技术领域
[0001] 本
发明涉及脉冲
信号产生技术领域,具体涉及一种基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器,为超宽带无线通信系统提供高
辐射效率的脉冲信号。
背景技术
[0002] 超宽带技术是一种通过纳秒级窄脉冲信号进行数据通信的无线技术,在这类通信体制中,脉冲无需调制到载波上,而是通过调制脉冲的
位置(PPM调制)、脉冲幅度(PAM)、脉冲的
开关(OOK)等实现通信。由于其具有高速率、低功耗和低成本等优点,使其在精确
定位、探地雷达、
无损检测等诸多领域有着光明的应用前景。
[0003] 在超宽带通信的各项关键技术中,窄脉冲信号产生技术一直是射频
电路研究领域中备受关注的技术问题。目前,获取窄脉冲的方法主要有两大类:一类采用
半导体集成电路,体积小,成本低,但功率容量小、
频率响应窄;另一类利用
雪崩晶体管、阶跃恢复
二极管(SRD)、
隧道二极管等高速
电子器的非线性效应产生窄脉冲。其中,SRD是窄脉冲发生器设计中最为常用的半导
体二极管,具有响应速度快、重复速率高等优势。在基于SRD的窄脉冲发生器设计中,多数的设计方案用来产生高斯脉冲,但是,高斯脉冲有很大的
直流分量,直流分量不能通过天线辐射出去,因此高斯脉冲的
频谱利用率低下。将高斯脉冲进行微分,能有效的消除直流分量,且随着微分阶数的增加,脉冲的
能量谱
密度向频率高端移动,提高了频谱利用率。
[0004] 文献“ULTRAWIDEBAND MONOCYCLE PULSE GENERATOR WITH DUAL RESISTIVE LOADED SHUNT STUBS”(Ma T G, Wu C J, Cheng P K, et al. Ultra-wideband monocycle pulse generator with dual resistive loaded shunt stubs[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2007, 49(2): 459-462.)给出了一种基于SRD
串联结构的一阶微分窄脉冲产生电路。该电路采用双并联枝节获得了一阶微分的窄脉冲,双
电阻加载使脉冲的振铃更小,但脉冲的峰峰值不足600mV,
电压转换率较低。
[0005] 文献“NOVEL LOW COST HIGHER ORDER DERIVEACTIVE GAUSSIAN PULSE GERATOR CIRCUIT”(Low Z N, Cheong J H, Law C L. Novel low cost higher order derivative Gaussian pulse generator circuit[C]//Communications Systems, 2004. ICCS 2004. The Ninth International Conference on. IEEE, 2004: 30-34.)给出了一种基于并联SRD结构产生高斯窄脉冲,通过5阶的带通
滤波器成形,实现了高阶微分的高斯脉冲,但是
带通滤波器成形网络增加了电路尺寸,提高了成本。
[0006] 从目前的研究来看,电压转换率高、结构简单的高阶微分高斯脉冲发生器还没有理想的技术解决方案。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种以提高频谱利用率,且电路结构简单、脉冲对称性好、振铃较小,适合应用于短距离超宽带无线通信系统的基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器。
[0008] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是,该基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器,包括时钟源、驱动电路、微分电路、SRD高斯窄脉冲发生电路,由时钟源产生的时钟
激励信号通过依次连接的驱动电路、微分电路和SRD高斯窄脉冲发生电路后形成窄脉冲信号,二阶微分高斯脉冲成形电路位于所述SRD高斯窄脉冲发生电路与负载之间,所述窄脉冲信号经过二阶微分高斯脉冲成形电路输出亚纳秒级、二阶微分高斯脉冲信号。
[0009] 本发明进一步的改进在于,所述时钟源采用有源时钟
振荡器,由直流电源DC、时钟振荡器和串联电阻Rs构成,输出方波信号。
[0010] 时钟源选用有源晶振,由直流电源DC、时钟振荡器和串联电阻Rs构成;直流电源DC的负端接地,正端接时钟振荡器的电源端,时钟振荡器的接地端接地,输出端串接电阻Rs,时钟振荡器的输出为方波信号。
[0011] 本发明进一步的改进在于,所述驱动电路采用集成电路,
加速有源时钟振荡器输出方波信号的上升沿和下降沿。
[0012] 本发明进一步的改进在于,所述微分电路由串联电容C1和并联电阻R1构成。
[0013] 采用微分电路代替了直流偏置网络,使电路结构更简单,为了增加脉冲输出幅度,通常需要为SRD高斯窄脉冲发生电路提供直流偏置,微分电路在触发源由低电平向高电平跳变时产生正的尖脉冲,触发源由高电平向低电平跳变时产生负的尖脉冲,微分电路产生的正、负尖脉冲分别为SRD提供正向及
反向偏置。
[0014] 本发明进一步的改进在于,所述SRD高斯窄脉冲发生电路由并联
阶跃恢复二极管SRD1、串联电容C2、并联电阻R2、串联阶跃恢复二极管SRD2构成。
[0015] 其中,阶跃恢复二极管SRD1正端与微分电路输出端连接,负端接地,串联电容C2用于阶跃恢复二极管SRD1和阶跃恢复二极管SRD2之间的耦合,电阻R2用于调整阻抗匹配,该SRD高斯窄脉冲发生电路用于产生窄脉冲信号,其产生窄脉冲信号的过程如下:
时钟信号为高电平,阶跃恢复二极管SRD1导通,负载
短路输出为0;时钟信号由高电平向低电平跳变时,微分电路产生负的尖脉冲,为阶跃恢复二极管SRD1提供反向偏置电压,由于SRD的反向恢复阶跃特性,加速了负脉冲的下降沿,阶跃恢复二极管SRD1迅速截止,负脉冲经电容C2耦合至阶跃恢复二极管SRD2, 阶跃恢复二极管SRD2反向偏置,产生反向
电流流过负载,在负载上形成窄脉冲。
[0016] 本发明进一步的改进在于,所述二阶微分高斯脉冲成形电路由微带短路枝节、串联电容C3构成。
[0017] 二阶微分高斯脉冲成形电路,利用终端短路
微波传输线的反射特性,在SRD高斯窄脉冲发生电路的输出端,反射脉冲和输出脉冲
叠加,先形成一阶脉冲,输出耦合电容C3具有高通滤波特性,该电容C3和负载构成微分网络,最终的输出端脉冲为二阶微分高斯脉冲。
[0018] 本发明能够产生亚纳秒级二阶微分的脉冲信号,由于时域上脉冲宽度很窄,在频域上能够得到丰富的谐波分量,其功率-10dB带宽约5.6GHz,脉冲的直流分量及低频分量较小,频谱利用率高,另外采用平面电路设计,电路简单、体积小易于集成,适合短距离超宽带无线通信系统。
附图说明
[0019] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明:
[0021] 图2是本发明基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器电原理图;
[0022] 图3是本发明阶跃恢复二极管SRD1锐化负脉冲下降沿
波形;
[0023] 图4是本发明阶跃恢复二极管SRD2形成的高斯窄脉冲波形图;
[0024] 图5是本发明完整电路输出脉冲波形的仿真结果图;
[0025] 图6是本发明完整电路输出脉冲波形的实测结果图;
[0026] 其中:1-时钟源,2-驱动电路,3-微分电路,4-SRD高斯窄脉冲发生电路,5-二阶微分高斯脉冲成形电路,6-SMA输出接头。
具体实施方式
[0027] 如图1所示,整个电路由时钟源1、驱动电路2、微分电路3、SRD高斯窄脉冲发生电路4、二阶微分高斯脉冲成形电路5构成,时钟源1选用有源晶振,由直流电源DC和时钟振荡器构成,直流电源DC的负端接地,正端接时钟振荡器的电源端,时钟振荡器的接地端接地,输出端串接约10Ω的电阻Rs,时钟振荡器的输出为方波信号。
[0028] 如图2所示,驱动电路2输入管脚接电阻Rs,电源管脚接DC,接地端接地,驱动电路输出为方波信号,微分电路3由串联电容C1和并联电阻R1组成,微分电路3串接于驱动电路2和SRD高斯窄脉冲发生电路4之间,电容C1和电阻R1电路参数的选择,需折中考虑微分尖脉冲的幅度、时间常数及阻抗匹配,最终优化值为C1=51pF, R1=150Ω。
[0029] 如图2所示,SRD高斯窄脉冲发生电路4由阶跃恢复二极管SRD1、电容C2、电阻R2和阶跃恢复二极管SRD2构成,其中,阶跃恢复二极管SRD1正端与微分电路3输出端连接,负端接地,串联电容C2用于阶跃恢复二极管SRD1和阶跃恢复二极管SRD2之间的耦合,电阻R2用于调整阻抗匹配,R2和C2的取值分别51pF和820Ω。SRD高斯窄脉冲发生电路4用于产生窄脉冲信号,其产生窄脉冲信号的过程如下,时钟信号为高电平,阶跃恢复二极管SRD1导通,负载短路输出为0;时钟信号由高电平向低电平跳变时,微分电路3产生负的尖脉冲,为阶跃恢复二极管SRD1提供反向偏置电压,由于SRD的反向恢复阶跃特性,加速了负脉冲的下降沿,阶跃恢复二极管SRD1迅速截止,负脉冲经电容C2耦合至阶跃恢复二极管SRD2,阶跃恢复二极管SRD2反向偏置,产生反向电流流过负载,在负载上形成窄脉冲。
[0030] 如图2所示,二阶微分高斯脉冲成形电路5位于SRD高斯窄脉冲发生电路4与负载之间,由微带短路枝节TL2、电容C3及50Ω微带传输线构成,微带短路枝节TL2一端和阶跃恢复二极管SRD2负端连接,另一端接地;容值约1pF的电容C3一端和阶跃恢复二极管SRD2负端连接,一端接50Ω微带传输线(附图2中的RL是50Ω的负载不是50Ω的微带传输线,50Ω的微带线用于和负载匹配,RL一端接50Ω的微带线,另一端接地)最后由SMA同轴连接器固接(附图2给出的是电路原理图,做仿真设计时负载用RL代替,SMA只是连接器, 用于50Ω的微带线到实际测试同轴
电缆的连接,仿真时不需要SMA,而实际加工的
电路板,50Ω的RL并不存在,任何输入阻抗为50Ω的系统都可以通过SMA 连接至电路输出端口,SMA在实际电路板中才能看到)。二阶微分高斯脉冲形成过程如下,阶跃恢复二极管SRD2输出窄脉冲,脉冲信号经微带枝节传输,由于微带枝节终端短路,脉冲发生反射,反射脉冲为正的窄脉冲,输出脉冲和反射脉冲在SRD2输出端叠加,形成一阶微分的高斯脉冲,一阶微分的高斯脉冲向负载RL负载RL(RL代表的是所有输入阻抗为50Ω的系统,比如网络分析仪、示波器等测量仪器或天线等器件)传输,串联电容可用作一阶的高通滤波单元,最终负载得到皮秒级、二阶微分的高斯脉冲。
[0031] 二阶微分高斯脉冲产生方法,主要包括以下步骤:
[0032] 由高
精度的时钟源1产生时钟激励信号;脉冲源的激励信号来自时钟源1,为外部提供的时钟,由直流电源DC和时钟振荡器构成,时钟振荡器振荡频率为1.8432MHz,直流供电电压Vcc=3V,当振荡器直接接入50Ω负载(即负载RL)时,
输出信号为方波,峰峰值电压为3V。
[0033] 驱动电路2选用TI的或非
门集成芯片SN74LVC1G02(或非门是专有名词,或在这里不具有选择替代的意思,SN74LVC1G02是或非门的型号),直流供电电压Vcc=3V,输出方波信号,方波的上升沿及下降沿约1.5ns。
[0034] 微分电路3由串联电容C1和并联电阻R1构成,输入的时钟信号由低电平到高电平跳变时,微分电路3输出正的尖脉冲;输入时钟信号由高电平向低电平跳变时,产生负的尖脉冲。微分电路3输出的正、负脉冲用于为后级的SRD 提供导通、截止的正向及反向偏置电压,这样,SRD高斯窄脉冲发生电路4不再需要额外的直流偏置网络。
[0035] SRD选用MA-COM的MA44769阶跃恢复二极管,其主要参数包括:少子寿命10ns、结电容0.6pF、渡越时间150ps、反向
击穿电压30V,SRD高斯窄脉冲发生电路4由两级SRD构成,并联阶跃恢复二极管SRD1,主要锐化脉冲边缘(如图3所示,图中的虚线表示不存在SRD1时的脉冲波形,实线表示并联SRD1后的脉冲波形),SRD1的存在使负脉冲的下降时间达到150ps左右,脉冲的宽度主要由串联阶跃恢复二极管SRD2来决定,其工作过程如下:时钟信号为高电平,阶跃恢复二极管SRD1
正向偏置,阶跃恢复二极管SRD1导通,负载短路输出为0;时钟信号由高电平向低电平跳变时,微分电路3产生负的尖脉冲,为阶跃恢复二极管SRD1提供反向偏置电压,由于SRD的反向恢复阶跃特性,加速了负脉冲的下降沿,阶跃恢复二极管SRD1迅速截止,负脉冲经电容C2耦合至阶跃恢复二极管SRD2,阶跃恢复二极管SRD2反向偏置,产生反向电流流过负载,在负载上形成窄脉冲(如图4所示)。
[0036] 二阶微分高斯脉冲成形电路5,利用终端短路微波传输线(既是微带短路枝节TL2)的反射特性,在SRD高斯窄脉冲发生电路4的输出端,反射脉冲和输出脉冲叠加,先形成一阶脉冲,输出耦合电容C3具有高通滤波特性,该电容和负载构成微分网络,最终的输出端脉冲为二阶微分高斯脉冲,脉冲波形如图5所示。
[0037] 电路实现及实验结果:完整的基于SRD的二阶微分高斯脉冲发生器制作在相对
介电常数为4.2、厚度0.6mm的FR-4介质基片上,整个电路大小约25mm×45mm,采用3V纽扣
电池为时钟振荡器及驱动电路供电,经SMA连接器同轴输出,使用Agilent InfiniiMax 90000系列示波器对脉冲进行了时域测量,测试结果如图6所示,测试结果表明,脉冲发生器形成了二阶微分高斯脉冲,脉冲峰-峰值约1.2V,50%幅度的脉冲宽度约450ps,脉冲的振铃较低约-17dB,波形对称性较好。