伪随即序列对数据符号进行编码。
因此冲击脉冲和调制技术就是超宽带的两大关键所在。
2 UWB的调制技术超宽带系统中信息数据对脉冲的调制方法可以有多种。
脉冲位置调制(PPM) 和脉冲幅度调制(PAM)是UWB 最常用的两种调制方式。
通常UWB信号模型为：(1)其中，w (t) 表示发送的单周期脉冲，dj，tj分别表示单脉冲的幅度和时延。
PAM是一种通过改变那些基于需传输数据的传输脉冲幅度的调制技术。
在PAM调制系统中，一系列的脉冲幅度被用来代表需要传输的数据。
超宽带UWB极窄脉冲的产生与实现
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脉 冲 发 生 器 的 储 能 电 容 值 为 !012 电 阻 !"" 与 负 载 电 阻 !") 为 !"" # 晶 体 管 在 雪 崩 击 穿 状 态 下 的 导 通 电 阻 !") 一 般 为 ,3 % !3" ! 使 用 的 微 波 双 极 性 晶 体 管 的 主 要 参 数 如 下 " 特 征 频 率 +. (’/456 $ 集 电 极 & 基 极 雪 崩 击 穿 电 压 /%$/0 (7!82 集 电 极 & 发 射 极 雪 崩 击 穿 电 压 /%$10 (/.!8 $ 集 电 极 最 大 电 流 23 ("339: % 晶体管在开关状态下$脉 冲的 上升时 间可 近似表 示 为 ; #< "
通讯与电视
超 宽 带 ! "#$ % 极 窄 脉 冲 的 产 生 与 实 现
桂 林 电 子 工 业 学 院 通 信 与 信 息 工 程 系 &!="<<=H 樊 孝 明 邱 昕 郑 继 禹 林 基 明
摘 要! 针对超宽带通信技术迅速发展的需要# 详细分析了利用双极性晶体管的雪崩特性产生 超宽带极窄脉冲信号的原理并介绍了技术现状$ 本方案在微波双极性晶体管串行级联的基础上#采 用了并行同步触发的工作方式#极大地减少了时延与上升时间#产生了皮秒级的极窄脉冲$ 电路具有 结构简 单%成本 低%性能 好及应 用价 值高等 优点$ 关键词! 超宽带 雪崩倍增 脉冲发生器 同步触发
一种超宽带窄脉冲信号发生器的设计
了电路原理图和实验结果 ， 电路分为正 、 负脉 冲 ２ 部分 ， 可生成 底宽 为纳／ 纳秒级 、 、 亚 正 负脉 冲的峰一 峰值高 达 １０Ｖ ６ 的窄脉冲信号 ， 并且脉冲拖尾的振荡起伏小 ， 很好地满足 了雷达系统 的宽度窄 、 大的要 求。电路结 构简单 、 数可 幅度 参
调、 移植性强 、 适用 范围广 。
电
子
测
量
技
术
第３卷 第６ Ｏ 期
２０ ０ ７年 ６月
ＥＩ ＣＴＲ０ＮＩ ： Ｃ Ｍ哐 Ａ
ＥＭ哐ＮＴ ＴＥＣＨＮ０１ ＧＹ ０
一
种超 宽 带 窄脉 冲 信 号 发 生 器 的设 计
吴建 斌 田 茂 ，
４０７ ； ． ３０ ９ ２ 武汉大学电信 学院 武 汉 ４ Ｏ ７ ） ３ Ｏ２
关键词 ：脉冲发生器 ；雪崩三极管 ； 超宽带
中图分类 号 ：ＴＮ ８． ７４１ 文献标识码 ：Ａ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｎ ｌｒ － ｄｅ ａ ｄ ｎ ｕ ｔ ａ ｓ ｏ ｔｐ ｌ ｅ ｇ ｎｅ ａ ｏ ｓ ｇ ｆａ ｕ ｔ ａ ｗｉ ｂ ｎ ａ ｄ ｌｒ － ｈ ｒ ｕ ｓ ｅ ｒ ｔ ｒ
ＷｕＪａ ｂｎ ， Ｔｉｎ Ｍａ ｚ ｉｎ ｉ 。 ａ ｏ
（ ． ｐａｔ ｎ ｆＩ ｆ ｒ ｔ ｎ Ｔｅｈ ｌｇ ， Ｈｕ ｚ ｏ ｇ Ｎｏ ａ ｎｖ ｒ ｉｙ Ｗ ｕ ａ ３ ０７ ； １ Ｄｅ ｒｍｅ ｔｏ ｎ ｏ ｍａ ｉ ｃ ｎｏｏ ｙ ｏ ａ ｈ ｎ ｒ ｌ ｉｅｓｔ ， ｈ ｎ ４ ０ ９ ｍ Ｕ ２ Ｓ ｈ ｏ ｆＥｌｃｒ ｎｃＩ ｆ ｍａｉｎ，Ｗ ｕ ａ ｎｖ ｒ ｉ Ｗ ｕ ａ ３ ０ ２） ． ｃ ｏ ｌｏ ｅｔｏ ｉ ｎｏｒ ｔｏ ｈ ｎＵ ｉｅｓｔ ｙ， ｈ ｎ ４ ０ ７
超宽带(UWB)测距(TWR)原理
超宽带（UWB）测距（TWR）原理1UWB超宽带概念UWB是一种无线载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，工作频段在GHZ~6.75GHZ，频宽典型值为500MHZ或者1GHZ，所以可以获取亚纳米的精确时间（1ns约等于30cm）。
UWB信号的时域波形如图1-1所示。
不同于传统的无线射频信号有固定频率的载波（如蓝牙2.4G），UWB在不发送数据时是完全静态的，要发送数据时才发送宽度很窄（如1ns）的脉冲信号。
该窄脉冲在频域上很宽，所以叫超宽带。
因为UWB时域信号脉冲较窄，所以在时间、空间上有较大分辨力，比较容易抵抗室内信号传输常见的多径效应（信号因为反射造成的多路径传播）的影响，因此测距和定位精度较高。
图 1‐1 超宽带时域和幅关系图 1‐2 超宽带频域和功率关系2UWB测距原理UWB测距主要采用双向测距(Two-way Ranging)方法，以下所有的方法都包括两个节点：设备A和设备B，默认设备A是测距的发起者，设备B是响应者；双向测距主要分为以下两种方法：1.单边双向测距(Single-sided Two-way Ranging)2.双边双向测距(Double-sided Two-way Ranging)3.使用4消息方式（4 messages）4.使用3消息方式（3 messages）3单边双向测距(Single-sided Two-way Ranging)单边双向测距(Single-sided Two-way Ranging)，单侧双向测距（SS-TWR）是对单个往返消息时间上的简单测量，设备A主动发送数据到设备B，设备B返回数据响应设备A。
图 2‐2 单边双向测距测距流程：设备A（Device A）主动发送（TX）数据，同时记录发送时间戳，设备B（Device B）接收到之后记录接收时间戳；延时Treply之后，设备B发送数据，同时记录发送时间戳，设备A接收数据，同时记录接收时间戳。
超宽带无线通信中超高重复频率亚纳秒窄脉冲的生成方法
超宽带无线通信中超高重复频率亚纳秒窄脉冲的生成方法樊祥宁;毕光国;欧阳永艳;徐平平
【期刊名称】《电路与系统学报》
【年(卷),期】2005(010)002
【摘要】本文针对目前超宽带(UWB:Ultra Wideband)无线通信系统中窄脉冲信号产生存在的问题,面向未来高速无线个域网通信的需求,设计了一种适于CMOS 集成的超高重复频率亚纳秒持续时间的超宽带脉冲信号实现的原理电路;其创新点在于从频域角度通过滤波来设计高重复频率的亚纳秒窄脉冲,而不是传统的从时域和器件角度来设计超宽带窄脉冲信号.文中给出了理论分析和电路测试结果.
【总页数】4页(P23-25,22)
【作者】樊祥宁;毕光国;欧阳永艳;徐平平
【作者单位】东南大学,移动通信国家重点实验室,江苏,南京,210096;东南大学,移动通信国家重点实验室,江苏,南京,210096;东南大学,移动通信国家重点实验室,江苏,南京,210096;东南大学,移动通信国家重点实验室,江苏,南京,210096
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
【相关文献】
1.一种基于数字方式的超宽带纳秒级窄脉冲设计 [J], 关炜;陈锡华;余芬
2.超宽带无线通信系统与其它无线通信系统的电磁兼容研究方法 [J], 林文波
3.超宽带亚纳秒级脉冲形成方式的探讨与实践 [J], 刘淑华;杨康
4.超宽带无线通信系统与其它无线通信系统的电磁兼容研究方法 [J], 张凤山;周正
5.超宽带窄脉冲产生方法比较 [J], 李智;罗剑锋;
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Figure 1. Avalanche pulse generation circuit 图 1. 雪崩脉冲产生电路
DOI: 10.12677/hjwc.2019.93012
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无线通信
李智，罗剑锋
分析中，把雪崩三极管 Q 的集电极串联电阻 Rc 近似的当作雪崩管的静态负载。当输入端没有触发
输入时，发射结反偏，雪崩管 Q 截止。根据电路约束条件列出此时电路方程为：
Figure 4. Microwave triode generating narrow pulse circuit diagram 图 4. 微波三极管产生窄脉冲电路图
激励信号源为重复频率 1 MHz 方波，方波输入到电路的第一级 CMOS 反向器的正向输入端，该反向 器不仅能隔离前后级电路相互影响，而且可以修正波形。方波经过 R2，C2 组成的微分电路时充放电，形 成一个尖脉冲，设脉宽为 t1，由电路可知：
发生雪崩击穿时，储能电容放电供给三极管的雪崩电流 iA 远大于静态电流 iR，即 iA iR 。另外雪崩导通
时间极短，可以忽略静态电流 iR 的影响。化简即得：
UCE = ECC − iRL
(5)
上式中
EC
=
uc
(
0)
t
- ∫0
idt
(6)
从式(6)中可以得到晶体管工作在雪崩状态时，电路动态负载是可变的。晶体管在雪崩区工作时内部 强烈正反馈使它对外电路呈现负阻特性，集电极发射极之间对放电回路呈现出受放电电流控制的“S”型 负阻特性。从能量角度分析，这是晶体管集电结空间电荷区存储与释放能量的动态表现以及产生短时、 大电流、高速 UWB 脉冲的能量转换。工作在雪崩区的晶体管其主要特性参数是雪崩上升时间与雪崩脉 冲幅度，分别对应输出 UWB 脉冲的上升沿宽度和脉冲幅度，这两个参数由雪崩晶体管自身和实际的工 作电路参数决定。雪崩晶体管的直流静态参数与雪崩状态参数存在较大差异，一般是晶体管雪崩击穿电 压越低，产生的 UWB 脉冲上升时间和脉冲宽度越小，但所获得脉冲幅度也越小，因此设计中需要对这 些参数的选择进行综合考虑。
本文介绍了四种纳秒级窄脉冲发生器，即雪崩三极管脉冲发生器、微波三极管脉冲发生器、数字逻 辑器件脉冲发生器及基于 DCM 的数字电路脉冲发生器，并对其性能和适用性进行了讨论与比较。
2. 雪崩三极管脉冲发生器
雪崩三极管电路主要是运用开关三极管的短暂良性雪崩效应，让存储在三极管集电极端的电容快速放 电而产生纳秒级窄脉冲。晶体管雪崩击穿导通的动态过程比较复杂，结合图 1 所示电路进行了详细分析。
Figure 3. Simulation results of narrow pulse generation by cascade method 图 3. 级联方法产生窄脉冲仿真结果
3. 微波三极管脉冲发生器
微波三极管工作频率高，其高速开关特性要比普通三极管好，有利于改善脉冲上下沿，而且微波三 极管提高脉冲幅值能力也比普通三极管好，因此能提高纳秒级窄脉冲性能，微波三极管开关特性与普通
从当前研究现状来看，用于超宽带通信的极窄脉冲产生方法主要有两类[3]-[11]：一类是将各种高速 器件等效成开关，利用储能元件充放电得到短持续时间的脉冲信号，再经过脉冲成形网络整形成满足要 求的脉冲波形。这类器件包括隧道二极管、阶跃二极管、雪崩晶体三极管和脉冲发电管等。另一类是利 用数字逻辑器件的竞争冒险现象来产生脉冲信号，数字器件构成的电路具有结构简单、便于集成和系列 化生产、成本低廉、使用方便等优点，从而得到了广泛应用。
由(3)式可得，雪崩过程中的动态负载方程式为：
( ) ∫ UCE
=
uc (0) −1
C
t 0
i + (UCE −VCC )
RL dt − i + (UCE −VCC )
RL RL
(4)Βιβλιοθήκη 基于雪崩三极管的超宽带脉冲产生电路中，RC 为数百至数千欧，而 RL 则为数十欧，满足关系 RC RL 。
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李智，罗剑锋
三极管原理上一致。这里介绍一种根据微波三极管良好的开关特性产生窄脉冲的方法，电路图如图 4 所 示。其中 Q1 为微波三极管 2N2222A，D1 为二极管 1N4148，U1A、U2A、U3A 为反向器 74HC04。
而单个晶体管电路产生的 UWB 脉冲幅度就受到一定的限制，在要求输出功率较大的电路中，通常 采用多管串联、并联的方式。这里介绍一种由 BJT-NPNBFS17 构成的双管电路产生超宽带脉冲的方法， 其主要参数为：特征频率 fT = 1 GHz，集电极–基极雪崩击穿电压 BVCBO = 25 V，集电极–发射极雪崩击 穿电压 BVCEO = 15 V，晶体管耗散功率为 350 mW。电路图如图 2 所示，双管电路实质是通过增大了负载 电流来提高输出脉冲幅度，双管电路获得的脉冲幅度比单管电路大。而且在实际工作电路中，即使两只 管子中的一只损坏，并不影响整个电路的工作，只是输出脉冲幅度减小。
= U (∝) 0V ,= U (0) 5V= ,V (t ) 0.5= U (0) 2.5V
=t1 τ In(U (∝) −U (0)) (U (∝) −U (t1 ))
(7)
产生的尖脉冲通过两级级联的 CMOS 反向器再次形成频率不变的方波，脉宽通过上述(7)计算可得 pF 时可以在微波三极管基极输入脉宽为 20 ns 的方波。将此方波加到微波三极管基极，微波三极管工作 在开关状态，在处于导通状态 t1 时间内，脉宽 20 ns 方波再经过一级微分电路，由式(7)计算得产生脉宽 为 1 ns 的尖脉冲，此时 R2 为 680 欧姆，C2 为 2pF。该尖脉冲通过高速肖特基二极管 1N4148 后形成脉宽 小于约 1 ns 的纳秒负脉冲由天线发射出去。由式(7)可知，改变 R1C1 和 R2C2 可以调节输出脉冲的宽度和 幅值，但是减小宽度时会导致幅值大幅度下降，因此该电路只能在较窄范围内微调输出脉冲。
关键词
超宽带，模拟电路，数字电路，脉冲发生器
李智，罗剑锋
Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
Hans Journal of Wireless Communications 无线通信, 2019, 9(3), 96-104 Published Online June 2019 in Hans. /journal/hjwc https:///10.12677/hjwc.2019.93012
当触发脉冲未到达触发输入时，雪崩管截止。直流电源 VCC 经 RC 对储能电容 C 进行充电。充电后电 容两极电压近似等于电源电压 VCC。当触发脉冲到达输入端时，经电容 C1 与 R1 微分，形成尖峰脉冲至晶 体管的基极，晶体管发生雪崩击穿而使工作点移动到不稳定的雪崩负阻区，储能电容 C 快速放电产生雪 崩电流，在负载电阻 RL 上形成一个窄脉冲。输出的 UWB 脉冲由于雪崩电流大而快速增大，又由于储能 电容 C 的容量通常为数皮法，储存电荷量有限，形成的脉冲宽度也有限、脉冲达到某一峰值后开始下降。 电流增大到峰值的过程形成极窄脉冲的上升沿，电流由峰值减少到零的过程则形成了脉冲下降沿，晶体 管每经历一次电容充放电都在负载 RL 上就可以得到纳秒级 UWB 极窄脉冲。
Open Access
1. 引言
作为短距离通信的一种新兴技术，超宽带通信越来越受到研究人员重视，已经成为当前研究热点。 脉冲超宽带是超宽带通信实现的经典方式，其利用宽度在纳秒乃至亚纳秒级的极窄脉冲序列携带信息， 具有低功耗、低复杂度、低成本、抗干扰能力强和高速率的优点，在精确定位、探地雷达、无损检测、 无线通信等诸多领域有着重要应用[1]。超宽带技术通过直接发射和接收极窄脉冲进行通信，因此极窄脉 冲发生器是超宽带通信中关键部件之一，其决定着系统通信质量，是研究的重点和难点[2]。
Comparison of UWB Narrow Pulse Generation Methods
Zhi Li1, Jianfeng Luo2
1Chongqing Huayu Electric Group Co., Ltd., Chongqing 2Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xi’an Shaanxi
Keywords
Ultra Wideband, Analog Circuit, Digital Circuit, Pulse Generator
超宽带窄脉冲产生方法比较
李 智1，罗剑锋2
1重庆华渝电气集团有限公司，重庆 2西北机电工程研究所，陕西 西安
收稿日期：2019年5月6日；录用日期：2019年5月21日；发布日期：2019年5月28日
=i iR + iA
(1)
UCE = VCC -iR RC
(2)
( ) ∫ UCE = uc (0) −1
t
C 0 iAdt－iA RL
(3)
式中 i 为通过雪崩管的总电流，iA 为雪崩电流，iR 通过静态负载 RC 的电流，RL 为动态负载电阻，C 为储 能电容，uc(0)为储能电容 C 的初始电压，UCE 为雪崩管 Q 集–射极电压，tA 为雪崩导通时间，VCC 为电路 直流电源。
摘要
超宽带(UWB)技术是目前最先进且精准的短距离无线通信技术，基于窄脉冲的超宽带通信是最为经典的 实现方式。本文通过分析现有的几种典型超宽带窄脉冲产生方法，分别从模拟电路和数字电路角度介绍 了四种超宽带窄脉冲产生电路，给出了四种脉冲发生器的仿真结果，并从电路结构和性能方面进行了讨 论和比较。