專利名稱：基于srd的二階微分高斯脈沖發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器，為超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)提供高輻射效率的脈沖信號(hào)。
背景技術(shù)：
超寬帶技術(shù)是一種通過(guò)納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的無(wú)線技術(shù)，在這類通信體制中，脈沖無(wú)需調(diào)制到載波上，而是通過(guò)調(diào)制脈沖的位置(PPM調(diào)制)、脈沖幅度(PAM)、脈沖的開關(guān)(OOK)等實(shí)現(xiàn)通信。由于其具有高速率、低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn)，使其在精確定位、探地雷達(dá)、無(wú)損檢測(cè)等諸多領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景。在超寬帶通信的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中，窄脈沖信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)一直是射頻電路研究領(lǐng)域中備受關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。目前，獲取窄脈沖的方法主要有兩大類:一類采用半導(dǎo)體集成電路，體積小，成本低，但功率容量小、頻率響應(yīng)窄；另一類利用雪崩晶體管、階躍恢復(fù)二極管(SRD)、隧道二極管等高速電子器的非線性效應(yīng)產(chǎn)生窄脈沖。其中，SRD是窄脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)中最為常用的半導(dǎo)體二極管，具有響應(yīng)速度快、重復(fù)速率高等優(yōu)勢(shì)。在基于SRD的窄脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)中，多數(shù)的設(shè)·計(jì)方案用來(lái)產(chǎn)生高斯脈沖，但是，高斯脈沖有很大的直流分量，直流分量不能通過(guò)天線輻射出去，因此高斯脈沖的頻譜利用率低下。將高斯脈沖進(jìn)行微分，能有效的消除直流分量，且隨著微分階數(shù)的增加，脈沖的能量譜密度向頻率高端移動(dòng)，提高了頻譜利用率。文獻(xiàn)“ULTRAWIDEBAND MONOCYCLE PULSE GENERATOR WITH DUAL RESISTIVELOADED SHUNT STUBS”(Ma TG, Wu C J, Cheng P K, et al.Ultra-wideband monocyclepulse generator with dual resistive loaded shunt stubs[J].Microwave andOptical Technology Letters, 2007, 49(2): 459-462.)給出了一種基于 SRD 串聯(lián)結(jié)構(gòu)的一階微分窄脈沖產(chǎn)生電路。該電路采用雙并聯(lián)枝節(jié)獲得了一階微分的窄脈沖，雙電阻加載使脈沖的振鈴更小，但脈沖的峰峰值不足600mV，電壓轉(zhuǎn)換率較低。文獻(xiàn)“NOVEL LOW COST HIGHER ORDER DERIVEACTIVE GAUSSIAN PULSE GERAT0RCIRCUIT，，(Low Z N, Cheong J H, Law C L.Novel low cost higher order derivativeGaussian pulse generator circuit[C]//Communications Systems, 2004.1CCS 2004.The Ninth International Conference on.1EEE, 2004: 30-34.)給出了一種基于并聯(lián)SRD結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高斯窄脈沖，通過(guò)5階的帶通濾波器成形，實(shí)現(xiàn)了高階微分的高斯脈沖，但是帶通濾波器成形網(wǎng)絡(luò)增加了電路尺寸，提高了成本。從目前的研究來(lái)看，電壓轉(zhuǎn)換率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高階微分高斯脈沖發(fā)生器還沒有理想的技術(shù)解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以提高頻譜利用率，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、脈沖對(duì)稱性好、振鈴較小，適合應(yīng)用于短距離超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，該基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器，包括時(shí)鐘源、驅(qū)動(dòng)電路、微分電路、SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路，由時(shí)鐘源產(chǎn)生的時(shí)鐘激勵(lì)信號(hào)通過(guò)依次連接的驅(qū)動(dòng)電路、微分電路和SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路后形成窄脈沖信號(hào)，二階微分高斯脈沖成形電路位于所述SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路與負(fù)載之間，所述窄脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)二階微分高斯脈沖成形電路輸出亞納秒級(jí)、二階微分高斯脈沖信號(hào)。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述時(shí)鐘源采用有源時(shí)鐘振蕩器，由直流電源DC、時(shí)鐘振蕩器和串聯(lián)電阻Rs構(gòu)成，輸出方波信號(hào)。時(shí)鐘源選用有源晶振，由直流電源DC、時(shí)鐘振蕩器和串聯(lián)電阻Rs構(gòu)成；直流電源DC的負(fù)端接地，正端接時(shí)鐘振蕩器的電源端，時(shí)鐘振蕩器的接地端接地，輸出端串接電阻Rs,時(shí)鐘振蕩器的輸出為方波信號(hào)。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述驅(qū)動(dòng)電路采用集成電路，加速有源時(shí)鐘振蕩器輸出方波信號(hào)的上升沿和下降沿。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述微分電路由串聯(lián)電容Cl和并聯(lián)電阻Rl構(gòu)成。采用微分電路代替了直流偏置網(wǎng)絡(luò)，使電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，為了增加脈沖輸出幅度，通常需要為SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路提供直流偏置，微分電路在觸發(fā)源由低電平向高電平跳變時(shí)產(chǎn)生正的尖脈沖，觸發(fā)源由高電平向低電平跳變時(shí)產(chǎn)生負(fù)的尖脈沖，微分電路產(chǎn)生的正、負(fù)尖脈沖分別為SRD提供正向及反向偏置。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路由并聯(lián)階躍恢復(fù)二極管SRDl、串聯(lián)電容C2、并聯(lián)電阻R2、串聯(lián)階躍恢復(fù)二極管SRD2構(gòu)成。

其中，階躍恢復(fù)二極管SRDl正端與微分電路輸出端連接，負(fù)端接地，串聯(lián)電容C2用于階躍恢復(fù)二極管SRDl和階躍恢復(fù)二極管SRD2之間的耦合，電阻R2用于調(diào)整阻抗匹配，該SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路用于產(chǎn)生窄脈沖信號(hào)，其產(chǎn)生窄脈沖信號(hào)的過(guò)程如下:時(shí)鐘信號(hào)為高電平，階躍恢復(fù)二極管SRDl導(dǎo)通，負(fù)載短路輸出為0 ;時(shí)鐘信號(hào)由高電平向低電平跳變時(shí)，微分電路產(chǎn)生負(fù)的尖脈沖，為階躍恢復(fù)二極管SRDl提供反向偏置電壓，由于SRD的反向恢復(fù)階躍特性，加速了負(fù)脈沖的下降沿，階躍恢復(fù)二極管SRDl迅速截止，負(fù)脈沖經(jīng)電容C2耦合至階躍恢復(fù)二極管SRD2，階躍恢復(fù)二極管SRD2反向偏置，產(chǎn)生反向電流流過(guò)負(fù)載，在負(fù)載上形成窄脈沖。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述二階微分高斯脈沖成形電路由微帶短路枝節(jié)、串聯(lián)電容C3構(gòu)成。二階微分高斯脈沖成形電路，利用終端短路微波傳輸線的反射特性，在SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路的輸出端，反射脈沖和輸出脈沖疊加，先形成一階脈沖，輸出耦合電容C3具有高通濾波特性，該電容C3和負(fù)載構(gòu)成微分網(wǎng)絡(luò)，最終的輸出端脈沖為二階微分高斯脈沖。本發(fā)明能夠產(chǎn)生亞納秒級(jí)二階微分的脈沖信號(hào)，由于時(shí)域上脈沖寬度很窄，在頻域上能夠得到豐富的諧波分量，其功率-1OdB帶寬約5.6GHz，脈沖的直流分量及低頻分量較小，頻譜利用率高，另外采用平面電路設(shè)計(jì)，電路簡(jiǎn)單、體積小易于集成，適合短距離超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
圖1是二階微分脈沖發(fā)生器原理框 圖2是本發(fā)明基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器電原理 圖3是本發(fā)明階躍恢復(fù)二極管SRDl銳化負(fù)脈沖下降沿波形；
圖4是本發(fā)明階躍恢復(fù)二極管SRD2形成的高斯窄脈沖波形 圖5是本發(fā)明完整電路輸出脈沖波形的仿真結(jié)果 圖6是本發(fā)明完整電路輸出脈沖波形的實(shí)測(cè)結(jié)果 其中:1-時(shí)鐘源，2-驅(qū)動(dòng)電路，3-微分電路，4-SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路，5-二階微分高斯脈沖成形電路，6-SMA輸出接頭。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，整個(gè)電路由時(shí)鐘源1、驅(qū)動(dòng)電路2、微分電路3、SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路4、二階微分高斯脈沖成形電路5構(gòu)成，時(shí)鐘源I選用有源晶振，由直流電源DC和時(shí)鐘振蕩器構(gòu)成，直流電源DC的負(fù)端接地，正端接時(shí)鐘振蕩器的電源端，時(shí)鐘振蕩器的接地端接地，輸出端串接約IOQ的電阻Rs，時(shí)鐘振蕩器的輸出為方波信號(hào)。如圖2所示，驅(qū)動(dòng)電路2輸入管腳接電阻Rs，電源管腳接DC，接地端接地，驅(qū)動(dòng)電路輸出為方波信號(hào)，微分電路3由串聯(lián)電容Cl和并聯(lián)電阻Rl組成，微分電路3串接于驅(qū)動(dòng)電路2和SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路 4之間，電容Cl和電阻Rl電路參數(shù)的選擇，需折中考慮微分尖脈沖的幅度、時(shí)間常數(shù)及阻抗匹配，最終優(yōu)化值為Cl=51pF，Rl=150 Q。如圖2所示，SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路4由階躍恢復(fù)二極管SRD1、電容C2、電阻R2和階躍恢復(fù)二極管SRD2構(gòu)成，其中，階躍恢復(fù)二極管SRDl正端與微分電路3輸出端連接，負(fù)端接地，串聯(lián)電容C2用于階躍恢復(fù)二極管SRDl和階躍恢復(fù)二極管SRD2之間的耦合，電阻R2用于調(diào)整阻抗匹配，R2和C2的取值分別51pF和820 Q。SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路4用于產(chǎn)生窄脈沖信號(hào)，其產(chǎn)生窄脈沖信號(hào)的過(guò)程如下，時(shí)鐘信號(hào)為高電平，階躍恢復(fù)二極管SRDl導(dǎo)通，負(fù)載短路輸出為0 ;時(shí)鐘信號(hào)由高電平向低電平跳變時(shí)，微分電路3產(chǎn)生負(fù)的尖脈沖，為階躍恢復(fù)二極管SRDl提供反向偏置電壓，由于SRD的反向恢復(fù)階躍特性，加速了負(fù)脈沖的下降沿，階躍恢復(fù)二極管SRDl迅速截止，負(fù)脈沖經(jīng)電容C2耦合至階躍恢復(fù)二極管SRD2,階躍恢復(fù)二極管SRD2反向偏置，產(chǎn)生反向電流流過(guò)負(fù)載，在負(fù)載上形成窄脈沖。如圖2所示，二階微分高斯脈沖成形電路5位于SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路4與負(fù)載之間，由微帶短路枝節(jié)TL2、電容C3及50 Q微帶傳輸線構(gòu)成，微帶短路枝節(jié)TL2 —端和階躍恢復(fù)二極管SRD2負(fù)端連接，另一端接地；容值約IpF的電容C3 —端和階躍恢復(fù)二極管SRD2負(fù)端連接，一端接50 Q微帶傳輸線(附圖2中的RL是50 Q的負(fù)載不是50 Q的微帶傳輸線，50Q的微帶線用于和負(fù)載匹配，RL—端接50Q的微帶線，另一端接地)最后由SMA同軸連接器固接(附圖2給出的是電路原理圖，做仿真設(shè)計(jì)時(shí)負(fù)載用RL代替，SMA只是連接器，用于50Q的微帶線到實(shí)際測(cè)試同軸電纜的連接，仿真時(shí)不需要SMA，而實(shí)際加工的電路板，50Q的RL并不存在，任何輸入阻抗為50 Q的系統(tǒng)都可以通過(guò)SMA連接至電路輸出端口，SMA在實(shí)際電路板中才能看到)。二階微分高斯脈沖形成過(guò)程如下，階躍恢復(fù)二極管SRD2輸出窄脈沖，脈沖信號(hào)經(jīng)微帶枝節(jié)傳輸，由于微帶枝節(jié)終端短路，脈沖發(fā)生反射，反射脈沖為正的窄脈沖，輸出脈沖和反射脈沖在SRD2輸出端疊加，形成一階微分的高斯脈沖，一階微分的高斯脈沖向負(fù)載RL負(fù)載RL (RL代表的是所有輸入阻抗為50 Q的系統(tǒng)，比如網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器等測(cè)量?jī)x器或天線等器件)傳輸，串聯(lián)電容可用作一階的高通濾波單元，最終負(fù)載得到皮秒級(jí)、二階微分的高斯脈沖。二階微分高斯脈沖產(chǎn)生方法，主要包括以下步驟:
由高精度的時(shí)鐘源I產(chǎn)生時(shí)鐘激勵(lì)信號(hào)；脈沖源的激勵(lì)信號(hào)來(lái)自時(shí)鐘源1，為外部提供的時(shí)鐘，由直流電源DC和時(shí)鐘振蕩器構(gòu)成，時(shí)鐘振蕩器振蕩頻率為1.8432MHz,直流供電電壓Vcc=3V，當(dāng)振蕩器直接接入50 Q負(fù)載(即負(fù)載RL)時(shí)，輸出信號(hào)為方波，峰峰值電壓為3V。驅(qū)動(dòng)電路2選用TI的或非門集成芯片SN74LVC1G02 (或非門是專有名詞，或在這里不具有選擇替代的意思，SN74LVC1G02是或非門的型號(hào))，直流供電電壓Vcc=3V，輸出方波信號(hào)，方波的上升沿及下降沿約1.5ns。微分電路3由串聯(lián)電容Cl和并聯(lián)電阻Rl構(gòu)成，輸入的時(shí)鐘信號(hào)由低電平到高電平跳變時(shí)，微分電路3輸出正的尖脈沖；輸入時(shí)鐘信號(hào)由高電平向低電平跳變時(shí)，產(chǎn)生負(fù)的尖脈沖。微分電路3輸出的正、負(fù)脈沖用于為后級(jí)的SRD提供導(dǎo)通、截止的正向及反向偏置電壓，這樣，SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路4不再需要額外的直流偏置網(wǎng)絡(luò)。SRD選用MA-COM的MA44769階躍恢復(fù)二極管，其主要參數(shù)包括:少子壽命10ns、結(jié)電容0.6pF、渡越時(shí)間150ps、反向擊穿電壓30V，SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路4由兩級(jí)SRD構(gòu)成，并聯(lián)階躍恢復(fù)二極管SRDl，主要銳化脈沖邊緣(如圖3所示，圖中的虛線表示不存在SRDl時(shí)的脈沖波形，實(shí)線表示并聯(lián)SRDl后的脈沖波形)，SRDl的存在使負(fù)脈沖的下降時(shí)間達(dá)到150ps左右，脈沖的寬度主要由串聯(lián)階躍恢復(fù)二極管SRD2來(lái)決定，其工作過(guò)程如下:時(shí)鐘信號(hào)為高電平，階躍恢復(fù)二極管 SRDl正向偏置，階躍恢復(fù)二極管SRDl導(dǎo)通，負(fù)載短路輸出為0;時(shí)鐘信號(hào)由高電平向低電平跳變時(shí)，微分電路3產(chǎn)生負(fù)的尖脈沖，為階躍恢復(fù)二極管SRDl提供反向偏置電壓，由于SRD的反向恢復(fù)階躍特性，加速了負(fù)脈沖的下降沿，階躍恢復(fù)二極管SRDl迅速截止，負(fù)脈沖經(jīng)電容C2耦合至階躍恢復(fù)二極管SRD2，階躍恢復(fù)二極管SRD2反向偏置，產(chǎn)生反向電流流過(guò)負(fù)載，在負(fù)載上形成窄脈沖(如圖4所示)。二階微分高斯脈沖成形電路5，利用終端短路微波傳輸線(既是微帶短路枝節(jié)TL2)的反射特性，在SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路4的輸出端，反射脈沖和輸出脈沖疊加，先形成一階脈沖，輸出耦合電容C3具有高通濾波特性，該電容和負(fù)載構(gòu)成微分網(wǎng)絡(luò)，最終的輸出端脈沖為二階微分高斯脈沖，脈沖波形如圖5所示。電路實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果:完整的基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器制作在相對(duì)介電常數(shù)為4.2、厚度0.6mm的FR-4介質(zhì)基片上，整個(gè)電路大小約25mmX45mm，采用3V紐扣電池為時(shí)鐘振蕩器及驅(qū)動(dòng)電路供電，經(jīng)SMA連接器同軸輸出，使用Agilent InfiniiMax90000系列示波器對(duì)脈沖進(jìn)行了時(shí)域測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，測(cè)試結(jié)果表明，脈沖發(fā)生器形成了二階微分高斯脈沖，脈沖峰-峰值約1.2V，50%幅度的脈沖寬度約450ps，脈沖的振鈴較低約-17dB，波形對(duì)稱性較好。
權(quán)利要求
1.一種基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器，包括時(shí)鐘源(I )、驅(qū)動(dòng)電路(2)、微分電路(3)、SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路(4)，其特征在于:由時(shí)鐘源(I)產(chǎn)生的時(shí)鐘激勵(lì)信號(hào)通過(guò)依次連接的驅(qū)動(dòng)電路(2)、微分電路(3)和SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路(4)后形成窄脈沖信號(hào)，二階微分高斯脈沖成形電路(5)位于所述SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路(4)與負(fù)載之間，所述窄脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)二階微分高斯脈沖成形電路(5)輸出亞納秒級(jí)、二階微分高斯脈沖信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器，其特征在于:所述時(shí)鐘源(I)采用有源時(shí)鐘振蕩器，由直流電源DC、時(shí)鐘振蕩器和串聯(lián)電阻Rs構(gòu)成，輸出方波信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)電路(2)采用集成電路，加速有源時(shí)鐘振蕩器輸出方波信號(hào)的上升沿和下降沿。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器，其特征在于:所述微分電路(3)由串聯(lián)電容Cl和并聯(lián)電阻Rl構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求f4任一項(xiàng)所述的基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器，其特征在于:所述SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路(4)由并聯(lián)階躍恢復(fù)二極管SRD1、串聯(lián)電容C2、并聯(lián)電阻R2、串聯(lián)階躍恢復(fù)二極管SR D2構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器，其特征在于:所述二階微分高斯脈沖成形電路(5)由微帶短路枝節(jié)、串聯(lián)電容C3構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于SRD的二階微分高斯脈沖發(fā)生器，包括時(shí)鐘源、驅(qū)動(dòng)電路、微分電路、SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路，由時(shí)鐘源產(chǎn)生的時(shí)鐘激勵(lì)信號(hào)通過(guò)依次連接的驅(qū)動(dòng)電路、微分電路和SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路后形成窄脈沖信號(hào)，二階微分高斯脈沖成形電路位于所述SRD高斯窄脈沖發(fā)生電路與負(fù)載之間，所述窄脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)二階微分高斯脈沖成形電路輸出亞納秒級(jí)、二階微分高斯脈沖信號(hào)。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，其產(chǎn)生的有益效果是脈沖的直流分量及低頻分量較小，頻譜利用率高，另外采用平面電路設(shè)計(jì)，電路簡(jiǎn)單、體積小易于集成，適合短距離超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H03K3/02GK103227624SQ20131014061
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者李冀 申請(qǐng)人:李冀