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)送和接收具有納秒級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最高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,、系統(tǒng)的復(fù)雜程度低,、定位精度高等優(yōu)點。超寬帶技術(shù)因其具有優(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大于20％,，其中f_H,、f_L分別為-10dB輻射點所對應(yīng)的上、下頻率點或者是指其總的頻譜帶寬至少達(dá)到500MHz^[1],。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，如圖1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,。可編程時延實現(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)生器產(chǎn)生的脈沖形狀相關(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)?？梢援a(chǎn)生納秒,、皮秒級窄脈沖的高速器件有隧道二極管、階躍恢復(fù)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)幾十到幾百皮秒,，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,。
　　一般的晶體三極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：
　　
　　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?SUP>[2]：
　　
　　式中BV_CBO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是與晶體管有關(guān)的密勒指數(shù)^[2],，通常硅材料為3～4,。
　　圖2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(I_B<0)時,，發(fā)射結(jié)處于反向偏置,，集電極電流I_C隨集電極電壓V_CE和-I_B急劇變化的區(qū)域是雪崩區(qū)。雪崩區(qū)運用時,，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^[3]，結(jié)合MARX電路^[4]的基本工作原理,，設(shè)計了圖3所示的UWB脈沖發(fā)生器,。該脈沖發(fā)生器在文獻(xiàn)^[5]的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的改進(jìn)。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,，克服了文獻(xiàn)^[5]電路中存在的雪崩延時。當(dāng)晶體管串行級聯(lián)運用時,，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)生雪崩擊穿效應(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、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BV_CBO,。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,。圖4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
　　圖3所示的UWB脈沖發(fā)生器在晶體管雪崩狀態(tài)下可以用圖5所示的電路進(jìn)行簡化等效^[4],。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N△V,。其中C為單個儲能電容的值,，△V為單個電容兩端壓降，N為串接電容的數(shù)目,；NR_on等效為所有串接晶體管雪崩狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻,，其中R_on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電路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V_op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f_T=24GHz，集電極－基極雪崩擊穿電壓BV_CBO=15V,集電極－發(fā)射極雪崩擊穿電壓BV_CEO=4.5V,，集電極最大電流I_c=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^[6]：
　　
　　式中：指上升時間內(nèi)特征頻率的平均值,；C_c指V_cc電壓下集電結(jié)電容值,；I_cm指集電極電流的最大值；R_c為集電極負(fù)載電阻,。從公式(5)可看出基極觸發(fā)電流I_b對輸出脈沖的上升時間存在著影響,。當(dāng)基極觸發(fā)電流I_b增大時，脈沖的上升時間t_r會減小,。為了加大基極觸發(fā)電流,，在實際工作的脈沖發(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t_r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t_r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,，這兩個因素決定著最終產(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圖4所示，脈沖寬度TP約為610ps,，上升時間t_r約為490ps, 下降時間t_f約為750ps,，幅度約為8.25V。
4 實驗與測試結(jié)果
　　實驗測試過程中,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,。圖6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，但還存在著一些差異，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?。可以看出圖3所示的電路結(jié)構(gòu)具有極大的實用性,；同時,，在實驗中測試，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，在UWB技術(shù)中具有較好的應(yīng)用前景,。
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