超寬帶多高斯脈沖信號源的設計

趙 政，劉久文，陳春雨

（北京航空航天大學，北京100083）

隨著電子系統集成技術的發展，現階段的電子系統在有限的平臺上集成了大量的電子設備，測試環境遠不如實際工作電磁環境復雜，從而導致設備在實際使用過程中，產生不可預測的電磁兼容性問題，所以有效的電磁兼容性測試手段對設備和系統安全有著至關重要的作用。使用多高斯脈沖作為寬帶時域測試信號，利用多高斯脈沖頻譜寬、頻譜分布范圍跟隨脈沖間距改變的特點，依次將測試信號注入被試品激發被試品的敏感響應，通過使用不同的多高斯脈沖測試被試品，并結合被試品響應可精確測量敏感頻點分布范圍。該方法能夠覆蓋全部敏感信息點，最大限度模擬真實電磁環境。雪崩晶體管被認為是理想的產生納秒脈沖的高速開關器件。

1 Marx電路工作原理

圖1是Marx電路的示意圖。在觸發信號到來之前，所有的雪崩晶體管都被切斷，即電源電壓Ucc為存儲電容充電。當觸發信號到達時，第一個晶體管雪崩，電容器C1電壓和電源電壓疊加并施加到晶體管A1的集電極，等同于向的集電極施加2倍的雪崩電壓并立即擊穿。然后，電容器C2電壓和Ucc電壓疊加并施加到晶體管A2的集電極，直到最終晶體管被擊穿。實際上，由于雪崩晶體管的器件導通電阻和寄生電容等的封裝電感，輸出電壓將低于理論值。

圖1 Marx電路工作原理

2 多高斯脈沖源的設計

本文采用Marx電路＋雪崩晶體管產生高壓單脈沖，研制短路或開路的延遲傳輸線矩陣反射單脈沖，從而得到多種脈沖，進而通過功率合成器組合輸出高壓多高斯脈沖，通過CPLD調整觸發延遲線，實現脈沖間距可調。多高斯脈沖信號源基本框圖如圖2所示。

圖2 多高斯脈沖源結構框圖

2.1 觸發信號源的設計

觸發信號的上升沿對輸出脈沖的穩定性有很大影響，觸發信號的設計需要配合電容的充放電時間進行頻率的設置，本文采用CPLD進行編程實現，結合電容的充電時間以及電路雪崩的時間，保證在TTL電平未三極管導通的時間足夠給電容充電，設計了一個優化的觸發電路，輸出脈沖波形上升沿為1 ns，電壓幅值為5.0V。

2.2 電路級數的選擇

理論上Marx電路級數越多，輸出的脈沖幅值越高，對不同級數的Marx電路進行仿真，通過仿真結果發現輸出脈沖的幅值隨級數n的增加而升高。在n＜20時，脈沖幅值隨電路級數線性增加，繼續增加級數輸出脈沖幅值趨于飽和，可以發現在電路級數增加到某一值時，電壓疊加的效率也發生明顯的降低。在理論分析的基礎上，設計了不同級數的Marx電路，對比實驗結果，最終確定了30級Marx電路產生所需的高斯脈沖信號。

2.3 合路器的設計

微帶Wilkinson功分器是三端口電路結構，其特點是在簡單功分器的基礎上引入隔離電阻以保證三端口網絡能夠達到完全匹配并且兩個輸出端口間有較高隔離度。為了拓寬Wilkinson功分器的工作頻帶以滿足微波器件日益寬頻化的趨勢，需要進行多節阻抗變換。

綜合考慮傳輸損耗和系統要求，設計了在195 MHz～1 260 MHz頻段內各端口反射系數和隔離度均大于15 dB，傳輸損耗小于3.5 dB的 Wilkinson結構功率合成器。在多枝節結構電路驗證過程中，采用奇模偶模分析方法得到微帶線設計參數，通過ADS軟件驗證參數并合理優化，最終利用HFSS軟件精確仿真確定最優參數，加工制作得到四節微帶線功率合成器。功率合成器在195 MHz～1 260 MHz頻段內具有良好的性能指標。

3 脈沖源實現及實驗結果

依據Marx電路原理設計制作PCB板，設計出結構緊湊，波形一致性和對稱性良好的高斯脈沖信號源。為了提高穩定性并防止當輸出端口不匹配時反射信號損壞發生器，脈沖發生器的輸出匹配為50Ω，輸出波形經過40 dB衰減器采用帶寬1.5 GHz、采樣率5 GS／s的Agilent數字示波器測量。波形穩定度與一致性通過記錄一段時間內不同時刻的波形幅度和脈寬來測量。經過測試，脈沖源輸出正、負脈沖具有1 000 V的峰峰值電壓，0.5 ns的上升沿寬度、0.3 ns的下降沿寬度和0.8 ns的寬度，具有良好的對稱性和穩定性。將正、負脈沖子源通過功率合成器合成經反復實驗得到了脈沖寬度約0.8 ns，幅度800 V，最小步長調節間距為0.25 ns的正負高斯脈沖組合，具體波形如圖3。

圖3 不同狀態的多高斯脈沖信號

4 結 論

本文分析了多高斯脈沖信號在電磁兼容測試中的作用，并給出了脈沖信號的具體參數，通過對雪崩效應的研究分析以及對Marx電路的實驗總結，給出了Marx電路的器件及PCB設計建議，利用30級緊湊型Marx電路制作了高斯脈沖信號源，可產生峰峰值1 000 V，脈沖前沿0.5 ns，全底脈寬0.8 ns，穩定性良好的高斯脈沖信號。在此基礎上，設計制作了在195 MHz～1 260 MHz頻段內性能良好的四節微帶線功率合成器，通過對正負高斯脈沖信號進行功率合成得到了超寬帶多高斯脈沖信號。