本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，特別在探地雷達(dá)、通信方面的應(yīng)用非常廣泛。

技術(shù)背景

UWB(Ultra-wide Bandwidth)是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒(ns)至皮秒(ps)級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù),而時間調(diào)變技術(shù)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(xù)載波方式不同，UWB采用極短的脈沖信號來傳送數(shù)據(jù)。這些脈沖所占用的帶寬甚至達(dá)到幾GHz，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百M(fèi)b/ps。因為使用的是極短脈沖，在高速通信的同時，UWB設(shè)備的發(fā)射功率卻很小，僅僅只有目前的連續(xù)載波系統(tǒng)的幾百分之一。

根據(jù)美國聯(lián)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(xiàn)為持續(xù)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(guān)特性的半導(dǎo)體器件和傳輸線產(chǎn)生。常用于產(chǎn)生超寬帶脈沖的器件有隧道二極管、階躍恢復(fù)二極管、雪崩三極管和光導(dǎo)開關(guān)等，其中，隧道二極管和階躍恢復(fù)二極管所產(chǎn)生的脈沖上升時間可達(dá)幾十到幾百皮秒，但其幅度很小，只有幾十到幾百毫伏?；诨鸹ㄏ兜墓鈱?dǎo)開關(guān)能產(chǎn)生千伏以上的脈沖，但產(chǎn)生的脈沖重復(fù)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(shè)計要求。采用非線性傳輸線也能產(chǎn)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(chǎn)生納秒級的脈沖，可觸發(fā)頻率高，幅度可達(dá)幾十伏，電路實(shí)現(xiàn)簡單，能滿足一般收發(fā)系統(tǒng)的技術(shù)要求，較為實(shí)用，因此被經(jīng)常用于超寬帶脈沖產(chǎn)生器的設(shè)計。但是，現(xiàn)有的基于雪崩三極管的脈沖產(chǎn)生電路要求電源電壓較高，不利于設(shè)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(chǎn)生電路只能直接產(chǎn)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(fā)射，所以還需要添加額外的脈沖整形電路將產(chǎn)生的高斯脈沖進(jìn)行微分和濾波，以得到適合天線發(fā)射的高階高斯脈沖或其他波形，而且傳統(tǒng)的脈沖產(chǎn)生電路功率較小，產(chǎn)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(fù)雜度和成本。

綜述所述，現(xiàn)有的超寬帶脈沖技術(shù)復(fù)雜，脈沖幅度低，脈沖波形不適合天線的發(fā)射。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要涉及一款適合于天線發(fā)射的超寬帶脈沖信號，整個設(shè)計包括：微分電路，負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，直流偏置模塊、開關(guān)電路、放大電路、整形網(wǎng)絡(luò)。所述微分電路與外部數(shù)字信號相連接；放大電路與開關(guān)電路相連接將脈沖信號的幅度放大；最后我們用整形網(wǎng)絡(luò)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(guān)電路是利用三極管的開關(guān)特性產(chǎn)生一個開關(guān)控制的方波信號；所述放大電路是將產(chǎn)生的幅度較高方波信號的經(jīng)過三極管和儲能電感進(jìn)行放大，使輸出波形的幅度比較大；所述整形網(wǎng)絡(luò)將幅度較大的脈沖信號經(jīng)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(jù)上述方案產(chǎn)生一個不含直流分量的超寬帶脈沖信號，很適合天線發(fā)射，降低了整個電路的復(fù)雜性。

具體技術(shù)方案如下：

一種超寬帶脈沖產(chǎn)生電路，包括微分電路、開關(guān)電路、直流偏置模塊、負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)、放大電路、整形網(wǎng)絡(luò)；

所述微分電路、開關(guān)電路、放大電路、整形網(wǎng)絡(luò)依次連接，所述負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)分別與微分電路及開關(guān)電路相連接，直流偏置模塊分別與開關(guān)電路及放大電路相連接；

所述的微分電路用于接收外部數(shù)字信號的邊緣信號；微分電路與開關(guān)電路和負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)相連，提取的方波信號邊緣用于控制開關(guān)電路的導(dǎo)通與關(guān)閉；負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)與開關(guān)電路相連接，這樣可以提高開關(guān)管的穩(wěn)定性；

所述開關(guān)電路用于形成一個高電壓幅度的方波信號；開關(guān)電路與直流偏置模塊相連接，當(dāng)開關(guān)關(guān)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(dāng)開關(guān)打開時直流設(shè)計跟隨器的發(fā)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(shè)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(dāng)于一個較大的電阻，因此具有高的電壓增益。當(dāng)放大電路處于放大狀態(tài)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(wǎng)絡(luò)用于最終形成負(fù)相超寬帶脈沖信號，脈沖的幅度和寬度取決于RC常數(shù)τ。

作為優(yōu)選方案，所述的微分電路與外部的晶振電路相連接，依次包括相連接的電容C1和電阻R1，所述的電阻R1接地。微分電路提取晶振產(chǎn)生的方波信號的邊緣，使得晶振的方波信號更有利于后級三極管的觸發(fā)，所提取的脈沖信號的寬度由RC常數(shù)決定，由于我們需要的是比較寬的脈沖信號，這里我們使脈沖信號的底部盡量與晶振信號的底部脈沖接近為50ns。

作為優(yōu)選方案，所述負(fù)反饋電路由并聯(lián)連接的電阻R3及電容C2組成，其輸入端連接微分電路，輸出端連接開關(guān)電路。作為優(yōu)選方案，所述開關(guān)電路包括三極管Q1、三極管Q2及電阻R8，所述三極管Q1的基極連接微分電路，發(fā)射極接地，其集電極與三極管Q2的基極連接；所述三極管Q2的基極和集電極之間設(shè)有電阻R8，三極管Q2的基極連接負(fù)反饋電路，集電極連接直流偏置模塊，發(fā)射極連接放大電路。

作為優(yōu)選方案，所述放大電路包括儲能電感L1、電阻R5及三極管Q3，所述的三極管Q3其基極連接開關(guān)電路、發(fā)射極接地，其集電極連接電阻R5，電阻R5的另一端連接儲能電感L1，儲能電感L1的另一端連接直流偏置模塊。

所述儲能電感L1上的電壓值Us為βi_b(jωL+R)，其中β為三極管Q3的共射極放大倍數(shù)、ω為被放大交流信號的角頻率、i_b為三極管Q3導(dǎo)通時的基極電流、R為三極管Q3集電極輸出電阻。

作為優(yōu)選方案，所述的整形網(wǎng)絡(luò)與三極管Q3的集電極連接，包括第一微分電路和第二微分電路，所述的第一微分電路由與三極管Q3的集電極連接的電容C3連接電阻R6組成，電阻R6接地；所述的第二微分電路由與電容C3連接的電容C4連接電阻R7組成，電阻R7接地。

所述的整形網(wǎng)絡(luò)用于將放大電路輸出的電壓經(jīng)過兩級微分電路最終得到納秒級的超寬帶脈沖，脈沖的帶寬由第一微分電路的RC常數(shù)τ₁及第二微分電路的RC常數(shù)τ₂決定。

作為優(yōu)選方案，所述開關(guān)電路和放大電路之間設(shè)有接地的保護(hù)電阻R4。

作為優(yōu)選方案，所述的整形電路的輸出端設(shè)有匹配電阻R9，用于與外部連接時做匹配。

具體實(shí)施步驟如下：

方波信號經(jīng)過微分電路C1、R1，提取方波信號的邊緣，當(dāng)脈沖處于高電平時三極管Q1導(dǎo)通，此時三極管Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，三極管Q2基極電壓等于三極管Q1發(fā)射極電壓約為0；當(dāng)脈沖處于低電平時此時三極管Q1截止，三極管Q2基極電壓等于直流偏置模塊的直流電壓。同時引入負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)使三極管Q2基極電壓的變化對輸入方波信號的影響更小，提高整個開關(guān)電路的性能。如上所述三極管Q2射集跟隨器將基極電壓跟隨到集電極，這樣便可以得到一個幅度較高的方波信號，方波信號經(jīng)過三極管Q3放大，u_s＝βi_b(jωL+R)(β為三極管Q3的共射極放大倍數(shù)、ω為被放大交流信號的角頻率、i_b為三極管Q3導(dǎo)通時其基極電流、u_s為儲能電感L1上的電壓值，R為Q3集電極輸出電阻)。當(dāng)脈沖為高電平時，此時儲能電感L1處于充電狀態(tài)，同理當(dāng)脈沖為低電平時，三極管Q3處于截止?fàn)顟B(tài)，此時儲能電感L1處于放電狀態(tài)，放電時儲能電感L1上的交流信號經(jīng)過后級整形網(wǎng)絡(luò)的兩級微分電路形成一個放電回路，儲能電感L1上的電壓波形經(jīng)過兩級微分電路(C3、R6、C4、R7)整形，最終我們得到一個超寬帶脈沖。脈沖的幅度由整形網(wǎng)絡(luò)的RC常數(shù)和L1上的脈沖幅度決定。

這種結(jié)構(gòu)的超寬帶脈沖信號，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、脈沖幅度大、脈沖寬度控制比較容易。克服了基于階躍恢復(fù)二極管的超寬帶脈沖產(chǎn)生電路的器件采購難度大、脈沖寬度可調(diào)性不高等缺點(diǎn)。

附圖說明

圖1為超寬帶脈沖產(chǎn)生框圖。

圖2為超寬帶脈沖產(chǎn)生電路原理圖。

圖3為添加了匹配電阻的超寬帶脈沖產(chǎn)生電路原理圖。

圖4為超寬帶脈沖仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

為了更進(jìn)一步闡述本發(fā)明所采取的技術(shù)手段及取得的效果，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案，進(jìn)行清楚和完整的描述。如圖1整個超寬帶脈沖包括開關(guān)電路、放大電路、微分電路、直流偏置模塊、負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)、整形網(wǎng)絡(luò)等五個部分。

所述的微分電路，開關(guān)電路，放大電路，整形網(wǎng)絡(luò)依次相連接，直流偏置模塊為開關(guān)電路和放大電路提供直流偏置。

第一微分電路由C1和R1組成，與外部輸入的晶振相連接，提取外部晶振輸入信號的邊緣；負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)由C2和R3組成，大大減小了輸入波形的穩(wěn)定性對開關(guān)電路的影響，提高了開關(guān)電路的穩(wěn)定性。

開關(guān)電路用于接收偏置電壓提供的穩(wěn)定的電壓，并控制跟隨電路的波形；當(dāng)三極管Q1導(dǎo)通時三極管Q2基極電壓約為0，當(dāng)三極管Q1關(guān)閉時三極管Q2基極電壓約為直流偏置電壓，這樣我們就可以得到一個電壓值較高的數(shù)字方波信號，方波信號經(jīng)過三極管Q2形成射集跟隨器，再將射集跟隨器的信號作為三極管Q3的輸入信號經(jīng)過放大級進(jìn)行放大，放大倍數(shù)滿足：

u_s＝βi_b(jωL+R)

(β為三極管Q3的共射極放大倍數(shù)、ω為被放大交流信號的角頻率、i_b為三極管Q3導(dǎo)通時基極電流、u_s為儲能電感L1上的電壓值，R為三極管Q3集電極輸出電阻)。

超寬帶脈沖是由放大電路的輸出電壓經(jīng)過微分電路整形而成，當(dāng)三極管Q3導(dǎo)通時,整個放大電路處于放大狀態(tài)時u_ce＝0(三極管Q3集電極電壓)，此時儲能電感L1處于充電狀態(tài)，當(dāng)三極管Q3處于截止?fàn)顟B(tài)時，儲能電感L1阻礙電流的減少，儲能電感L1處于放電狀態(tài)。此時的u_ce電壓值約等于儲能電感L1的電壓值(儲能電感L1相當(dāng)于電源)。u_ce電壓經(jīng)過兩級微分電路整形最終我們得到納秒級的超寬帶脈沖，脈沖的帶寬由RC常數(shù)τ(τ＝RC)決定。

通過上述技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)不帶直流分量的超寬帶脈沖信號，這種超寬帶脈沖很適合于天線的發(fā)射；此外不同于傳統(tǒng)的利用階躍恢復(fù)二極管和雪崩三極管形成的超寬帶脈沖電路，這種結(jié)構(gòu)的超寬帶脈沖產(chǎn)生電路對器件的要求大大降低，這就降低了整個設(shè)計的難度與成本。

在上述發(fā)明實(shí)施過程中，本發(fā)明的超寬帶脈沖產(chǎn)生電路中的微分電路與外部的晶振電路相連接，提取晶振產(chǎn)生的方波信號的邊緣，使得晶振的方波信號更有利于后級三極管的觸發(fā)，所提取的脈沖信號的寬度有RC常數(shù)決定，由于我們需要的是比較寬的脈沖信號這里我們是脈沖信號的底部盡量與晶振信號的底部脈沖接近為50ns。

如上所述，開關(guān)脈沖信號的底部脈沖越寬，放大管導(dǎo)通時間越長，電感充電時間越長，電感中儲存的能量就越大。當(dāng)輸入信號為低電平的時三極管Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，三極管Q2導(dǎo)通，放大電路進(jìn)行工作，此時儲能電感L1充電。當(dāng)輸入信號為高電平時，三極管Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，三極管Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，此時儲能電感L1處于放電狀態(tài)，儲能電感L1上的信號經(jīng)過整形網(wǎng)絡(luò)的兩級微分電路放電，整形網(wǎng)絡(luò)將其整形成我們所需要的超寬帶脈沖。

通過上述方式產(chǎn)生的超寬帶脈沖信號不含直流分量，特別適合于天線的發(fā)射，其次利用儲能電感一次性形成一個幅度較高的脈沖信號，這樣更有利于整形網(wǎng)絡(luò)的整形。

如圖3，用ADS對上述原理進(jìn)行仿真驗證得出的結(jié)果，輸入信號的脈沖為10M，占空比50％的方波信號。圖中顯示脈沖幅度約為-14V脈沖寬度約為2ns。根據(jù)上述仿真可知，本發(fā)明的超寬帶脈沖信號幅度較高，脈沖寬度約為2ns，可以作為超寬帶脈沖使用。

雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說明，可以對這些實(shí)施方式做出多種修改或變形，而不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)。本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。