一种基于射频三极管的高斯脉冲发生器的设计

摘要：本文对一种电路简单、成本低廉且易于集成的高斯脉冲发生器进行了分析与设计。该发生器是通过一个微分
电路将触发信号转变为含有正、负脉冲信号来驱动射频三极管的“开”与“关”，并通过电容的充、放电形成窄脉冲。测试结果显示该脉冲发生器能产生峰值电压为1.8V，脉冲宽度为0.8ns的高斯脉冲波形，并与仿真结果吻合较好。该电路非常适合于MIC。

关键词：超宽带；脉冲发生器；窄脉冲；射频三极管

引言

超宽带（UWB）、窄脉冲技术有着广泛工程应用背景。因为窄脉冲具有非常宽的频谱，即包含有非常低的频率，也包含有非常高的频率。如应用于探地雷达可穿透较深的地层，同时又具有较高的分辨率。UWB雷达可用于探矿、探雷、铺路的评价和无损检测等领域。近年来，UWB通信得到迅猛发展，与窄带通信相比具有：传输数据率高（可达几十甚至上百兆比特每秒）；超低功率谱；系统电路简单；对其它通信系统干扰小；能有效抑制多径问题；低截获率等特点。它能在短距离中（如在大楼中），尤其是在频谱拥挤的地方，能提供优质、高数据量和低成本的服务。

UWB、窄脉冲发生器是UWB雷达和通信的关键部件之一。脉冲产生的方式很多，如利用火花隙产生高电压幅度的窄脉冲。利用雪崩管的“雪崩”效应也能产生窄脉冲。近年来，又提出用阶跃恢复二极管（SRD）与其它器件构成脉冲发生器。文献[5]就是利用SRD与肖特二极管、场效应管和短路线等构成脉冲发生器。它是利用SRD产生二个高斯脉冲依靠反向迭加来形成一个单脉冲，但是这种形式产生的脉冲宽度实际上被放大一倍。而文献[6]又对上述电路进行了改进，使得电路更加简单，形成的单脉冲形状也更理想些，但它仍然采用的是SRD与肖特二极管和短路线等相结合的模式。脉冲发生器性能的好坏不仅取决于管子，很大程度上还取决于短路线的选取，这对PCB板的加工提出了较高的要求。

本文提出一种不同于上述参考文献的设计方案，即用普通的RF三极管来构成脉冲发生器的核心器件，并辅助以电阻、电容和电感等普通元器件。它主要是利用管子的“开”与“关”的特性，对电容进行充、放电的方式形成窄脉冲。该电路采用PCB板和贴片电阻、电容和电感，具有价格低廉，对PCB板的加工要求不高等特点，非常适合用于MIC。

工作原理

图1是高斯脉冲发生器电路的原理图，它是由一只RF三极管子、三个贴片电阻、二个贴片电容、一个贴片电感及微带线构成。该电路主要有三部分构成，即微分电路、开关电路和脉冲波形形成电路。

图1脉冲发生器原理图

微分电路由C₁、L和R1构成，其功能是将FPGA输出的信号(如图2所示)转变为含有正、负脉冲波形，即触发信号的上升沿通过该微分电路形成正脉冲，而下降沿则形成负脉冲（如图3所示）。开关电路则是由RF三极管和R₂组成，实际上利用三极管工作在饱和区或是截止区起到开关作用。

脉冲波形形成电路则是由C₂和负载电阻RL构成。三极管没导通时，电源电压通过R₂给C₂充电。当正脉冲到达时，使管子处于饱和区，即处于“开”的状态，此时C₂、R₂与负载电阻RL构成一个回路。由于R₂>>R_L，实际上C₂通过负载电阻R_L进行放电，形成一高斯脉冲。当负脉冲到达时，管子脱离饱和区进入截止区，即处于“关”的状态，此时电源又给电容C₂进行充电。

图2FPGA输出波形

图3微分电路输出波形

测试结果及分析

该脉冲发生器的实物如图4所示，使用的三极管是NEC公司的2SC5508，而印制电路板是Glass-Expoxy，其相对介电常数为4.5，厚度为1.6mm。图5(a)是用FPGA(25MHz的重复频率)触发脉冲发生器输出的时域波形测试结果。从图中可看出，脉冲的峰值电压为1.8V，脉冲宽度为0.8ns，其抖动也很小，约为-15dB。图5(b)则是由频谱仪的测试结果,由图中可看出频谱还是比较平坦的，其-10dB带宽约为2400MHz，与数值仿真结果吻合较好(参见图6)。


图4脉冲源实物图

(a)时域波形

(b)频谱响应曲线
图5实际测试结果

(a)时域波形

(b)频谱响应曲线
图6数值仿真结果

结论

在文中我们提出了一种简单易行、成本低廉的高斯脉冲发生器。它是由普通的RF三极管、PCB板及贴片电阻、电容和电感构成，非常适合于MIC。在FPGA输出信号的驱动下，可得到峰值电压为1.8V，脉冲宽度为0.8ns的时域脉冲波形，其对应的频谱也非常宽。通过适当改变C₂，则可改变输出的脉冲幅度和宽度。另外，该电路对PCB的加工要求不高。