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目前,UWB技術(shù)已經(jīng)成為國際無線通信技術(shù)研究的新熱點(diǎn),日益受到重視和關(guān)注｡2002年2月14日,美國FCC(聯(lián)邦通信委員會)首次批準(zhǔn)了UWB產(chǎn)品的民用銷售和使用｡ UWB即超寬帶,它是一種利用納秒級極窄脈沖發(fā)送信息的技術(shù),其信號相對帶寬即信號帶寬與中心頻率之比大于25%｡一個典型的中心頻率為2GHz(即寬度為500ps)的UWB脈沖信號的時域波形及其頻譜圖分別如圖1所示｡ 一般通信技術(shù)都是把信號從基帶調(diào)制到載波上,而UWB則是通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制?從而具有GHz量級的帶寬｡UWB具有發(fā)射信號功率譜密度低(數(shù)十mW范圍)､難以截獲､抗多徑､低成本､極好的穿透障礙物能力等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入和通信､雷達(dá)､定位､汽車防撞､液面感應(yīng)和高度測量應(yīng)用｡ UWB信息調(diào)制方式需結(jié)合UWB傳播特性和脈沖產(chǎn)生方法綜合考慮,通常可采用脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation)和正反極性調(diào)制(Antipodal Modulation),這里采用PPM調(diào)制｡ 從本質(zhì)上看,UWB無線技術(shù)是發(fā)射和接收超短電磁能量脈沖的技術(shù),它采用極窄脈沖直接激勵天線｡因此,極窄脈沖的產(chǎn)生就顯得尤為重要｡目前,UWB極窄脈沖的產(chǎn)生方法主要通過雪崩三極管､隧道二極管或階躍恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)｡其中隧道二極管和階躍恢復(fù)二極管所產(chǎn)生的脈沖,上升時間可以達(dá)幾十至幾百皮秒,但其幅度較小,一般為毫伏級｡采用了利用雪崩三極管的雪崩效應(yīng)的方案,同時采用雪崩三極管級聯(lián)結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生極窄脈沖,最后得到輸出脈沖上升時間約為863ps,幅度約為1.2V｡ 1 雪崩效應(yīng)理論 當(dāng)NPN型晶體管的集電極電壓很高時,收集結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的電場強(qiáng)度比放大低壓運(yùn)用時大得多｡進(jìn)入收集結(jié)的載流子被強(qiáng)電場加速,從而獲得很大能量,它們與晶格碰撞時產(chǎn)生了新的電子-空穴對,新產(chǎn)生的電子､空穴又分別被強(qiáng)電場加速而重復(fù)上述過程｡于是流過收集結(jié)的電流?quot;雪崩"式迅速增長,這就是晶體管的雪崩倍增效應(yīng)｡ 晶體管在雪崩區(qū)的運(yùn)用具有如下主要特點(diǎn): (1)電流增益增大到正常運(yùn)用時的M倍,其中M為雪崩倍增因子｡ (2)由于雪崩運(yùn)用時集電結(jié)加有很高的反向電壓,集電結(jié)空間電荷區(qū)向基區(qū)一側(cè)的擴(kuò)展使有效基區(qū)寬度大為縮小,因而少數(shù)載流子通過基區(qū)的渡越時間大為縮短｡換言之,晶體管的有效截止頻率大為提高｡ (3)在雪崩區(qū)內(nèi),與某一給定電壓值對應(yīng)的電流不是單值的｡并且隨電壓增加可以出現(xiàn)電流減小的現(xiàn)象｡也就是說,雪崩運(yùn)用時晶體管集電極-發(fā)射極之間呈負(fù)阻特性｡ (4)改變雪崩電容與負(fù)載電阻,所對應(yīng)的輸出幅度是不同的｡換言之,輸出脈沖與雪崩電容和負(fù)載電阻有關(guān)｡ 下面對雪崩管的動態(tài)過程進(jìn)行分析｡在雪崩管的動態(tài)過程中,工作點(diǎn)的移動相當(dāng)復(fù)雜?現(xiàn)結(jié)合原理圖所示電路(圖4)進(jìn)行分析(這里主要分析雪崩管Q1的工作過程,其余類同)｡ 在電路中近似地將雪崩管靜態(tài)負(fù)載電阻認(rèn)為是Rc,當(dāng)基極未觸發(fā)時,基極處于反偏,雪崩管截止｡根據(jù)電路可列出雪崩管過程的方程為: ? 式中:i為通過雪崩管的總電流,ic為通過靜態(tài)負(fù)載Rc的電流,ia為雪崩電流,uc(0)為電容C初始電壓,R為動態(tài)負(fù)載電阻,C為雪崩電容,tA為雪崩時間｡Vce為雪崩管Q1集-射級電壓,Vcc為電路直流偏置電壓｡ 從(1)式可求解出雪崩過程動態(tài)負(fù)載線方程式為: 在具體的雪崩管電路中,Rc為幾千歐(本實(shí)驗(yàn)中取為6.8kΩ),而R則為幾十歐(本實(shí)驗(yàn)中取為51Ω),因此Rc>>R｡雪崩時雪崩電流ia比靜態(tài)電流ic大得多,即ia>>ic,所以i≈ia｡于是(2)式可簡化為? 因?yàn)?~tA這段雪崩時間很短,因此可以略去,即得 式(3)和式(4)表明雪崩狀態(tài)下,動態(tài)負(fù)載線是可變的｡ 雪崩管在雪崩區(qū)形成負(fù)阻特性,負(fù)阻區(qū)處于BVCEO與BVCBO之間,當(dāng)電流再繼續(xù)加大時,則會出現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)象,如圖2所示｡ 圖2中,電阻負(fù)載線I貫穿了兩個負(fù)阻區(qū)｡若加以適當(dāng)?shù)耐苿?工作點(diǎn)a會通過負(fù)阻區(qū)交點(diǎn)b到達(dá)c,由于雪崩管的推動能力相當(dāng)強(qiáng),c點(diǎn)通常不能被封鎖,因而通過第二負(fù)阻區(qū)交點(diǎn)d而推向e點(diǎn)｡工作點(diǎn)從a到e一共經(jīng)過兩個負(fù)阻區(qū),即電壓或電流信號經(jīng)過兩次正反饋的加速｡因此,所獲得的信號其電壓或電流的幅度相當(dāng)大,其速度也相當(dāng)快｡ 當(dāng)負(fù)載線很陡時,如圖2中負(fù)載線II所示,它沒有與二次擊穿曲線相交而直接推到飽和區(qū),這時就不會獲得二次負(fù)阻區(qū)的加速｡ 本文介紹的超寬帶UWB極窄脈沖發(fā)生器即是利用雪崩管的二次負(fù)阻區(qū)加速作用,來達(dá)到產(chǎn)生極窄脈沖的目的｡ 2 UWB脈沖產(chǎn)生電路及分析 2.1 電路原理圖 UWB發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的簡化框圖如圖3所示,系統(tǒng)的信息調(diào)制采用PPM調(diào)制｡本文主要討論UWB脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì),電路原理圖如圖4所示｡ 2.2 電路分析 當(dāng)觸發(fā)脈沖尚未到達(dá)時,雪崩管截止,電容C2､C4在Vcc的作用下分別通過電阻R1､R和R2､R3充電｡電容C通過Rc充電(充電后其電壓近似等于電源電壓Vcc)｡當(dāng)一個足夠大的觸發(fā)脈沖到來后,使晶體管工作點(diǎn)運(yùn)動到不穩(wěn)定的雪崩負(fù)阻區(qū),Q1雪崩擊穿,產(chǎn)生快速增大的雪崩電流,導(dǎo)致電容C經(jīng)由晶體管Q1快速放電,從而在負(fù)載電阻R上形成一個窄脈沖｡由于雪崩電流很大,因此獲得的窄脈沖有較高的峰值;又由于電容C儲存的電荷很有限(一般電容量只有幾皮法至幾百皮法),因此脈沖寬度也有限｡也就是說,當(dāng)開始雪崩以后,由于晶體管本身以及電路分布參數(shù)的影響,使得雪崩電流即電容C的放電電流只能逐漸增大;而到達(dá)某一峰值后,又由于電容C上電荷的減少使得放電電流逐漸減小｡前者形成了脈沖的前沿,而后者則形成了脈沖的后沿｡ Q1雪崩擊穿后,電容C放電注入負(fù)載R｡這個電壓經(jīng)過電容C2,導(dǎo)致Q2過壓并且雪崩擊穿｡同理Q3也依次快速雪崩擊穿｡由于雪崩過程極為迅速,因此這種依次雪崩的過程還是相當(dāng)快的,從宏觀上可以把它看作是同時觸發(fā)的｡因此,在負(fù)載上就可以得到一個上升時間非常短的UWB極窄脈沖｡ 2.3 元件參數(shù)選擇 雪崩晶體管電路中應(yīng)選擇的電路參數(shù)主要為雪崩晶體管Vcc､C､RC及加速電容等｡ ①雪崩晶體管:雪崩晶體管的選擇依據(jù)主要是雪崩管的輸出振幅及邊沿應(yīng)滿足要求｡ ②偏置電壓Vcc:必須適當(dāng)選擇偏置電壓Vcc,使雪崩晶體管能夠發(fā)生雪崩效應(yīng),同時還應(yīng)當(dāng)滿足Vcc≤BVcbo｡ ③雪崩電容:雪崩電容C不應(yīng)選擇太大,C太大,輸出脈沖寬度加寬,電路恢復(fù)期太長;但也不能太小,C太小,輸出脈沖振幅減小,而且影響電容分布｡通常取為幾皮法到幾十皮法｡一般應(yīng)選用瓷片電容或云母電容｡ 在一定范圍內(nèi),電容C值越小,脈沖寬度也越小,但幅度也會變得越小｡這個結(jié)果由仿真和實(shí)驗(yàn)均得到驗(yàn)證如表1所示｡ 當(dāng)電容C值小于3皮法時,由于其他寄生參數(shù)的影響,寬度的減小已不明顯｡ ④集電極電阻RC:集電極電阻RC應(yīng)保證雪崩電路能夠在靜止期內(nèi)恢復(fù)完畢,即(3~5)(RC+RL)C≤TS,式中TS為觸發(fā)脈沖重復(fù)周期｡ 通常RC選為幾千歐姆到幾十千歐姆｡若取RC=5kΩ､C=50pF,則TS≈1μs即觸發(fā)脈沖重復(fù)頻率應(yīng)小于1MHz｡若取RC=50kΩ,則TS≈10μs,觸發(fā)脈沖重復(fù)頻率應(yīng)小于100kHz｡RC不能選得太小,否則雪崩晶體管可能長時間處于導(dǎo)通狀態(tài),導(dǎo)致溫度過高而燒壞｡ ⑤加速電容:電路中C3､C5為加速電容,它們的主要作用是幫助加速基帶脈沖,減少脈沖的延遲時間和上升時間｡ 另外,電路還采用了雪崩管級聯(lián)的設(shè)計(jì),原理上可以看作是一個Marx發(fā)生器｡這樣可以增加所產(chǎn)生脈沖的幅度,同時還可以使脈沖的寬度變得更窄｡首先,通過雪崩管的級聯(lián),使加在各級雪崩管集電極的電壓遞增(每級的增量約為Vcc)｡而集電極電壓的增大可以使雪崩管的導(dǎo)通內(nèi)阻減小,從而縮短脈沖的上升時間tr｡其次,基極注入電流Ib會隨之增大,tr也將減小｡另外,雪崩管的級聯(lián)結(jié)構(gòu)還可以相當(dāng)于對各級的輸出脈沖進(jìn)行了乘積,這樣也會使脈沖的上升時間tr得到進(jìn)一步的減小｡這里關(guān)鍵是解決好雪崩管觸發(fā)的同時性問題?由于脈沖很窄,這一點(diǎn)就尤為突出｡如果雪崩管不能很好地同時觸發(fā),反而會增加輸出脈沖的寬度｡為了獲得同時觸發(fā),就必須要盡量選用觸發(fā)參數(shù)相同的雪崩管｡如果有的雪崩管觸發(fā)參數(shù)不同,則需要調(diào)整電路中的元件參數(shù),使其同時觸發(fā)｡實(shí)驗(yàn)中A､B､C各點(diǎn)輸出脈沖的寬度分別為:2.43ns､1.76ns､1.22ns;上升時間分別為1.2ns､1.12ns､863ps｡與理論分析所得結(jié)論相符｡ 2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)中采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu),最后得到輸出脈沖波形,如圖5所示｡ 從圖5中可以看到輸出脈沖的幅度約為1.2V,寬度約為1.22ns(半寬度),上升時間約為863ps｡采用的雪崩三極管為3DB2B3DB2B型(tr≤2ns)｡觸發(fā)脈沖的周期為1μs,占空比為50%｡該波形是用Agilent公司的Infiniium 600MHz示波器測得的｡ 筆者采用雪崩管級聯(lián)的方法,成功地完成了一種超寬帶(UWB)脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì),最后得到的輸出脈沖其寬度和上升時間均較好地符合了要求｡今后的工作將致力于提高輸出脈沖的幅度,進(jìn)一步減小脈沖的寬度和上升時間｡ |
