超宽带皮秒级脉冲发生器

第２８卷第１Ｏ期　２　０　０　７年１Ｏ月　兵　工　学　报　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．１Ｏ　０Ｃｔ．　２００７　ＡＣＴＡ　ＡＲＭＡＭＥＮＴＡＲＩＩ　超宽带皮秒级脉冲发生器　纪建华，费元春，周建明，郭德淳，赵琦　（北京理工大学信息科学技术学院，北京１０００８１）　摘要：设计了一种超宽带高斯脉冲的脉冲发生器，此脉冲发生器主要由阶跃恢复二极管，ＦＥＴ　管和肖特基二极管组成。其中阶跃恢复二极管和短路线用来产生脉）中，ＦＥＴ管用来进行脉冲的放　大和脉冲产生、脉冲整形两部分电路问的隔离，肖特基二极管用来减小脉冲的振铃。利用ＡＤＳ软　件对阶跃恢复二极管进行建模，并用其进行脉冲发生器的设计仿真。测试结果表明，皮秒脉冲发生　器的脉冲宽度为３０７　Ｐｓ，幅度为１．８８　Ｖ．该窄脉冲的波形对称，而且振铃小，实验结果与仿真结果　吻合得很好。　关键词：电子技术；超宽带；皮秒级；高斯脉冲发生器；阶跃恢复二极管；ｓｐｉｃｅ模型　中图分类号：ＴＮ９２　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００—１０９３（２００７）１０—１２４３—０３　Ｕｌｔｒａ．ｗｉｄｅｂａｎｄ　Ｓｕｂｎａｎ０ｓｅｃ０ｎｄ　Ｐｕｌｓｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｊＩ　Ｊｉａｎ—ｈｕａ，ＦＥＩ　Ｙｕａｎ—ｃｈｕｎ，ＺＨＯＵ　Ｊｉａｎ—ｕｉｒｎｇ，ＧＵＯ　Ｄｅ—ｃｈｕｎ，ＺＨＡＯ　Ｑｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ（ＵＷＢ）Ｇａｕｓｓｉａｎ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ａ　ｓｔｅｐ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｄｉｏｄｅ　（ＳＲＤ），ａ　ｆｉｅｌｄ—ｅｆｆｅｃｔ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＦＥＴ）ａｎｄ　ａ　Ｓｃｈｏｔｔｋｙ　ｄｉｏｄｅ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ａ　ＳＲＤ　ａｎｄ　ａ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒ—　ｃｕｉｔｅｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｇｅｎｅｒａｔｅ　Ｇａｕｓｓｉａｎ　ｐｕｌｓｅ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ，ａ　ＦＥＴ　ｉｓ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｔｏ　ａｍｐｌｉｆｙ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ａｎｄ　ｉｓｏｌａｔｅ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｈａｐｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ａ　Ｓｃｈｏｔｔｋｙ　ｄｉｏｄｅ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｕｐｐｒｅｓｓ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｒｉｎｇｉｎｇ．Ａ　ＳＲＤ　ｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ａｎ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＤＳ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｃａｎ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ａ　３０７　ｐｓ　Ｇａｕｓｓｉａｎ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｔｈ　１．８８　Ｖ　ｐｅａｋ—ｔｏ—ｐｅａｋ；　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｓｙｍｍｅｔｒｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｒｉｎｇｉｎｇ　ｌｅｖｅ１．Ｇｏｏｄ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ；ｓｕｂｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ；Ｇａｕｓｓｉａｎ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｓｔｅｐ　ｒｅ—　ｃｏｖｅｒｙ　ｄｉｏｄｅ；ｓｐｉｃｅ　ｍｏｄｅ１　超宽带窄脉冲，在超宽带（ＵｗＢ）雷达、超宽带　无线通信系统中，是一个非常重要的研究内　容［１－４　Ｊ。超宽带窄脉冲的类型主要有阶越脉冲，高　斯脉冲和单周期脉冲，这３类脉冲都有比较宽的频　谱ｌ５　Ｊ。其中，阶越脉冲和高斯脉冲因为含有较大的　直流分量而不易被天线发射出去，故适合用于接收　机中。而单周期脉冲由于没有直流分量，且低频分　量较少，故适合用于发射机中。而本文中的脉冲发　生器应用于ＵＷＢ接收机中，故采用的脉冲是高斯　脉冲。　可实现窄脉冲的核心元件和方法有很多，如隧　二极管（ＳＲＤ）等等。在具体设计时，应该根据系统　对输出的脉冲功率和脉冲宽度等要求，选择合适的　元件。本文的系统要求脉冲宽度小于５００　ｐｓ，脉冲　幅度在１　Ｖ以上，考虑到系统的稳定性和可实现性，　采用ＳＲＤ作为脉冲发生器的元件。　文中先对ＳＲＤ进行建模，然后将其模型用于脉　冲发生器中，并进行分析仿真、优化设计和制作，最　后给出了测试结果。　１　ＳＲＤ模型　现有的ＥＤＡ软件中没有集成ＳＲＤ的ｓｐｉｃｅ模　型，这给硬件工程师对其仿真带来了极大的不便。　道二极管、赫兹发生器、雪崩晶体三极管、阶跃恢复　收稿日期：２００６—１０—２４　维普资讯 http://www.cqvip.com 兵　工　学　报　因此本文在设计脉冲发生器之前，要先对ＳＲＤ进行　建模，从而能够完成脉冲发生器的仿真设计。　ＳＲＤ的等效电路如图１所示。其中，Ｃ　是正向　偏置的扩散电容，Ｃ　是反向偏置的耗尽层电容，Ｒｆ　是二极管的结电阻，Ｒ　是二极管的串联电阻，ｖ　是　结的势垒电位。等效电路表示了ＳＲＤ正反向偏置　时的两种工作状态，在正向偏置电压下，等效电路由　较大的Ｃｆ和Ｒｆ构成，在反向偏置电压下，等效电　第２８卷　脉冲。　脉冲发生器由３部分组成：脉冲产生电路、隔离　和放大电路及整形电路。图３中给出了电路设计的　主要器件。其中脉冲产生电路主要由耦合电路、匹　配电路、阶跃恢复二极管和微带短路线组成，隔离和　放大电路由ＦＥＴ管组成，而整形电路由肖特基二极　管组成。　路由较小的Ｃ　构成。　ｅ　上。　图１　ＳＲＤ等效电路　Ｆｉｇ．１　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＲＤ　本文要建立的ＳＲＤ模型采用Ｍ—ｐｕｌｓｅ公司的　阶跃恢复二极管ＭＰ４０２３，它的少数载流子寿命ｒ　为１５　ｎｓ，阶越时间ｔ　为５０　ｐｓ，Ｃ　约为０．２～０．５　ｐＦ，Ｒ。为０．８　Ｑ．　Ｃ　的值生产厂家没有直接给出，需要通过测试　和计算［’］得到。先测得ＳＲＤ的直流Ｊ—广　一一～　曲线从而　得到Ｒｆ，经过计算求得Ｃｆ．　ＳＲＤ等效电路中的各个元件值已知后，再根据　　　ＳＲＤ电量和电压的关系式，如（１）式所示［　，就可以　建立其ｓｐｉｃｅ模型。　Ｑ＝　，　。‘　，　ＪｌＩ　　Ｃ器）２一　０＜Ｖ＜Ｖｏ；　ｔＶ一　一　Ｖ０，　≥　．　（１）　具体的方法是用ＡＤＳ软件中的ＳＤＤ（Ｓｙｍｂｏｌｉ—　ｃａｌｌｖ　Ｄｅｆｉｎｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）来建模。ＳＤＤ表示Ｎ端Ｅｌ器　件的不同端Ｅｌ间电流、电压及其微分的关系，通过代　数式定义端口间的关系，从而来表征器件的特性。　把（１）式中给出的电量和电压之间的关系，用ＳＤＤ　来表示，并把前面得到的ＳＲＤ的相关参数Ｃｆ、Ｃ　等　输入，就可以得到其模型，如图２所示。　２电路设计及其仿真　脉冲发生器电路是在文献［３］中的电路基础上　进行的设计，从而产生适合于本文所需要的高斯窄　ＳＤＤ１Ｐ　ＳＤＤｌＰＩ　图２　ＳＲＤ的ｓｐｉｃｅ模型　Ｆｉｇ．２　Ｓｐｉｃｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＲＤ　图３皮秒级脉冲发生器电路　Ｆｉｇ．３　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ＬＯ信号经过耦合电路和匹配电路激励ＳＲＤ．　耦合电路和Ｒ　构成ＳＲＤ的自偏压电路，自偏压电　路避免了外加ＤＣ偏置电路的使用，减小了电路的　尺寸，同时又很好的控制了电荷存储量，保证了脉冲　的最大幅度输出。匹配电路的运用是为了实现功率　的最大传输，因为ＳＲＤ的输入阻抗只有十几欧姆，　而整个系统为５０　Ｑ．信号经过ＳＲＤ后产生一个速　度很快的阶跃脉冲，经过微带短路线后，向前传播的　阶跃脉冲和反射后的阶跃脉冲两部分相减形成窄脉　冲，这时的窄脉冲拖尾比较大，脉冲宽度也比较宽，　需要后面电路的处理。微波ＦＥＴ管主要作用是脉　冲的放大和脉冲产生、脉冲整形两部分电路间的隔　离。经过ＦＥＴ放大之后的窄脉冲幅度有所变大，同　时由负脉冲变为正脉冲。整形电路部分的肖特基二　极管，其作用是一个快速开关，它只允许高于一定门　限的脉冲才能通过，其他部分截止。这个门限由ＤＣ　偏置电压ｖ　来设置。负的偏置电压会使脉冲波形　整体向下移动，可以从理论上消除正、负振铃，但实　际上由于肖特基二极管的开关转换时间不可能为　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１Ｏ期　超宽带皮秒级脉冲发生器　零，所以输出仍有一定的振铃存在。　的具体值　由振铃的大小决定。　具体设计时还应注意两点：　１）微带短路线的长度由脉冲宽度决定　一＇１　＾：　，　（２）　式中：ｕ＝　＝，ｃ为光速，ｅ　为等效介电常数。确　￡ｔｅ　定了要求产生的脉冲宽度之后，用其就可以求出短　路线的长度。　２）ＦＥＴ管只在其漏极加正的ＤＣ偏压，栅极负　偏压由ＭＰ４０２３产生的负脉冲来提供，不需要外加　的栅极负偏压。当窄脉冲没有来临时，ＦＥＴ管处于　饱和区，不工作。当负脉冲到来临时，ＦＥＴ管有了　负偏压而工作于线性放大区，对窄脉冲进行放大。　图４是用ＡＤＳ仿真的输出脉冲波形图。仿真　的过程中已经把ＳＲＤ的模型运用于脉冲发生器中。　从图中可以看出脉冲宽度（５０％～５０％）大约为　３００　ｐｓ，脉冲幅度约为１．９５６　Ｖ．仿真的波形比较理　想，几乎没有拖尾和振铃。　兰　＞　＼　’　’、　、　、－，’、　～　八　＼，＾＼　八　　Ｉ　１图５脉冲发生器的测试图　Ｆｉｇ．５　Ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｕｌｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　４结论　本文通过用ＡＤＳ软件对ＳＲＤ模型进行建模，　成功的设计、仿真、制作并测试了超宽带皮秒级脉冲　发生器。此脉冲发生器具有结构紧凑，体积小，成本　低，易于实现的优点，测试结果与仿真结果一致。根　据后续不同的需求，可以对此脉冲发生器稍加改动，　从而可以应用于ＵＷＢ脉冲发射部分，或者用于下　变频采样接收机等等，有很好的应用价值。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）　［１］Ｈａｎ　Ｊ，Ｎｇｕｙｅｎ　Ｃ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｃｏｍｐａｃｔ　ｓｕｂ－ｎａｎｏｓｅｃ—　ｏｎｄ　ｔｕｎａｂｌｅ　ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ　ｐｕｌｓｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ｆｏｒ　ＵＷＢ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ。２００６。　５４（１）：２８５—２９３．　【２　Ｊ　Ｌｅｅ　Ｊ　Ｓ，Ｎｇｕｙｅｎ　Ｃ，Ｓｃｕｌｌｉｏｎ　Ｔ．Ｎｅｗ　ｕｎｉｐｌａｎａｒ　ｓｕｂｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ　ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｆｏｒ　ｔｉｍｅ．．ｄｏｍａｉｎ　ｍｉ．．　ｃｒｏｗａｖｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ【Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，２００１，４９（６）：１１２６—１１２９．　［３］Ｌｅｅ　Ｊ　Ｓ，Ｎｇｕｙｅｎ　Ｃ．Ｎｏｖｅｌ　ｌｏｗ—ｃｏｓｔ　ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｈａｎｄ。ｕｌｔｒａ．ｓｈｏｒｔ　ｐｕｌｓｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ＭＥＳＦＥＴ　ｉｍｐｕｌｓｅ—ｓｈａｐｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ　ｆｏｒ　ｒｅ—　ｄｕｃｅｄ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｐｕｌｓｅ　ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ　ｒａｔｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｍｉ—　ｃｒｏｗａｖｅ　ａｎｄ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００１，１　１（５）：２０８—　２１０．　【４　Ｊ　Ｈａｎ　Ｊ，Ｎｇｕｙｅｎ　Ｃ．Ａ　ｎｅｗ　ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ．ｕｌｔｒａ—ｓｈｏｒｔ　ｍｏｎｏｃｙｃｌｅ　ｐｕｌｓｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｒｉｎｇｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｗｉｒｅ—　ｌｅｓｓ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００２，１２（６）：２０６～２０８．　［５］Ａｎｄｒｅｗｓ　Ｊ　Ｒ．ＵＷＢ　ｓｉｇｎａｌ　ｓｏｕｒｃｅｓ，ａｎｔｅｎｎａｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ　Ｔｏｐｉｃａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｒｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ—　ｇＹ，２００３，１５—１７：４３９—４４０．　［６］ＩｎｄｅｒＢａｈｌ，ＰｒａｋａｓｈＢｈａｒｔｉａ．微波固态电路设计［Ｍ］．郑新，赵　玉洁，刘永宇，等，译．北京：电子工业出版社，２００６：６６～３７０　Ｉｎｄｅｒ　Ｂａｈｌ，Ｐｒａｋａｓｈ　Ｂｈａｒｔｉａ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｓｏｌｉｄ　ｓｔａｔｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　［Ｍ］．Ｚｈｅｎｇ　Ｘｉｎ，ＺＨＡＯ　Ｙｕ—ｊｉｅ，ＬＩＵ　Ｙｏｎｇ．ｙｕ。ｅｔ　ａｌ，ｔｒａｎｓｌａｔ—　ｅｄ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｈｏｕｓｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２００６：３６６　３７０．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［７］Ｚｈａｎｇ　Ｊ，Ｒａｉｓａｎｅｎ　Ａ．Ａ　ｎｅｗ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｔｅｐ　ｒｅｃ０ｖｅｒｖ　ｄｉｏｄｅ　ｆｏｒ　ＣＡＤ［Ｊ／．ＩＥＥＥ　ＭＴＴ－Ｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ／，１９９５，１６—２０（３）；１４５９一　】４６２