一种超宽带脉冲发生器的设计

目前,UWB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FCC(联邦通信委员会)首次批准了UWB产品的民用销售和使用｡ UWB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2GHz(即宽度为500ps)的UWB脉冲信号的时域波形及其频谱图分别如图1所示｡


一般通信技术都是把信号从基带调制到载波上,而UWB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｡UWB具有发射信号功率谱密度低(数十mW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｡

UWB信息调制方式需结合UWB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(Pulse Position Modulation)和正反极性调制(Antipodal Modulation),这里采用PPM调制｡

从本质上看,UWB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,UWB极窄脉冲的产生方法主要通过雪崩三极管､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863ps,幅度约为1.2V｡

1 雪崩效应理论

当NPN型晶体管的集电极电压很高时,收集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-空穴对,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?quot;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M倍,其中M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,输出脉冲与雪崩电容和负载电阻有关｡

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?现结合原理图所示电路(图4)进行分析(这里主要分析雪崩管Q1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Rc,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:

?(1)

式中:i为通过雪崩管的总电流,ic为通过静态负载Rc的电流,ia为雪崩电流,uc(0)为电容C初始电压,R为动态负载电阻,C为雪崩电容,tA为雪崩时间｡Vce为雪崩管Q1集-射级电压,Vcc为电路直流偏置电压｡

从(1)式可求解出雪崩过程动态负载线方程式为:

(2)

在具体的雪崩管电路中,Rc为几千欧(本实验中取为6.8kΩ),而R则为几十欧(本实验中取为51Ω),因此Rc>>R｡雪崩时雪崩电流ia比静态电流ic大得多,即ia>>ic,所以i≈ia｡于是(2)式可简化为?

(3)

因为0~tA这段雪崩时间很短,因此可以略去,即得

? (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BVCEO与BVCBO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I贯穿了两个负阻区｡若加以适当的推动,工作点a会通过负阻区交点b到达c,由于雪崩管的推动能力相当强,c点通常不能被封锁,因而通过第二负阻区交点d而推向e点｡工作点从a到e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相当大,其速度也相当快｡

当负载线很陡时,如图2中负载线II所示,它没有与二次击穿曲线相交而直接推到饱和区,这时就不会获得二次负阻区的加速｡

本文介绍的超宽带UWB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 UWB脉冲产生电路及分析

2.1 电路原理图

UWB发射机系统的简化框图如图3所示,系统的信息调制采用PPM调制｡本文主要讨论UWB脉冲产生电路的设计,电路原理图如图4所示｡

2.2 电路分析

当触发脉冲尚未到达时,雪崩管截止,电容C2､C4在Vcc的作用下分别通过电阻R1､R和R2､R3充电｡电容C通过Rc充电(充电后其电压近似等于电源电压Vcc)｡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,Q1雪崩击穿,产生快速增大的雪崩电流,导致电容C经由晶体管Q1快速放电,从而在负载电阻R上形成一个窄脉冲｡由于雪崩电流很大,因此获得的窄脉冲有较高的峰值;又由于电容C储存的电荷很有限(一般电容量只有几皮法至几百皮法),因此脉冲宽度也有限｡也就是说,当开始雪崩以后,由于晶体管本身以及电路分布参数的影响,使得雪崩电流即电容C的放电电流只能逐渐增大;而到达某一峰值后,又由于电容C上电荷的减少使得放电电流逐渐减小｡前者形成了脉冲的前沿,而后者则形成了脉冲的后沿｡ Q1雪崩击穿后,电容C放电注入负载R｡这个电压经过电容C2,导致Q2过压并且雪崩击穿｡同理Q3也依次快速雪崩击穿｡由于雪崩过程极为迅速,因此这种依次雪崩的过程还是相当快的,从宏观上可以把它看作是同时触发的｡因此,在负载上就可以得到一个上升时间非常短的UWB极窄脉冲｡