本發(fā)明涉及超寬帶探測領域，尤其涉及一種可調(diào)諧觸發(fā)式超寬帶窄脈沖產(chǎn)生裝置及方法。

背景技術：

超寬帶技術就是通過對非常短的窄脈沖進行處理，包括產(chǎn)生、傳輸和接收等，實現(xiàn)探測、通信、定位等功能。超寬帶探測系統(tǒng)憑借其距離分辨率高、隱蔽性強、抗干擾能力強等優(yōu)點，成為探地雷達、穿墻成像、無損檢測等許多應用領域的研究熱點。

在超寬帶探測系統(tǒng)中，窄脈沖源激勵發(fā)射天線輻射超寬帶電磁波，電磁波在不同介質(zhì)中傳播，并且波形和強度隨著介質(zhì)的變化而變化，遇到目標物返回的電磁波被接收天線接收，通過對回波信號的分析完成目標物探測。窄脈沖的寬度和幅度決定了探測系統(tǒng)的穿透性能和探測距離。因此，窄脈沖發(fā)生器的設計在超寬帶探測系統(tǒng)中非常關鍵。

在目前國內(nèi)外超寬帶技術的研究中，窄脈沖發(fā)生器的設計方式主要有兩類。第一類是基于模擬器件的方式。例如，利用傳輸線等微波器件，經(jīng)過整形結構形成脈沖電信號；采用階躍恢復二極管、隧道二極管、雪崩晶體管等高速開關器件，配合傳輸線原理產(chǎn)生窄脈沖。第二類是基于數(shù)字器件的方式。例如，使用TTL、ECL等數(shù)字電路產(chǎn)生窄脈沖；使用與門、非門等邏輯器件實現(xiàn)極窄的脈沖信號等。

國內(nèi)外相當多的研究報道及專利申請(授權)涉及超寬帶窄脈沖的研究工作，例如：

一種基于憶阻器的超寬帶脈沖信號產(chǎn)生裝置(CN103731123A)

一種超寬帶脈沖發(fā)生器(CN103326696A)

基于雪崩晶體管的皮秒級高功率超寬帶窄脈沖信號發(fā)生器(CN202798619U)

一種光生超寬帶脈沖信號裝置及其方法(CN102694577A)

一種基于數(shù)字電路的超寬帶脈沖發(fā)生器(CN102324951A)

盡管有相當多的類似工作，但是，能夠采用模擬與數(shù)字硬件相結合的方式，利用高速數(shù)字電路信號可調(diào)諧的特點，設計一種可調(diào)諧的雪崩脈沖觸發(fā)信號，從而充分發(fā)揮雪崩晶體管的雪崩特性，以一種簡單的方式產(chǎn)生更窄脈沖的方法和裝置極為罕見。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種可調(diào)諧觸發(fā)式超寬帶窄脈沖產(chǎn)生裝置及方法，采用模擬與數(shù)字硬件相結合的方式，利用高速數(shù)字電路觸發(fā)信號邊沿斜率最快的部分觸發(fā)雪崩晶體管，從而在同樣的條件下，得到比傳統(tǒng)方法寬度更窄、幅度更高的窄脈沖信號。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種可調(diào)諧觸發(fā)式超寬帶窄脈沖產(chǎn)生裝置，包括高速信號發(fā)生單元，所述高速信號發(fā)生單元接受控制單元的控制；高速信號發(fā)生單元的輸出端與雙極性觸發(fā)單元、微分器、雪崩單元及脈沖整形單元依次連接；

所述脈沖整形單元還與邊沿檢測單元連接，邊沿檢測單元的輸出與所述控制單元連接，所述控制單元的輸出還與調(diào)諧器連接，所述調(diào)諧器與所述雙極性觸發(fā)單元連接，形成反饋回路；控制單元接收邊沿檢測單元的脈沖寬度檢測信息，當檢測到半脈沖寬度為最小值時，完成對調(diào)諧器的控制。

所述雙極性觸發(fā)單元包括前級緩沖器，所述前級緩沖器通過數(shù)字隔離器與后級緩沖器連接，所述數(shù)字隔離器的輸入端由單極性電源供電，輸出端由雙極性電源供電。

所述單極性電源為3.3V電源，所述雙極性電源為3.3V和-2V電源。

所述調(diào)諧器包括電源，所述電源提供雙極性電壓輸出，輸出的一條支路依次連接第一加/減法器、第一隔離器和所述雙極性觸發(fā)單元；另一條支路依次連接第二加/減法器、第二隔離器和所述雙極性觸發(fā)單元，所述第一加/減法器和第二加/減法器都與所述控制單元連接。

所述電源提供-2V和+3.3V的雙極性電壓。

所述微分器為RC無源微分網(wǎng)絡，將方波變形為尖脈沖信號。

所述雪崩單元包括雪崩晶體管、所述雪崩晶體管的集電極串聯(lián)集電極電阻和集電極電感后接電源，基極和發(fā)射極之間并聯(lián)兩條支路，一條支路上連接電阻，另一條支路上串聯(lián)有電容和觸發(fā)信號源，另一條支路上連接電阻，發(fā)射極同時接地。

所述脈沖整形單元包括，所述雪崩晶體管的集電極連接電容C2的一端，電容C2的另一端與所述雪崩晶體管的發(fā)射極之間并聯(lián)電阻R3和電感L2。

所述邊沿檢測單元包括超寬帶運放，所述超寬帶運放的輸出端依次連接采樣單元、保持單元和模數(shù)轉換單元，用來檢測負極性一階高斯脈沖的半脈沖寬度。

一種可調(diào)諧觸發(fā)式超寬帶窄脈沖產(chǎn)生方法，包括，控制單元控制高速信號發(fā)生單元發(fā)送單極性矩形波信號；雙極性觸發(fā)單元將單極性矩形波信號轉換為雙極性矩形波信號；微分器將雙極性矩形波信號轉換為雙極性尖脈沖信號；雪崩單元受到雙極性尖脈沖信號激勵，產(chǎn)生正極性零階高斯脈沖信號；脈沖整形單元將正極性零階高斯脈沖信號轉換為負極性一階高斯脈沖信號；

邊沿檢測單元檢測負極性一階高斯脈沖信號的半脈沖寬度；控制單元接收半脈沖寬度信息，控制調(diào)諧器調(diào)諧雙極性觸發(fā)單元的高、低電平電壓，形成反饋；控制單元檢測到半脈沖寬度為最小值時，完成對調(diào)諧器的控制。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明所提出的技術方案，在使用相同雪崩晶體管、脈沖電路和脈沖整形電路的條件下，采用可調(diào)諧的觸發(fā)信號觸發(fā)雪崩晶體管，利用觸發(fā)信號邊沿斜率最快的部分激勵雪崩效應，與一般的觸發(fā)方式相比，可以進一步減小窄脈沖寬度，增大幅度。典型的窄脈沖技術指標為：重復頻率為10MHz，幅度峰峰值5V，半脈寬400ps，主包絡頻帶為0～1.5GHz，最大功率-8dBm@700MHz，中心頻率750MHz。本發(fā)明實現(xiàn)的窄脈沖完全能夠滿足超寬帶系統(tǒng)對信號源的要求。

(2)本發(fā)明提出的技術方案，使用雙極性信號觸發(fā)雪崩晶體管，降低了雪崩管導通信號的噪聲干擾，可以在輸出端獲得更為干凈的高斯脈沖信號。

(3)本發(fā)明提出的技術方案，含有反饋網(wǎng)絡，可以根據(jù)具體應用需求，通過調(diào)節(jié)調(diào)諧器，對脈沖波形進行微調(diào)，提高了技術方案的靈活性和可移植性。

附圖說明

圖1是裝置的結構圖；

圖2是調(diào)諧器結構圖；

圖3是雪崩單元和脈沖整形單元電路圖；

圖4是雙極性觸發(fā)單元的結構圖；

圖5是邊沿檢測單元的結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，一種可調(diào)諧觸發(fā)式超寬帶窄脈沖產(chǎn)生裝置，包括高速信號發(fā)生單元；雙極性觸發(fā)單元；調(diào)諧器；微分器；雪崩單元；脈沖整形單元；邊沿檢測單元及控制單元。其連接控制關系為：所述高速信號發(fā)生單元接受控制單元的控制；高速信號發(fā)生單元的輸出端與雙極性觸發(fā)單元、微分器、雪崩單元及脈沖整形單元依次連接；

所述脈沖整形單元還與邊沿檢測單元連接，邊沿檢測單元的輸出與所述控制單元連接，所述控制單元的輸出還與調(diào)諧器連接，所述調(diào)諧器與所述雙極性觸發(fā)單元連接，形成反饋回路；控制單元接收邊沿檢測單元的檢測半脈沖寬度信息，當檢測到半脈沖寬度為最小值時，完成對調(diào)諧器的控制。

本發(fā)明采用的高速信號發(fā)生單元由FPGA邏輯輸出口構成，用來產(chǎn)生上升沿10ns的矩形波信號。

如圖4所示，本發(fā)明采用的雙極性觸發(fā)單元是以ADuM1210數(shù)字隔離器為核心的電平轉換電路，輸入信號由3.3V單極性電源供電，輸出信號由3.3V和-2V雙極性電源供電，用來將單極性矩形波信號轉換為雙極性矩形波信號。由前級緩沖器、數(shù)字隔離器(ADuM1210)、后級緩沖器、單極性電源和雙極性電源組成。前級緩沖器用來隔離高速信號發(fā)生單元和雙極性觸發(fā)單元，同時提高高速信號發(fā)生單元的矩形波信號驅動能力。數(shù)字隔離器ADuM1210實現(xiàn)電平轉換，輸入信號是3.3V電平的單極性信號，輸出信號是3.3V和-2V電平的雙極性信號。單極性電源用來給數(shù)字隔離器的輸入端供電，雙極性電源用來給數(shù)字隔離器的輸出端供電。

如圖3所示，本發(fā)明采用的雪崩單元由雪崩晶體管Q₁、集電極電阻R₂、集電極電感L₁組成，用來產(chǎn)生正極性零階高斯脈沖。當觸發(fā)信號為低電平時，晶體管工作在截止區(qū)，電源通過L₁、R₂、C₂、L₂組成的回路給電容C₂充電；當觸發(fā)信號上升沿到來時，晶體管導通并發(fā)生雪崩效應，電容C₂迅速放電，在R₃上產(chǎn)生負極性零階高斯脈沖。

本發(fā)明采用的脈沖整形單元由電容C₂、電感L₂和電阻R₃構成，將正極性零階高斯脈沖轉換為負極性一階高斯脈沖，同時進行阻抗變換，用以在特定頻帶匹配負載阻抗。

如圖2所示，本發(fā)明采用的調(diào)諧器由電源、第一加/減法器、第一隔離器、第二加/減法器、第二隔離器組成。電源提供-2V和+3.3V的雙極性電壓；第一加/減法器和第二加/減法器由控制單元控制，用來對電源電壓進行微調(diào)，針對實驗測定的雪崩晶體管的基極導通電壓值，適當調(diào)節(jié)正負極性電壓，使觸發(fā)信號的50％上升沿電壓值與導通電壓值相等，從而利用上升沿斜率最快的部分激勵雪崩晶體管，最大程度發(fā)揮其雪崩特性，進一步減小脈沖寬度；第一隔離器和第二隔離器用來隔離前級電源電壓和后級單元，避免后級單元對調(diào)諧器產(chǎn)生影響。

本發(fā)明采用的微分器是一個由電容、電阻組成的無源微分網(wǎng)絡，用來將方波變形為尖脈沖信號，使晶體管導通后能夠迅速關斷，減小晶體管的雪崩工作時間，避免晶體管損害和窄脈沖出現(xiàn)拖尾情況。

如圖5所示，本發(fā)明采用的邊沿檢測單元由超寬帶運放、采樣單元、保持單元和模數(shù)轉換單元組成，用來檢測負極性一階高斯脈沖的半脈沖寬度。超寬帶運放用來隔離脈沖與后級單元，避免邊沿檢測單元對脈沖輸出產(chǎn)生影響，采樣保持單元按一定比例將半脈沖寬度變換為微弱電壓信號，模數(shù)轉換單元將微弱的電壓信號轉換為數(shù)字信號，便于控制單元的數(shù)據(jù)獲取。

一種可調(diào)諧觸發(fā)式超寬帶窄脈沖產(chǎn)生方法，控制單元控制高速信號發(fā)生單元發(fā)送矩形波信號；雙極性觸發(fā)單元將單極性矩形波信號轉換為雙極性矩形波信號；微分器將雙極性矩形波信號轉換為雙極性尖脈沖信號；雪崩單元受到雙極性尖脈沖信號激勵，產(chǎn)生正極性零階高斯脈沖信號；脈沖整形單元將正極性零階高斯脈沖信號轉換為負極性一階高斯脈沖信號；邊沿檢測單元檢測負極性一階高斯脈沖信號的半脈沖寬度；控制單元接收脈沖寬度信息，控制調(diào)諧器調(diào)諧雙極性觸發(fā)單元的高、低電平電壓，形成反饋；控制單元檢測到半脈沖寬度已經(jīng)是最小值時，完成對調(diào)諧器的控制。

結合超寬帶穿墻雷達窄脈沖源進一步詳細闡述。

需求分析：超寬帶穿墻雷達用于對隔墻目標物的探測定位，其定位精度和探測范圍主要由窄脈沖源的脈寬和幅度決定，所以脈沖源脈寬越窄，幅度越高，系統(tǒng)性能越好。并且，為了實現(xiàn)信號的隔墻傳播，要求信號具有大于1GHz的帶寬。

采用CycloneIII系列FPGA作為控制單元，驅動邏輯輸出接口產(chǎn)生重復頻率10MHz、寬度20ns的TTL電平矩形波信號。雙極性觸發(fā)單元將此信號轉換為雙極性矩形波信號。微分器的電容和電阻取值分別為300pF和6k ohm，將矩形波信號轉換為尖脈沖信號。雪崩晶體管采用BFP450，集電極電阻R₂、集電極電感L₁組成雪崩脈沖電路，產(chǎn)生正極性雪崩脈沖，電阻電感取值分別為500ohm和30uH。電容C₂、電感L₂和電阻R₃構成脈沖整形電路，將正極性窄脈沖轉換為負極性窄脈沖，同時進行阻抗變換，用以在特定頻帶匹配負載阻抗，取值分別為6pF、10nH和100ohm。

邊沿檢測單元實時檢測半脈沖寬度，控制單元獲取寬度信息，控制調(diào)諧器改變雙極觸發(fā)單元的雙極性供電電壓，形成反饋。經(jīng)過一定時間的整定，最終確定雪崩管BFP450導通電壓為0.745V，所以調(diào)諧器調(diào)制雙極性供電電壓分別為-2V和+3.49V，使觸發(fā)信號的50％上升沿電壓值與導通電壓值相等，從而利用上升沿斜率最快的部分激勵雪崩晶體管，最大程度發(fā)揮其雪崩特性。

得到窄脈沖的特性為重復頻率10MHz、脈沖幅度峰峰值10V，半脈沖寬度1ns、主包絡頻帶為0～1.1GHz，最大功率-2dBm@330MHz，中心頻率550MHz。能夠滿足超寬帶穿墻雷達應用的要求。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。