基于SRD的二階微分高斯脈沖發生器

摘 要：基于階躍恢復二極管（SRD）反向偏置時的階躍恢復特性，設計了一種極窄的亞納秒級二階微分高斯脈沖發生器。該脈沖發生器主要由SRD串并聯電路、RC電路及并聯微帶線短路枝節組成，其中串并聯結構的SRD用于形成窄脈沖，RC電路用于信號的耦合及取代SRD的外偏置網絡，微帶短路枝節用于二階脈沖的成形。利用ADS對電路進行了仿真設計，并對電路進行加工制造，和串聯或并聯SRD脈沖發生器相比，串并聯結構的輸出電壓明顯提高，3V紐扣電池供電時，實際測試的脈沖峰-峰值1.2V，脈沖寬度約600ps，脈沖對稱性較好，振鈴約-16dB。

關鍵詞：階躍恢復二極管；超寬帶；二階微分高斯脈沖；脈沖發生器

中圖分類號：TN784+.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 18-0000-01

超寬帶窄脈沖，在超寬帶雷達、超寬帶無線通信系統中，是非常重要的研究內容。目前主要有基于數字電路的競爭冒險[1]，基于雪崩晶體管、階躍恢復二極管（SRD）、隧道二極管等高速電子器件的非線性效應產生窄脈沖。文獻[1]采用數字電路的方法得到了脈寬為3ns的鐘形脈沖，若要產生更窄的脈沖，需要精確的控制信號的延遲，對于亞納秒的時延，目前市場上的芯片很難達到；雪崩晶體管所需供電電壓較高，輸出幅度過大，適合應用于超寬帶雷達系統；SRD由于其特有的反向階躍恢復特性，能產生上升沿、下降沿約50ps～150ps的窄脈沖，且輸出幅度適中、結構簡單、甚至無需額外的偏置網絡，因此在UWB無線通信系統中有著光明的使用前景。

一、SRD脈沖發生器設計

SRD選用MA-COM公司的MA44769，其主要參數為：少子壽命10ns、渡越時間150ps、反向擊穿電壓30V。所設計的脈沖發生器，電路原理圖如圖1所示。

脈沖發生器由驅動電路、脈沖發生電路及脈沖成形電路組成。驅動電路用于為SRD提供足夠的功率，選用TI公司的SN74LVC1G02或非門實現。

脈沖發生電路包括兩級RC網絡、并聯二極管SRD1及串聯二極管SRD2，是整個脈沖發生器的核心部分。RC網絡用于級間耦合，提高脈沖的輸出功率效率，同時為SRD1、SRD2提供偏置。驅動電路輸出為高電平時，SRD1導通，其端電壓為二極管的導通壓降，負載輸出為0；當驅動電路的輸出由高電平向低電平跳變時，RC網絡作為微分電路，產生負的尖脈沖，SRD1反向偏置并迅速截止，同時用來銳化負脈沖的下降沿。

SRD1截止之后，SRD2反向偏置，產生反向電流IR，在50Ω的負載上形成窄脈沖，該脈沖為高斯脈沖，脈沖峰值約1V，由于電路阻抗不匹配，產生了振鈴，使脈沖的上升沿變緩，脈沖的根部寬度約1.1ns。

高斯脈沖包含較大的直流分量，在無線通信系統中，為了提高脈沖的發射效率，多采用高斯脈沖的高階微分，脈沖成形網絡即用于將高斯脈沖轉換為高階微分的高斯脈沖。根據微波傳輸線理論，λ/4短路線能產生相位差180°的全反射，在SRD2的輸出端，并聯一段λ/4微帶短路枝節，為了使輸出和50Ω的負載匹配，在SRD2和負載之間串入電容，該電容和負載共同作用，可看作微分網絡。經成形網絡整形后的二階微分高斯脈沖如圖3所示。

二、脈沖發生器的制作及測試

根據以上的分析，實際制作了脈沖發生器，如圖2所示。介質基板采用厚度為0.6mm的FR-4，相對介電常數約4.3，采用3V紐扣電池供電，以1.8432MHz的時鐘振蕩器作為脈沖觸發源，整個電路結構緊湊、體積小。使用Agilent InfiniiMax 90000系列示波器對脈沖進行了時域測量，測試結果如圖3所示。測試結果表明，脈沖發生器形成了二階微分高斯脈沖，脈沖峰-峰值約1.2V，脈沖寬度約600ps，脈沖的振鈴較低約-16dB，波形對稱性較好。和仿真結果相比，脈沖幅度有所降低，這是因為仿真時未考慮損耗，另外，示波器的帶寬有限，衰減了部分高頻段的能量所致，其它指標仿真實測符合的很好。

三、結束語

本文分析了SRD的反向階躍恢復特性，在此基礎上，基于ADS仿真設計了一種二階微分高斯脈沖發生器，測試結果和仿真結果基本一致，驗證了設計方案的有效性。該脈沖發生器結構緊湊、體積小、成本低廉，在超寬帶無線通信系統中，有較高的實用價值。

參考文獻：

[1]Ian Oppermann，Matti Ha¨ma¨la¨inen， Jari Iinatti.UWB Theory and Applications[J].West Sussex：John WileySons Inc，2004：112-114.

[2]Bahl I J，Bhartia P.Microwave solid state circuit design.Hoboken[J].New Jersey：John WileySons Inc，2003：425-42.