超寬帶UWB(Ultra Wideban)技術是一種全新的,、與傳統(tǒng)通信技術有著極大差異的通信新技術。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。超寬帶技術解決了困擾傳統(tǒng)無線技術多年的有關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)的復雜程度低、定位精度高等優(yōu)點,。超寬帶技術因其具有優(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日批準了民用的超寬帶無線技術 ,。實現(xiàn)超寬帶技術的首要任務是產(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輻射點所對應的上,、下頻率點或者是指其總的頻譜帶寬至少達到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，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)射機結(jié)構(gòu)相比,，UWB發(fā)射機的結(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行輻射,。可編程時延實現(xiàn)了偽隨機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,，顯然,，脈沖的持續(xù)時間越短，脈沖所占據(jù)的帶寬就越寬,。能否成功地設計UWB系統(tǒng)的脈沖發(fā)生器,，關系到整個系統(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,?？梢援a(chǎn)生納秒、皮秒級窄脈沖的高速器件有隧道二極管,、階躍恢復二極管,、雪崩晶體管等器件。其中隧道二極管和階躍恢復二極管所產(chǎn)生的脈沖,，上升時間可達幾十到幾百皮秒,，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1～2ns，輸出脈沖幅度可達幾十伏,，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,，從而達到進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)。當晶體管的集電極電壓很高時,集電結(jié)的載流子被強電場加速,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,、空穴又分別被強電場加速而重復上述過程,。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。
　　晶體管發(fā)生雪崩倍增效應之后,，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,。當基極電流為負值(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)的雪崩式開關特性^[3],，結(jié)合MARX電路^[4]的基本工作原理,，設計了圖3所示的UWB脈沖發(fā)生器。該脈沖發(fā)生器在文獻^[5]的基礎上作了進一步的改進。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^[5]電路中存在的雪崩延時。當晶體管串行級聯(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,。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,脈沖的重復工作頻率可以達到50MHz以上，在超寬帶技術中具有相當大的應用價值,。

　　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和等效負載電阻R₁₂放電,，于是在負載電阻上得到需要的UWB脈沖信號。圖4是在負載電阻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)下的導通電阻,，其中R_on為單個雙極性晶體管雪崩狀態(tài)下的導通電阻,。根據(jù)RC電路的充放電特性可以得到負載電阻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與負載電阻R₁₂為51Ω，晶體管在雪崩擊穿狀態(tài)下的導通電阻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)的使用相當于各級輸出脈沖波形進行乘積，使脈沖的上升過程加快,，上升時間t_r得到了進一步的減小,。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通開關的速度，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)字存儲示波器進行觀測,。圖6是在負載電阻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行適當?shù)慕啤,？梢钥闯鰣D3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)生重復頻率達到50MHz的UWB脈沖,。當在功率與脈沖的重復頻率兩者之間進行折衷選擇時，可以通過改變電路中相應的元件與參數(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)生了寬度達到皮秒量級的UWB脈沖,。隨著人們對UWB技術的深入研究,，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技術中具有較好的應用前景,。
參考文獻
1 FCC.Revision of Part 15 of the Commission′s Rules Regard-ing Ultra-Wideband Transmission Systems. First Report and Order, 2002;(2):ET Docket 98～153
2 楊蔭彪,穆云書.特種半導體器件及其應用.北京:電子工業(yè)出版社，1991:55～60
3 (美)約翰M.道伊爾.脈沖技術基礎.北京：人民郵電出版社,，1981:62～66
4 John mankowski, Magne Kristiansen. A Review of Short Pulse Generator Technology. IEEE Transactions on Plasma Science,2000;28(1)
5 劉詠華,，鄭繼禹,，仇紅冰. 一種超寬帶脈沖發(fā)生器的設計.電子技術應用，2003;28(7)
6 張屏英,周佑謨. 晶體管原理.上海:上?？茖W技出版社,， 1985:297～302