摘要：針對超寬帶通信技術(shù)迅速發(fā)展的需要，詳細(xì)分析了利用雙極性晶體管的雪崩特性產(chǎn)生超寬帶極窄脈沖信號的原理并介紹了技術(shù)現(xiàn)狀。本方案在微波雙極性晶體管串行級聯(lián)的基礎(chǔ)上，采用了并行同步觸發(fā)的工作方式，極大地減少了時延與上升時間，產(chǎn)生了皮秒級的極窄脈沖。電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能好及應(yīng)用價值高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：超寬帶 雪崩倍增 脈沖發(fā)生器 同步觸發(fā)

超寬帶UWB（Ultra Wideban）技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有著極大差異的通信新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，開發(fā)了一個具有千兆赫茲容量和空間容量的新無線信道；它還具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、被截獲與檢測的概率低、定位高等優(yōu)點(diǎn)。超寬帶技術(shù)因其具體有優(yōu)越的特性，越來越受到人們的普遍重視和研究。該技術(shù)尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入和軍事通信應(yīng)用中。
美國聯(lián)邦通信委員會FCC（Federal Communications Commission）在2002年2月14日批準(zhǔn)了民用的超寬帶無線技術(shù)。實(shí)現(xiàn)超寬帶技術(shù)的首要任務(wù)是產(chǎn)生UWB脈沖信號。按照FCC規(guī)定，超寬帶（UWB）脈沖信號的部分帶寬Bf=2(fH-fL)/(fH+fL)大于20%，其中fH、fL分別為-10dB輻射點(diǎn)所對應(yīng)的上、下頻率點(diǎn)或者是指其總的頻譜帶寬至少達(dá)到500MHz。從本質(zhì)上看，UWB是發(fā)射和接收超短電磁脈沖的技術(shù)，可以使用不同的方式來產(chǎn)生和接收這些信息，這些脈沖可以單獨(dú)發(fā)射或成組發(fā)射，并且可以根據(jù)脈沖的幅度、相位和位置或它們之間的有效組合來對信息進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)多址通信。

1 UWB極窄脈沖的產(chǎn)生原理

與傳統(tǒng)的無線發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)相比，UWB發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，如所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，UWB發(fā)射機(jī)部分可以不包含功率放大器，替代它的是一個脈沖發(fā)生器，它根據(jù)要求產(chǎn)生時間寬度極短的窄脈沖直接激勵超寬帶天線進(jìn)行輻射?？删幊虝r延實(shí)現(xiàn)了偽隨機(jī)碼的時域編碼和時域調(diào)制。驅(qū)動器主要用來提供一定的驅(qū)動能力，同時對前、后級電路進(jìn)行有效的隔離。脈沖發(fā)生器在超寬帶無線通信系統(tǒng)中占據(jù)著極其重要的地位，是UWB系統(tǒng)中獨(dú)特的關(guān)鍵部件之一。UWB通信系統(tǒng)的超寬帶特性直接與脈沖發(fā)生器的脈沖形狀相關(guān)，顯然，脈沖的持續(xù)時間越短，脈沖所占據(jù)的帶寬就越寬。能否成功地設(shè)計UWB系統(tǒng)的脈沖發(fā)生器，關(guān)系到整個系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
窄脈沖產(chǎn)生電路的性能與所使用的高速器件有關(guān)。可以產(chǎn)生納秒、皮秒級窄脈沖的高速器件有隧道二極管、雪崩晶體管等器件。其中隧道二極管和階躍恢復(fù)二極管所產(chǎn)生的脈沖，上升時間可達(dá)幾十到百皮秒，但其幅度較小，一般為幾百毫伏的量級。而雪崩晶體管產(chǎn)生的脈沖，上升時間可以達(dá)1～2ns，輸出脈沖幅度可達(dá)幾十伏，但需要較高的電源電壓。本文利用微波雙極性晶體管雪崩特性，在雪崩導(dǎo)通瞬間，電流呈“雪崩”式迅速增長，從而獲得具有陡峭前沿的波形，成形后得到極短脈沖。在電路設(shè)計中，采用多個晶體管串行級聯(lián)，使用并行同步觸發(fā)的方式，加快了雪崩過程，從而達(dá)到進(jìn)一步降低脈沖寬度的目的。經(jīng)驗(yàn)證，成功地獲得了脈寬為910ps，幅度為8V的極窄脈沖。

一般的晶體三級管的輸出特性分為四個區(qū)域：飽和、線性、截止與雪崩區(qū)。當(dāng)晶體管的集電極電壓很高時，集電結(jié)的載流子被強(qiáng)電場加速，從而獲得很大能量，它們與晶格碰撞時產(chǎn)生了新的電子-空穴對，新生的電子、空穴又分別被強(qiáng)電場加速而重復(fù)上述過程。于是流過集電結(jié)的電流便“雪崩”式迅速增長，這就是晶體管的雪崩倍增效應(yīng)。
晶體管發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)之后，晶體管的共基極電流增益用α*表示如下：

α*=Mα （1）

式中，M為雪崩倍增因子，α是晶體管的共基極電流增益。其物理意義是：若有一個載流子進(jìn)入集電結(jié)空間電荷區(qū)，則就有M個載流子流出空間電荷區(qū)。倍增因子M通?？捎萌缦鹿奖硎荆?/P>

式中Bvcbo是晶體管發(fā)射極開路時，集電極-基極雪崩擊穿電壓；Vc是集電極電壓；n是與晶體管有著的密勒指數(shù)，通常硅材料為3～4。

給出了NPN型硅雙極性晶體管的輸出特性。當(dāng)基極電流為負(fù)值（IB<0）時，發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電極電流Ic隨集電極電壓Vce和-IB急劇變化的區(qū)域是雪崩區(qū)。雪崩區(qū)運(yùn)用時，晶體管集電極-發(fā)射極之間呈負(fù)阻特性。
2 脈沖發(fā)生器的電路與分析

利用雙極性晶體管工作在雪崩區(qū)的雪崩式開關(guān)特性，結(jié)合MARX電路的基本工作原理，設(shè)計了所示的UWB脈沖發(fā)生器。首先采用了微波雙極性晶體管取代了雪崩晶體管，使得電路在較低的電源電壓下能夠正常工作，滿足實(shí)際的使用需要；其次采用了并行同步觸發(fā)方式，即對多個晶體管的基極同時加入觸發(fā)脈沖信號，當(dāng)晶體管串行級聯(lián)運(yùn)用時，由于各個晶體管偏置臨界雪崩狀態(tài)，如果采用單管進(jìn)行觸發(fā)時，先產(chǎn)生雪山崩擊穿的是基極受到觸發(fā)信號的晶體管，接著才是后面級聯(lián)的晶體管產(chǎn)生雪崩由穿效應(yīng)。對于產(chǎn)生皮秒量級的脈沖而言，電路中任何一個部分存在的時間延遲都會影響產(chǎn)生的輸出脈沖，使得輸出脈沖的上升時間變長和脈沖變寬。為了消除電路中存在的雪崩依次延時，對電路中多個晶體管的基極加入了同步觸發(fā)脈沖信號，使晶體管同時產(chǎn)生雪崩擊穿，加快了負(fù)載上獲得的脈沖的上升過程，獲得了非常陡直的UWB脈沖。該脈沖發(fā)生器可以在較低的電源電壓下可靠工作，穩(wěn)定地輸出一定幅度和寬度的UWB脈沖，脈沖的重復(fù)工作頻率可以達(dá)到50MHz以上，在超寬帶技術(shù)中具有相當(dāng)大的應(yīng)用價值。

在沒有加入觸發(fā)脈沖信號時，電源電壓Vcc通過電阻R1與R11、R2與R5、R5、R3與R6、R4與R7分別對電容C1、C2、C3、C4進(jìn)行充電，使得4個微波雙極性晶體管Q1、Q2、Q3、Q4的集電結(jié)偏置在臨界雪崩狀態(tài)，于是儲能電容C1、C2、C3、C4的兩端所充的電壓約等于集電結(jié)雪崩擊穿電壓BVCBO。當(dāng)觸發(fā)的脈沖信號Vi輸入時，微波雙極性晶體管同時雪崩擊穿，儲能電容C1、C2、C3、C4所所儲存的電荷迅速地通過Q1、Q2、Q3、Q4和等效負(fù)載電阻R12放電，于是在負(fù)載電阻上得到需要的UWB脈沖信號。是在負(fù)載電阻R12仿真計算得到的UWB脈沖信號。
3 UWB脈沖發(fā)生器參數(shù)設(shè)計

所示的UWB脈沖發(fā)生器在晶體管雪崩狀態(tài)下可以用所示的電路進(jìn)行簡化等效。發(fā)生器中的串接電容在晶體管雪崩擊穿狀態(tài)下，可以等效一個電容，其值為C/N，同時所下降的電壓為NΔV。其中C為單個儲能電容的值，ΔV為單個電容兩端壓降，N為串接電容的數(shù)目；Nron等效為所有串接晶體管雪崩狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻，其中Ron為單個雙極性晶體管雪崩狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻。根據(jù)RC電容的充放電特性可以得到負(fù)載電阻R12上獲得的脈沖幅度峰值Vop和脈沖下降時間分別為：

脈沖發(fā)生器的儲能電容值為5pF,電阻R11與負(fù)載電阻R12為51Ω，晶體管在雪崩擊穿狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻Ron一般為30～50Ω。使用的微波雙極性晶體管的主要參數(shù)如下：特征頻率fT=24GHz，集電極-基極雪崩擊穿電阻BVcbo=15V，集電極-發(fā)射極雪崩擊穿電壓BVceo=4.5V，集電極電流Ic=100mA。

晶體管在開關(guān)狀態(tài)下，脈沖的上升時間可近似表示為：

式中：fT指上升時間內(nèi)特征頻率的平均值；Cc指Vcc電壓下集電結(jié)電容值；Icm指集電極電流的值；Rc為集電極負(fù)載電阻。從公式（5）可看出基極觸發(fā)電流Ib對輸出脈沖的上升時間存在著影響。當(dāng)基極觸發(fā)電流Ib增大時，脈沖的上升時間tr會減小。為了加大基極觸發(fā)電流，在實(shí)際工作的脈沖發(fā)生器中設(shè)計了驅(qū)動電路。由于晶體管串行級聯(lián)結(jié)構(gòu)的使用相當(dāng)于各級輸出脈沖波形進(jìn)行乘積，使脈沖的上升過程加快，上升時間tr得到了進(jìn)一步的減小。同時由于對多個晶體管的基極的并行同步觸發(fā)，消除了各晶體管依靠傳輸依次延遲的雪崩時間，使得脈沖的上升時間tr更短。UWB脈沖的上升沿主要取決于管子的雪崩導(dǎo)通開關(guān)的速度，而下降沿主要由放電回路的放電速度決定，這兩個因素決定著終產(chǎn)生的UWB脈沖信號的形狀和寬度。通過仿真計算獲得的脈沖如所示，脈沖寬度Tp約為610ps，上升時間tr約為490ps，下降時間tf允為750ps，幅度約為8.25V。

4 實(shí)驗(yàn)與測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測試過程中，利用Aglient 81110脈沖發(fā)生器作為觸發(fā)脈沖源，輸出信號使用54830B數(shù)字存儲示波器進(jìn)行觀測。是在負(fù)載電阻R12上測試得到的波形，從圖中可以看出脈沖的寬度為908.1ps，上升時間為519ps，下降時間為940.9ps，脈沖的幅度為8V。測試中的數(shù)據(jù)與前面仿真計算的結(jié)果非常相似，但在存在著一些差異，主要由于仿真電路中的器件模型參數(shù)和器件在工作中實(shí)際參數(shù)存在著差異，以及分析過程對電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕啤？梢钥闯鏊镜碾娐方Y(jié)構(gòu)具有極大的實(shí)用性；同時，在實(shí)驗(yàn)中測試，該電路可以穩(wěn)定地產(chǎn)生重復(fù)頻率達(dá)到50MHz的UWB脈沖。當(dāng)在功率與脈沖的重復(fù)頻率兩者之間進(jìn)行折衷選擇時，可以通過改變電路中相應(yīng)的元件與參數(shù)，獲得滿足不同需求的UWB脈沖信號。
本文利用微波雙極性晶體管以雪崩型開關(guān)串行級聯(lián)并行同步觸發(fā)的方式工作，成功地產(chǎn)生了寬度達(dá)到皮秒量級的UWB脈沖。隨著人們對UWB技術(shù)的深入研究，能夠可靠并且簡便產(chǎn)生UWB脈沖信號的電路結(jié)構(gòu)，越來越具有實(shí)用價值。本文設(shè)計與制作的電路具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、性能好的特點(diǎn)，在UWB技術(shù)中具有較好的應(yīng)用前景。