[發明專利]一種超寬帶脈沖產生電路

在審

• 申請號: 201710122968.5
• 申請日: 2017-03-03
• 公開（公告）號: CN106849916A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 肖建;王吉;石國偉;程景清;蔡志匡;郭宇鋒
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H03K5/156
• 分類號: H03K5/156
• 代理公司: 南京知識律師事務所32207
• 代理人: 王昊

技術領域

本發明涉及通信領域，特別在探地雷達、通信方面的應用非常廣泛。

技術背景

UWB(Ultra-wide Bandwidth)是一種無載波通信技術，利用納秒(ns)至皮秒(ps)級的非正弦波窄脈沖傳輸數據,而時間調變技術令其傳送速度可以大大提高，而且耗電量相對地低，并有較精確的定位能力。與常見的通信使用的連續載波方式不同，UWB采用極短的脈沖信號來傳送數據。這些脈沖所占用的帶寬甚至達到幾GHz，因此最大數據傳輸速率可以達到幾百Mb/ps。因為使用的是極短脈沖，在高速通信的同時，UWB設備的發射功率卻很小，僅僅只有目前的連續載波系統的幾百分之一。

根據美國聯邦通信委員會(FCC)的定義，超寬帶信號是指在-10dB處絕對帶寬大于500MHz或相對帶寬大于20％且中心頻率大于500MHz的信號。超寬帶信號在時域表現為持續時間極短的脈沖，通常只有幾百皮秒或幾百納秒。超寬帶脈沖常由具有高速開關特性的半導體器件和傳輸線產生。常用于產生超寬帶脈沖的器件有隧道二極管、階躍恢復二極管、雪崩三極管和光導開關等，其中，隧道二極管和階躍恢復二極管所產生的脈沖上升時間可達幾十到幾百皮秒，但其幅度很小，只有幾十到幾百毫伏。基于火花隙的光導開關能產生千伏以上的脈沖，但產生的脈沖重復頻率太低，而且工作時需要幾百至幾千伏的電源電壓，體積龐大，不利于小型化的設計要求。采用非線性傳輸線也能產生皮秒量級的極窄脈沖信號，但對工藝要求很高，成本昂貴，限制了其使用范圍。雪崩三極管能產生納秒級的脈沖，可觸發頻率高，幅度可達幾十伏，電路實現簡單，能滿足一般收發系統的技術要求，較為實用，因此被經常用于超寬帶脈沖產生器的設計。但是，現有的基于雪崩三極管的脈沖產生電路要求電源電壓較高，不利于設備的小型化和移動便攜，并且，一般的基于雪崩三極管的脈沖產生電路只能直接產生高斯脈沖，而高斯脈沖含有直流分量和較多低頻分量，不適合天線發射，所以還需要添加額外的脈沖整形電路將產生的高斯脈沖進行微分和濾波，以得到適合天線發射的高階高斯脈沖或其他波形，而且傳統的脈沖產生電路功率較小，產生的脈沖幅度較低，往往需要添加額外的寬帶放大器，這些均增加了電路的復雜度和成本。

綜述所述，現有的超寬帶脈沖技術復雜，脈沖幅度低，脈沖波形不適合天線的發射。

發明內容

本發明主要涉及一款適合于天線發射的超寬帶脈沖信號，整個設計包括：微分電路，負反饋網絡，直流偏置模塊、開關電路、放大電路、整形網絡。所述微分電路與外部數字信號相連接；放大電路與開關電路相連接將脈沖信號的幅度放大；最后我們用整形網絡的兩級微分電路將放大的脈沖信號整形成一個納秒級的超寬帶脈沖信號。所述開關電路是利用三極管的開關特性產生一個開關控制的方波信號；所述放大電路是將產生的幅度較高方波信號的經過三極管和儲能電感進行放大，使輸出波形的幅度比較大；所述整形網絡將幅度較大的脈沖信號經過兩級微分電路整形成一個納秒級的超寬帶脈沖信號。根據上述方案產生一個不含直流分量的超寬帶脈沖信號，很適合天線發射，降低了整個電路的復雜性。

具體技術方案如下：

一種超寬帶脈沖產生電路，包括微分電路、開關電路、直流偏置模塊、負反饋網絡、放大電路、整形網絡；

所述微分電路、開關電路、放大電路、整形網絡依次連接，所述負反饋網絡分別與微分電路及開關電路相連接，直流偏置模塊分別與開關電路及放大電路相連接；

所述的微分電路用于接收外部數字信號的邊緣信號；微分電路與開關電路和負反饋網絡相連，提取的方波信號邊緣用于控制開關電路的導通與關閉；負反饋網絡與開關電路相連接，這樣可以提高開關管的穩定性；

所述開關電路用于形成一個高電壓幅度的方波信號；開關電路與直流偏置模塊相連接，當開關關閉時跟隨器的集電極電壓等于所加的直流偏置模塊電壓，當開關打開時直流設計跟隨器的發射極與集電極電壓幾乎相等約為零。這樣就可以形成一個電壓幅度較高方波信號。

所述放大電路用于放大輸出的電壓值；超寬帶脈沖的主要特征在于放大電路及其儲能電感的設計。儲能電感與放大電路中三極管Q3的集電極相連接，對于交流電流來說電感相當于一個較大的電阻，因此具有高的電壓增益。當放大電路處于放大狀態時此時儲能電感能存儲更多的能量，輸出電壓值較大；由于超寬帶脈沖的脈沖寬度和幅度是一對相互制約的值，因此儲能電感的能量儲存越多越有利于超寬帶脈沖的形成；

所述的整形網絡用于最終形成負相超寬帶脈沖信號，脈沖的幅度和寬度取決于RC常數τ。