一種UWB雷達(dá)脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)

李秀貴，倪 原

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安 710032)

研究的超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)被用于探測障礙物后面的人體生命信息。超寬帶雷達(dá)可以被應(yīng)用于反恐和廢墟中人體生命信號的探測[1]。超寬帶雷達(dá)就是通過產(chǎn)生、傳輸、接收一種持續(xù)時(shí)間大約為幾百ps到幾ns的電磁能量脈沖來傳送信息或者探測目標(biāo)。從信息論和通信基本理論的方面來考慮，信號所占帶寬越寬，對提高通信性能越有利。傳統(tǒng)的通過對載波進(jìn)行各種調(diào)制實(shí)現(xiàn)的“窄帶”通信技術(shù)漸漸難以滿足需求[2]。然而無載波的UWB技術(shù)由于它的窄脈沖、超寬帶特點(diǎn)，使其具有了良好的探測、定位和穿透的能力。根據(jù)這些特點(diǎn)，利用雪崩三極管的雪崩特性，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單的皮秒級脈沖形成電路，，其峰值達(dá)2 V，可以滿足基于UWB雷達(dá)的人體生命探測系統(tǒng)的要求。

1 UWB雷達(dá)的人體生命探測系統(tǒng)的工作原理

生命信息探測系統(tǒng)主要是脈沖產(chǎn)生及發(fā)射模塊，回波信號接收及預(yù)處理模塊、目標(biāo)定位算法處理及信息顯示模塊3大部分。UWB雷達(dá)的人體生命探測系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。窄脈沖信號發(fā)生器由脈沖振蕩器產(chǎn)生10 MHz的占空比為50%的方波信號，該信號經(jīng)過脈沖整形、UWB脈沖成形電路產(chǎn)生ps級的UWB脈沖，并通過發(fā)射天線輻射出去;被人體胸壁運(yùn)動(dòng)反射的回波信號送到接收取樣電路，同時(shí)經(jīng)過延時(shí)電路產(chǎn)生與發(fā)射端同樣的UWB脈沖作為同步脈沖，通過取樣門對信號的接收進(jìn)行選擇，再經(jīng)過取樣積分把脈沖積累后將微弱的生命體征信息檢測出來，經(jīng)過帶通濾波電路和放大濾波電路將檢測出呼吸和心跳信號，輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)收到一組回波信號后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，在顯示器上面顯示出相應(yīng)的呼吸和體動(dòng)信號。

圖1 UWB雷達(dá)的人體生命探測系統(tǒng)的工作原理框圖

2 脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)

UWB雷達(dá)的人體生命探測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何設(shè)計(jì)并產(chǎn)生可以控制的窄脈沖。設(shè)計(jì)合適的脈沖信號發(fā)生器尤為重要。

2.1 幾種窄脈沖產(chǎn)生方法的分析

目前從國內(nèi)外對超寬帶技術(shù)的研究來看，超寬帶脈沖產(chǎn)生的方法大致可以分為兩種:一種是利用數(shù)字電路的邏輯器件特性來實(shí)現(xiàn)所需窄脈沖信號的產(chǎn)生，這種方法雖然簡單，便于集成化，能產(chǎn)生近似各階微分高斯脈沖，但是產(chǎn)生的脈沖寬度太寬，幅度很低，文獻(xiàn)[3]就是按照這種方法產(chǎn)生的脈沖信號;另一種是將各種高速器件等效成開關(guān)，從而利用儲(chǔ)能元件充放電得到短持續(xù)時(shí)間的信號，再結(jié)合脈沖成形電路整形成為滿足要求的，電壓足夠高的脈沖[4]。文中是利用射頻雙極性三極管在低工作電壓下的雪崩特性來設(shè)計(jì)的雙極性窄脈沖信號發(fā)生器。

2.2 雪崩三極管的擊穿機(jī)理

在晶體管的集電結(jié)空間電荷區(qū)加上很強(qiáng)的電場，集電結(jié)的載流子被電場加速，這些被加速的載流子與晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的電子-空穴對，這些新的電子-空穴對又被電場加速，并和晶格發(fā)生碰撞，再次產(chǎn)生新的電子-空穴對，如此重復(fù)上述過程。于是流過集電結(jié)的電流便迅速增長，形成晶體管的雪崩效應(yīng)。把雪崩效應(yīng)較強(qiáng)的晶體管稱為雪崩晶體管[5]。

當(dāng)基極注入電流為正值，即IB＞0時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電極電流IC隨基極電流IB的變化而變化。IC隨IB的變化成比例的區(qū)域?yàn)榫€性區(qū)，IC不隨IB明顯不變化的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)，IB=0以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)。當(dāng)基極注入電流為負(fù)值，IB＜0時(shí)，發(fā)射結(jié)處于反偏，一般情況下，集電極電流IC接近于0。如果在集電極與發(fā)射極之間加上很高的電壓VCE，集電極電流IC會(huì)隨基極電流IB和集射電壓VCE劇烈變化，所以，此區(qū)域稱為雪崩區(qū)[8]如圖2所示。

晶體管輸出特性如圖2所示，它是一組基極電流IB為常數(shù)時(shí)集電極電流IC與集電極到發(fā)射極電壓VCE的關(guān)系曲線。如果IB＞0保持不變，隨著電壓VCE的增大，集電極電流IC開始緩慢增大，當(dāng)VCE接近BVCEO時(shí)，集電極電流IC劇烈增大，此時(shí)晶體管被擊穿。如果IB＜0且保持不變，隨著電壓VCE的增大，集電極電流IC開始緩慢增大，當(dāng)VCE接近和超過BVCEO時(shí)，集電極電流IC依然很小，隨著電壓VCE繼續(xù)增大，一旦VCE增大到某一定值，使得晶體管的工作點(diǎn)移動(dòng)到Q點(diǎn)，IC開始劇烈增大。此后即使VCE減小，IC仍然急劇增大，此時(shí)晶體管呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性。從圖2中可以看出，對于不同的基極電流IB，臨界點(diǎn)Q的位置不同，反向基極電流越小，其Q點(diǎn)越靠近BVCEO直線，但是無論多大，Q點(diǎn)也不能越過BVCEO直線。

圖2 晶體管的輸出特性曲線

3 電路圖和仿真結(jié)果

3.1 典型的雪崩三極管脈沖產(chǎn)生電路

典型的雪崩三極管脈沖產(chǎn)生電路如圖3所示，當(dāng)觸發(fā)脈沖尚未到達(dá)時(shí)，晶體管截止，處于反向偏置，直流電源經(jīng)過大阻值限流電阻RC加到三極管的集電極。電容C上充電得到的電壓約等于電源電壓VCC。而當(dāng)觸發(fā)脈沖到來之后，隨著正極性觸發(fā)脈沖的上升沿輸入，基極反向偏置電流減小，基極電流的增加使得雪崩管迅速被擊穿，工作點(diǎn)發(fā)生變化，并由擊穿前的高阻區(qū)轉(zhuǎn)為擊穿后的負(fù)阻區(qū)，并產(chǎn)生驟然增大的雪崩電流。此時(shí)，電容C上儲(chǔ)存的電荷在該電流的作用下，將通過晶體管向負(fù)載電阻RL放電，從而產(chǎn)生脈沖。此后，電容C兩端電壓很快降低，當(dāng)電容C的放電電流不足以維持雪崩效應(yīng)時(shí)，由于基極輸入觸發(fā)脈沖的寬度比較寬，上升時(shí)間較長，所以三極管將進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)輸入觸發(fā)脈沖結(jié)束以后，基極重新處于反偏，三極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，VCC通過限流電阻RC和負(fù)載電阻RL向C充電，經(jīng)過大約(3～5)個(gè)(RC+RL)C的恢復(fù)時(shí)間后，儲(chǔ)能電容C即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，兩端電壓近似為VCC，從而為下一次觸發(fā)再做準(zhǔn)備。可以看出，由于三極管的雪崩效應(yīng)，儲(chǔ)能電容C的放電過程非常快，因而可在負(fù)載電阻RL上形成一個(gè)很窄的負(fù)極性脈沖輸出[9]。

圖3 典型的雪崩三極管脈沖產(chǎn)生電路

3.2 改進(jìn)后的雙極性脈沖產(chǎn)生電路

采用RF-BJT三極管MRF5812，設(shè)計(jì)了的脈沖產(chǎn)生電路如圖4所示，該電路由微分整形電路，負(fù)極性脈沖產(chǎn)生電路和雙極性脈沖產(chǎn)生電路3部分組成，C1、R2構(gòu)成微分整形電路，R3、R4、R6、Q1、C2、D1及C3形成負(fù)脈沖，R5、R7、R8、Q2、C4構(gòu)成的負(fù)反饋電路將負(fù)脈沖進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為雙極性脈沖。

圖4 雙極性脈沖發(fā)生電路

一般情況下，普遍采用高斯函數(shù)的一階導(dǎo)函數(shù)波形[10]，如圖5所示。

圖5 高斯函數(shù)的一階導(dǎo)函數(shù)波形

3.3 電路的仿真結(jié)果

圖4中雙極性脈沖產(chǎn)生電路的輸入觸發(fā)脈沖采用幅值為5 V，頻率10 MHz的方波激勵(lì)，電源電壓VCC為30 V，對該電路中元器件進(jìn)行估值并通過Multisim仿真且反復(fù)調(diào)試，最終獲得峰值電壓為2 V，寬度為956 ps的雙極性脈沖，如圖6所示。將圖6與圖5理想的高斯一階導(dǎo)函數(shù)波形相比較，有拖尾現(xiàn)象，但應(yīng)用于人體生命信號探測較為理想。

圖6 仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

提出了一種人體生命信號探測系統(tǒng)的脈沖發(fā)生器。電路是由RF三極管BJTMRF5812為核心器件、輔助器件電阻、電容構(gòu)成的，適合于生命信號的探測。通過仿真調(diào)試，可得到峰值電壓為2 V，脈沖寬度為956 ps的時(shí)域脈沖波形，通過適當(dāng)改變C4，可改變輸出的脈沖幅度和寬度。從理論上結(jié)合仿真結(jié)果分析，該脈沖完全適合穿墻生命信號的探測，而且波形理想，電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

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