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目前,UWB技術已經成為國際無線通信技術研究的新熱點,日益受到重視和關注｡2002年2月14日,美國FCC(聯邦通信委員會)首次批準了UWB產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送信息的技術,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｡ 一般通信技術都是把信號從基帶調制到載波上,而UWB則是通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調制?從而具有GHz量級的帶寬｡UWB具有發射信號功率譜密度低(數十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點,尤其適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入和通信､雷達､定位､汽車防撞､液面感應和高度測量應用｡ UWB信息調制方式需結合UWB傳播特性和脈沖產生方法綜合考慮,通常可采用脈沖位置調制(Pulse Position Modulation)和正反極性調制(Antipodal Modulation),這里采用PPM調制｡ 從本質上看,UWB無線技術是發射和接收超短電磁能量脈沖的技術,它采用極窄脈沖直接激勵天線｡因此,極窄脈沖的產生就顯得尤為重要｡目前,UWB極窄脈沖的產生方法主要通過雪崩三極管､隧道二極管或階躍恢復二極管實現｡其中隧道二極管和階躍恢復二極管所產生的脈沖,上升時間可以達幾十至幾百皮秒,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的方案,同時采用雪崩三極管級聯結構來產生極窄脈沖,最后得到輸出脈沖上升時間約為863ps,幅度約為1.2V｡ 1 雪崩效應理論 當NPN型晶體管的集電極電壓很高時,收集結空間電荷區內的電場強度比放大低壓運用時大得多｡進入收集結的載流子被強電場加速,從而獲得很大能量,它們與晶格碰撞時產生了新的電子-空穴對,新產生的電子､空穴又分別被強電場加速而重復上述過程｡于是流過收集結的電流?quot;雪崩"式迅速增長,這就是晶體管的雪崩倍增效應｡ 晶體管在雪崩區的運用具有如下主要特點: (1)電流增益增大到正常運用時的M倍,其中M為雪崩倍增因子｡ (2)由于雪崩運用時集電結加有很高的反向電壓,集電結空間電荷區向基區一側的擴展使有效基區寬度大為縮小,因而少數載流子通過基區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)在雪崩區內,與某一給定電壓值對應的電流不是單值的｡并且隨電壓增加可以出現電流減小的現象｡也就是說,雪崩運用時晶體管集電極-發射極之間呈負阻特性｡ (4)改變雪崩電容與負載電阻,所對應的輸出幅度是不同的｡換言之,輸出脈沖與雪崩電容和負載電阻有關｡ 下面對雪崩管的動態過程進行分析｡在雪崩管的動態過程中,工作點的移動相當復雜?現結合原理圖所示電路(圖4)進行分析(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負載電阻認為是Rc,當基極未觸發時,基極處于反偏,雪崩管截止｡根據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為通過靜態負載Rc的電流,ia為雪崩電流,uc(0)為電容C初始電壓,R為動態負載電阻,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負載線方程式為: 在具體的雪崩管電路中,Rc為幾千歐(本實驗中取為6.8kΩ),而R則為幾十歐(本實驗中取為51Ω),因此Rc>>R｡雪崩時雪崩電流ia比靜態電流ic大得多,即ia>>ic,所以i≈ia｡于是(2)式可簡化為? 因為0~tA這段雪崩時間很短,因此可以略去,即得 式(3)和式(4)表明雪崩狀態下,動態負載線是可變的｡ 雪崩管在雪崩區形成負阻特性,負阻區處于BVCEO與BVCBO之間,當電流再繼續加大時,則會出現二次擊穿現象,如圖2所示｡ 圖2中,電阻負載線I貫穿了兩個負阻區｡若加以適當的推動,工作點a會通過負阻區交點b到達c,由于雪崩管的推動能力相當強,c點通常不能被封鎖,因而通過第二負阻區交點d而推向e點｡工作點從a到e一共經過兩個負阻區,即電壓或電流信號經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大,其速度也相當快｡ 當負載線很陡時,如圖2中負載線II所示,它沒有與二次擊穿曲線相交而直接推到飽和區,這時就不會獲得二次負阻區的加速｡ 本文介紹的超寬帶UWB極窄脈沖發生器即是利用雪崩管的二次負阻區加速作用,來達到產生極窄脈沖的目的｡ 2 UWB脈沖產生電路及分析 2.1 電路原理圖 UWB發射機系統的簡化框圖如圖3所示,系統的信息調制采用PPM調制｡本文主要討論UWB脈沖產生電路的設計,電路原理圖如圖4所示｡ 2.2 電路分析 當觸發脈沖尚未到達時,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)｡當一個足夠大的觸發脈沖到來后,使晶體管工作點運動到不穩定的雪崩負阻區,Q1雪崩擊穿,產生快速增大的雪崩電流,導致電容C經由晶體管Q1快速放電,從而在負載電阻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,當開始雪崩以后,由于晶體管本身以及電路分布參數的影響,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放電注入負載R｡這個電壓經過電容C2,導致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快的,從宏觀上可以把它看作是同時觸發的｡因此,在負載上就可以得到一個上升時間非常短的UWB極窄脈沖｡ 2.3 元件參數選擇 雪崩晶體管電路中應選擇的電路參數主要為雪崩晶體管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主要是雪崩管的輸出振幅及邊沿應滿足要求｡ ②偏置電壓Vcc:必須適當選擇偏置電壓Vcc,使雪崩晶體管能夠發生雪崩效應,同時還應當滿足Vcc≤BVcbo｡ ③雪崩電容:雪崩電容C不應選擇太大,C太大,輸出脈沖寬度加寬,電路恢復期太長;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｡一般應選用瓷片電容或云母電容｡ 在一定范圍內,電容C值越小,脈沖寬度也越小,但幅度也會變得越小｡這個結果由仿真和實驗均得到驗證如表1所示｡ 當電容C值小于3皮法時,由于其他寄生參數的影響,寬度的減小已不明顯｡ ④集電極電阻RC:集電極電阻RC應保證雪崩電路能夠在靜止期內恢復完畢,即(3~5)(RC+RL)C≤TS,式中TS為觸發脈沖重復周期｡ 通常RC選為幾千歐姆到幾十千歐姆｡若取RC=5kΩ､C=50pF,則TS≈1μs即觸發脈沖重復頻率應小于1MHz｡若取RC=50kΩ,則TS≈10μs,觸發脈沖重復頻率應小于100kHz｡RC不能選得太小,否則雪崩晶體管可能長時間處于導通狀態,導致溫度過高而燒壞｡ 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的設計,原理上可以看作是一個Marx發生器｡這樣可以增加所產生脈沖的幅度,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,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通內阻減小,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,雪崩管的級聯結構還可以相當于對各級的輸出脈沖進行了乘積,這樣也會使脈沖的上升時間tr得到進一步的減小｡這里關鍵是解決好雪崩管觸發的同時性問題?由于脈沖很窄,這一點就尤為突出｡如果雪崩管不能很好地同時觸發,反而會增加輸出脈沖的寬度｡為了獲得同時觸發,就必須要盡量選用觸發參數相同的雪崩管｡如果有的雪崩管觸發參數不同,則需要調整電路中的元件參數,使其同時觸發｡實驗中A､B､C各點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｡與理論分析所得結論相符｡ 2.4 實驗結果 實驗中采用兩級級聯結構,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的方法,成功地完成了一種超寬帶(UWB)脈沖產生電路的設計,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,進一步減小脈沖的寬度和上升時間｡ |
