摘要：超寬帶UWB是一種利用納秒級(jí)窄脈沖發(fā)送信息的技術(shù)。重點(diǎn)討論了一種采用級(jí)聯(lián)雪崩晶體管結(jié)構(gòu)UWB極窄脈沖發(fā)生器,并對(duì)其電路及雪崩晶體管的工作原理進(jìn)行了具體分析。實(shí)驗(yàn)獲得的UWB輸出脈沖寬度約為1.22ns,上升時(shí)間約為863ps。

關(guān)鍵詞：UWB（Ultra Wideband） 超寬帶 雪崩晶體管 脈沖發(fā)生器

 　　目前,UWB技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)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(guó)FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì)）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(jí)極窄脈沖發(fā)送信息的技術(shù),其信號(hào)相對(duì)帶寬即信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%。一個(gè)典型的中心頻率為2GHz（即寬度為500ps）的UWB脈沖信號(hào)的時(shí)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(hào)從基帶調(diào)制到載波上,而UWB則是通過對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制,從而具有GHz量級(jí)的帶寬。UWB具有發(fā)射信號(hào)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(chǎng)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(cè)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(lì)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(shí)間可以達(dá)幾十至幾百皮秒,但其幅度較小,一般為毫伏級(jí)。采用了利用雪崩三極管的雪崩效應(yīng)的方案,同時(shí)采用雪崩三極管級(jí)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(shí)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(shí),收集結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度比放大低壓運(yùn)用時(shí)大得多。進(jìn)入收集結(jié)的載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速,從而獲得很大能量,它們與晶格碰撞時(shí)產(chǎn)生了新的電子-空穴時(shí),新產(chǎn)生的電子、空穴又分別被強(qiáng)電場(chǎng)加速而重復(fù)上述過程。于是流過收集結(jié)的電流便“雪崩”式迅速增長(zhǎng),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)：

　?。?）電流增益增大到正常運(yùn)用時(shí)的M倍,其中M為雪崩倍增因子。

　?。?）由于雪崩運(yùn)用時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)晶體管集電極-發(fā)射極之間呈負(fù)阻特性。

　?。?）改變雪崩電容與負(fù)載電阻,所對(duì)應(yīng)的輸出幅度是不同的。換言之,輸出脈沖與雪崩和負(fù)載電阻有關(guān)。

　　下面對(duì)雪崩管的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行分析。在雪崩管的動(dòng)態(tài)過程中,工作點(diǎn)的移動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜,現(xiàn)結(jié)合原理圖形示電路（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(shí),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(dòng)態(tài)負(fù)載電阻,C為雪崩電容,tA為雪崩時(shí)間。Vce為雪崩管Q1集-射極電壓,Vcc為電路直接偏置電壓。

　　從（1）式可求解出雪崩過程動(dòng)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(shí)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(jiǎn)化為： 
 

　　因?yàn)?～tA這段雪崩時(shí)間很短,因此可以略去,即得

　　i=1/R[uc(0)-Vce] （4）另外,電路還采用了雪崩管極聯(lián)的設(shè)計(jì),原理上可以看作是一個(gè)Marx發(fā)生器。這樣可以增加所產(chǎn)生脈沖的幅度,同時(shí)還可以使脈沖的寬度變得更窄。首先,通可雪崩管的級(jí)聯(lián),使加在各級(jí)雪崩管集電極的電壓遞增（每級(jí)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(shí)間tr。其次,基極注入電流Ib會(huì)隨之增大,tr也將減小。另外,雪崩管的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)還可以相當(dāng)于對(duì)各級(jí)的輸出脈沖進(jìn)行了乘積,這樣也會(huì)使脈沖的上升時(shí)間tr得到進(jìn)一步的減小。這里關(guān)鍵是解決雪崩管觸發(fā)的同時(shí)性問題,由于脈沖很寬,這一瞇就尤為突出。如果雪崩管不能很好地同時(shí)觸發(fā),反而會(huì)增加輸出脈沖的寬度。為了獲得同時(shí)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(shí)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(shí)間分別為1.2ns、1.12ns、863ps。與理論分析所得結(jié)論相符。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(shí)間約為863ps。采用的雪崩三極管為3DB2B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 60MHz示波器測(cè)得的。

　　式（3）和式（4）表明雪崩狀態(tài)下,動(dòng)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(shí),則會(huì)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(gè)負(fù)阻區(qū)。若加以適當(dāng)?shù)耐苿?dòng),工作點(diǎn)a會(huì)通過負(fù)阻區(qū)交點(diǎn)b到達(dá)c,由于雪崩管的推動(dòng)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(gè)負(fù)阻區(qū),即電壓或電流信號(hào)經(jīng)過兩次正反饋的加速。因此,所獲得的信號(hào)其電壓或電流的幅度上當(dāng)大,其速度也相當(dāng)快。 

　　當(dāng)負(fù)載很陡時(shí),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而飽和區(qū),這時(shí)就不會(huì)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(jiǎn)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(shí),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(gè)足夠大的觸發(fā)脈沖到來后,使晶體管工作點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到不穩(wěn)定的雪崩負(fù)阻區(qū),Q1雪骨擊穿,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(gè)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(chǔ)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,又出于電容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。這人電壓經(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(shí)觸發(fā)的。因此,在負(fù)載上就可以得到一個(gè)上升時(shí)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。

　?、傺┍谰w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。

　?、谄秒妷篤cc: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(shí)還應(yīng)當(dāng)滿足Vcc≤Bvcbo。

　?、垩┍离妷海貉┍离娙軨不應(yīng)選擇太大,C太大,輸出脈沖寬度加寬,電路恢復(fù)期太長(zhǎng);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(huì)變得越小。這個(gè)結(jié)果由仿真和實(shí)驗(yàn)均得到驗(yàn)證如表1所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 
 

　　當(dāng)電容C值小于3皮法時(shí),由于其他寄存參數(shù)的影響,寬度的減小已不明顯。

　?、芗姌O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,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(zhǎng)時(shí)間處于導(dǎo)通狀態(tài),導(dǎo)致溫度過度而燒壞。

　?、菁铀匐娙荩弘娐分蠧3、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(shí)間和上升時(shí)間。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)中采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),最后得到輸出脈沖波形,如圖5所示。

　　筆者采用雪崩管級(jí)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),最后得到的輸出脈其寬度和上升時(shí)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(shí)間。