傳統(tǒng)數(shù)字通信是通過在信道中發(fā)送包含信息的模擬波形來實(shí)現(xiàn)通信的,，而超寬帶(UWB)通信是通過發(fā)送和檢測(cè)極窄脈沖序列來實(shí)現(xiàn)通信,。這種脈沖的脈寬只有1個(gè)多ns,，有的甚至小到lns,，并目.其帶寬可以達(dá)到或者超過3GHz。
從本質(zhì)上講,，產(chǎn)生ns級(jí)寬度短脈沖的信號(hào)源是UWB技術(shù)的前提條件,。單個(gè)無載波窄脈沖信號(hào)有兩個(gè)特點(diǎn)：是激勵(lì)信號(hào)" title="激勵(lì)信號(hào)">激勵(lì)信號(hào)的波形為具有陡峭前后沿的單個(gè)短脈沖，是激勵(lì)信號(hào)具有從直流到微波的很寬的頻譜。目前產(chǎn)生脈沖源的兩類方法為：1.光電方法,，基本原理是利用光導(dǎo)開關(guān)的陡峭上升,，下降沿獲得脈沖信號(hào)，是最有發(fā)展前景的一種方法,。2.電子方法,，基本原理是利用晶體管P N結(jié)反向加電，在雪崩狀態(tài)的導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通瞬間獲得陡峭上升沿,，整形后獲得極短脈沖,，這是目前應(yīng)用最廠一泛的方案。受晶體管耐壓特性的限制,，這種方法一般只能產(chǎn)生幾十V到上百V的脈沖,，脈沖寬度可以達(dá)到lns以下。
階躍" title="階躍">階躍恢復(fù)一二極管(SRD)也是一種PN結(jié)二極管,，但它在管芯設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)工藝上采取了一些特殊的措施,，能夠獲得電流的"階躍"，可以用來產(chǎn)生很窄的脈沖,。本文就著重討論使用階躍恢復(fù)二極管產(chǎn)生窄脈沖的方法,。
脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
階躍二極管產(chǎn)生極窄脈沖的原理傳統(tǒng)窄脈沖產(chǎn)生的基本原理是通過器件所存儲(chǔ)能量經(jīng)由高速開關(guān)器件快速放電而得到。提高輸出脈沖性能的途徑有兩個(gè)：增加器件存儲(chǔ)的能量,，加快器件放電速度,。這兩種方法都依賴于高速開關(guān)器件，因此,，高速開關(guān)器件是超寬帶脈沖信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)鍵,。
階躍恢復(fù)二極管是一種充分利用少子儲(chǔ)存效應(yīng)的器件。作為一種PN結(jié)二極管,，普通整流管要求正向時(shí)管子導(dǎo)通,，反向截至，因此少子儲(chǔ)存效應(yīng)對(duì)整流器件顯然是不利的,。而對(duì)階躍二極管,，當(dāng)加上正向電壓時(shí)，大量少數(shù)載流子注入I層并儲(chǔ)存起來,，反向時(shí)由于少子基本上被反向電場(chǎng)提取完畢,，器件在極短的階躍時(shí)間內(nèi)關(guān)斷，關(guān)斷瞬間產(chǎn)生了電流跳變,，形成一個(gè)很窄的脈沖,。
理想的階躍恢復(fù)二極管在正向和反向偏置時(shí)，具有兩種阻抗?fàn)顟B(tài),。正向：
相當(dāng)于低阻抗短路狀態(tài);反向
為高阻抗?fàn)顟B(tài),。簡(jiǎn)化的脈沖串發(fā)生器電路如圖1所示,。頻率為f，的激勵(lì)信號(hào)使階躍管正向?qū)?，直至二極管的儲(chǔ)存電荷釋放完為止,，脈沖發(fā)生器的等效電路" title="等效電路">等效電路如圖2所示。此時(shí)輸出電壓維持在階躍管的接觸電勢(shì)Φ,。與此同時(shí),，激勵(lì)電感L中儲(chǔ)存輸人信號(hào)的能量。當(dāng)輸入信號(hào)電壓同階躍管的偏壓大小相等,、符號(hào)相反,，而儲(chǔ)存電荷又降為零時(shí)，階躍二極管自低阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為高阻抗?fàn)顟B(tài),。脈沖發(fā)生器的等效電路如圖3在R'上造成如下形式的阻尼振蕩 所示,，激勵(lì)電感釋放其儲(chǔ)存能量，電壓：而p是阻尼振蕩角頻率
(3)
實(shí)際上,，在負(fù)載R'上能觀察到半周期的僅僅是此阻尼振蕩波形的第一個(gè),，因?yàn)殡妷撼^管子的接觸電勢(shì)時(shí)，階躍二極管又重新處于低阻抗?fàn)顟B(tài),，輸出電壓將維持在Φ,。所以在輸入頻率為f1的連續(xù)信號(hào)作用下，脈沖發(fā)生器的輸出電壓波形將是窄脈沖串,，每個(gè)脈沖之間的間隔為1/f1,，脈沖根部寬度為
脈沖產(chǎn)生電路及分析
階躍恢復(fù)二極管的工作依賴于載流子的復(fù)合，在設(shè)計(jì)電路時(shí),，為了獲得高效率與高輸出功率,，二極管的載流子壽命τ愈長(zhǎng)愈好，階躍時(shí)間tst愈短愈好,。τ下與tst;,。是一對(duì)互相制約的參數(shù)，在選管子時(shí)應(yīng)綜合考慮,，τ主要決定階躍二極管的輸入信
階躍時(shí)間則決定了二極管高次諧波的上限,，tst越小，則高次諧波越豐富,，倍頻效率越高,。二極管產(chǎn)生諧波的上限頻率以階躍時(shí)間的倒數(shù)來定義，存在以下關(guān)系：
為避免傳輸線對(duì)脈沖發(fā)生器過載,，在50Ω系統(tǒng)中,，階躍管阻抗的要求為l0(Q)
為避免傳輸線對(duì)脈沖發(fā)生器過載,，在50Ω系統(tǒng)中,，階躍管阻抗的要求為l0(Q)
電路原理圖
實(shí)際的脈沖發(fā)生器電路包括階躍管,、激勵(lì)電感、高頻調(diào)諧電容,、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),、偏置電路等，如圖4所不,。
(4)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
為了使脈沖發(fā)生器的輸入電阻與信號(hào)源內(nèi)阻(一般為50Ω)匹配,，較簡(jiǎn)便的辦法是采用變阻低通濾波器。匹配電路的簡(jiǎn)化等效電路如圖5所示,，該電路可看成是集中參數(shù)半節(jié)Г形阻抗變換器,。對(duì)于這種電路，
(5)偏置電路設(shè)計(jì)
一般采用自偏置電路,。自給偏置的產(chǎn)生過程簡(jiǎn)述如下：在外加交流電壓超過二極管的接觸電位差Φ的時(shí)間間隔內(nèi),，二極管的正向電阻遠(yuǎn)小于R，信號(hào)源通過小的正向電阻向電容c.充電;當(dāng)外加交流電壓小于D值并使二極管進(jìn)入反向工作區(qū)域時(shí),，二極管呈現(xiàn)很大的電阻(與R比較而言),，電容C1通過電阻R放電。如果C1R的時(shí)間常數(shù)比基波電壓的周期大得多,，則放電電流可以認(rèn)為是一常數(shù);于是在電阻R上就產(chǎn)生一個(gè)壓降,，其值為I0R，并反向地加在二極管上,。由于這一偏壓是整流電流引起的,，所以隨著激勵(lì)電壓幅度的變化，偏壓隨之改變,，從而可以自動(dòng)調(diào)節(jié)工作點(diǎn),。偏壓電阻值可按下式估算：
c3的原理與c1一樣，但其充放電過程與C1相反,。如果電路中去掉c3則電路的輸出端就沒有一個(gè)壓降,，所得的脈沖就是一個(gè)高斯脈沖" title="高斯脈沖">高斯脈沖波形;如果電路中有C3，所得脈沖就是一個(gè)高斯脈沖的一階導(dǎo)數(shù),。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
上述公式只能對(duì)元器件的值進(jìn)行大概的估算,，還要通過反復(fù)實(shí)踐進(jìn)行修正。筆者在電路調(diào)試過程中,，為了得到較窄的脈沖寬度,，反復(fù)實(shí)踐修正元器件的值。利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生31MHz,，24dBm的正弦波作為電路的觸發(fā)信號(hào)源,，c1和cc可選用幾萬pF的大電容，偏置電容C3的容值盡可能小,。自偏置電阻R為幾十Ω或幾百Ω,，通過對(duì)R的微調(diào),，可以改變產(chǎn)生脈沖的重復(fù)周期。cm和ct分別為7 8 0 p F和390+45pF,。LM和L分別為30nH和70nH的空心電感線圈,。其中微調(diào)激勵(lì)電感L的感值對(duì)脈沖的波形影響尤為明顯。圖6是從示波器上觀察到的高斯脈沖的一階導(dǎo)數(shù)波形(有偏置電容c3),，脈寬1.5ns左右,，Vpp為7V。
實(shí)踐表明,，有時(shí)理論計(jì)算的數(shù)值與實(shí)際電路的數(shù)值相差頗大,，其可能的原因是：管子參數(shù)的誤差及離散性較大;設(shè)計(jì)中沒有考慮寄生參量以及輸入回路與輸出回路之間的影響;大信號(hào)(特別是過激勵(lì))的理論尚不完善。