超宽带极窄脉冲发生器的设计分析

2008 年第 12 期，第 41 卷 总第 204 期
通
信
技
术
Vol.41，No.12,2008 No.204,Totally
Communications Technology
超宽带极窄脉冲发生器的设计分析
王俊峰
（云南省玉溪师范学院 信息技术工程学院，云南 玉溪 653100）
【摘
要】讨论了双极性晶体管雪崩的工作原理，分析了采用级联双极性晶体管结构的超宽带极窄脉冲发生器的电路。
通过实验获得的输出脉冲宽度为皮秒级的极窄脉冲，该脉冲的宽度、上升时间和幅度均较好地符合了极窄脉冲的要求。 【关键词】超宽带；双极性晶体管；脉冲发生器；极窄脉冲 【中图分类号】TN99 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2008)12-0128-03
Design of Ultra-wideband Very Narrow Pulse Generator
WANG Jun-feng
（School of Information Technology and Engineering, Yuxi Teachers’College, Yuxi Yunnan 653100, China）
【Abstract】This paper discusses the working principle of bipolar transistor avalanche, and analyzes the circuit of ultra-wideband very narrow pulse generator adopting cascade bipolar transistor structure. The output pulse width obtained from experiment is a very narrow pulse of the skin second class. And the width, rising time and amplitude of the pulse comparatively satisfies the requirements of very narrow pulse. 【Key Words】Ultra Wideband；Bipolar transistor；pulse generator；very narrow pulse
0 引言
超宽带（UWB）技术是一种全新的无线通信技术，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具有 纳秒级或纳秒以下级的极窄脉冲来传输数据。一个典型的中 心频率为 2GHz(带宽为 500ps)超宽带脉冲信号的时域波形及
[1] 其频谱图分别如图 1 所示 。
之间的有效组合来对信息进行编码，实现多址通信。
一般通信技术都是把信号从基带调制到载波上，而超宽 带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 GHz 量级的带宽。超宽带具有对信道衰减 不敏感、发射信号功率谱密度低、难于截获、抗多径、低成 本、极好的穿透障碍物能力和定位精度高等优点。该技术尤 其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入通信、雷达、 定位和高度测量应用中。 按照美国联邦通信委员会 FCC 规定，超宽带脉冲信号的 f − fL 大于 20%， 其中 f H 、f L 分别为－10dB 部分带宽 B f = 2 H fH + fL 辐射点所对应的上、下频率点或者是指其总频谱带宽至少达 到 500 MH Z [2] 。超宽带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，这些脉冲可以单独发射 或成组发射，并且可以根据脉冲的幅度、相位和位置或它们 图1 超宽带脉冲信号的时域波形及其频谱
1 超宽带极窄脉冲产生原理
1.1 电路原理图 超宽带发射机系统的简化图如图 2 所示，系统的信息调 制采用脉冲位置调制（PPM） 。从图中可以看到，超宽带发射
收稿日期：2008-06-02。 作者简介：王俊峰（1965-），男，副教授，主要从事电子技术、计算机通信与网络教学研究。
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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极短的窄脉冲直接激励超宽带天线 进行辐射。驱动器主要用来提供一定的驱动能力，同时对前 后级电路进行有效的隔离。超宽带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，是超宽带系统中独特的 关键部件之一。超宽带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，脉冲的持续时间越短，脉冲所占 据的带宽就越宽。能否成功地设计超宽带脉冲发生器，关系 到整个超宽带发射机系统的实现。
2 脉冲发生器的电路分析
2.1 电路分析 利用双极性晶体管工作在雪崩区的雪崩式开关特性，设 计了图 4 所示的超宽带脉冲发生器。首先采用了微波双极性 晶体管，使得电路在较低的电源电压下能够正常可靠工作， 稳定地输出一定幅度和宽度的超宽带脉冲，脉冲的重复工作
[5] 频率可以达到 50MHz 以上，满足实际的使用需要 ；其次采
用了并行同步触发方式，对多个晶体管的基极同时加入同步 触发脉冲信号，消除了电路中存在的雪崩依次延时，使微波 双极性晶体管同时产生雪崩击穿，大大地减小脉冲上升时 间，获得非常理想的超宽带极窄脉冲。
图2 1.2 雪崩效应原理
超宽带发射机系统框
为了分析脉冲发生器的电路，先对晶体管雪崩效应进行 分析。晶体管三极管的输出特性分为四个区域：饱和区、放 大区、截止区与雪崩区，如图 3 所示。当晶体管的集电极电 压很高时，集电结空间电荷区内的电场强度比放大低压运用 时大得多，进入集电结的截流子被强电场加速，从而获得很 大的能量，它们与晶格碰撞时产生了新的电子－空穴对，新 生的电子、空穴又分别被强电场加速而重复上述过程。于是 渡过集电结的电流便“雪崩”式迅速增长，这就是晶体管的 雪崩倍增效应。 图4 超宽带脉冲产生电路 在没有加入触发脉冲信号时，电源电压 Ec 通过电阻 R1与R11、 R 2与R 5、 R3与R 6 、 R4与R 7 分 别 对 电 容
C1、C 2、C3、C 4 进行充电，使得 4 个微波双极性晶体管 Q1、Q2、Q3、Q4 的集电结偏置在临界雪崩状态，于是储能电
容 C1、C 2、C3、C 4 的两端所充的电压约等于集电结雪崩击 穿电压 BVcbo 。当触发脉冲信号 Vi 输入时，微波双极性晶体 管同时击穿，储能电容 C1、C 2、C3、C 4 所储存的电荷迅速地 通过 Q1、Q2、Q3、Q4 和等效负载电阻 R12 放电，因此在负载 电阻上得到一个上升极短的超宽带极窄脉冲。 2.2 元件参数选择 超宽带极窄脉冲发生器应选择的电路参数主要为微波 双 极 性 晶 体 管 ， 储 能 电 容 C1、C2、C3、C4 ， 集 电 极 电 阻
R1、R2、R3、R4 ，电阻 R11 与负载电阻 R12 ，偏置电压 EC 等。
图3
NPN 晶体管的输出特性
∗
晶体管在雪崩区的运用主要有如下特点： 式中 M 为雪 (1) 晶体管的共基极电流增益 α = M α ， 其物理意义是： 崩倍增因子， 是晶体管的共基极电流增益。 α 若有一个截流子进入集电结空间电荷区，则就有 M 个截流
[3] 子流出空间电荷区 。
（1）微波双极性晶体管：特征频率 fT = 24GH Z ，集电 极－基极雪崩击穿电压 VBcbo ＝15V，集电极－发射极雪崩击 穿电压 BVceo ＝4.5V，集电极最大电流 I C ＝100mA。 （2）储能电容 C：电容 C 为单个储能电容的值，C 不应 选择太大，C 太大，输出脉冲的宽度加宽，电路恢复期太长； 但也不能太小，C 太小，输出脉冲振幅减小。一般选用 5pF 左右的云母电容或瓷片电容。 （3）集电极电阻：集电极电阻 R1、R2、R3、R4 不应选择 太小，否则微波双极性晶体管可能长时间处于导通状态，导 致温度过高而烧坏；但也不能太大，集电极电阻太大，就不 能保证电路能够在静止期内恢复完毕。所以，集电极电阻通 常选几千欧姆到几十千欧姆。 （4）电阻 R11 与负载电阻 R12 ，一般选取 50 欧姆左右较 为适当。 129
(2) 由于雪崩应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则的扩展使有效基区宽度大为缩 小，因而少数截流子通过基区的渡越时间大为缩短，即晶体 管的有效截止频率大为提高。 (3) 图 2 给出了 NPN 型硅双极性晶体管的输出特性， 当基极电流为负值（ I b ）时，发射结反偏，集电极电流 I c 随 雪崩运用时 集电极电压 Vce 和 − I b 急剧变化的区域是雪崩区。 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
[4] 不同的。即输出脉冲与雪崩电容和负载电阻有关 。