基於雪崩電晶體的皮秒級高功率超寬帶窄脈衝信號發生器的製作方法
2023-05-25 13:33:41
專利名稱：基於雪崩電晶體的皮秒級高功率超寬帶窄脈衝信號發生器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於雷達發射機技術領域，具體涉及一種基於雪崩電晶體的皮秒級高功率超寬帶窄脈衝信號發生器。
背景技術：
由於UWB衝激雷達(UWB impulse radar)在目標探測、反隱身、電磁幹擾等方面具有廣泛的應用潛力，因此其日益成為雷達領域中的熱門方向。脈衝源技術則是脈衝雷達實現其功能的關鍵。超寬帶微波源以開關技術進行分類，大體上可分為氣體開關源(油開關源)及固態開關源。氣體開關源和油開關源的優點在於擊穿電壓高，適合於製作麗、GW級高功率脈衝源，其不足之處在於其重頻較低、重頻穩定度差、脈衝波形一致性差、脈衝輸出信號相干度較低。固態開關源的優點在於重頻高、頻率穩定度高、波形一致性好，缺點是功率較低。固態開關源包括光導開關脈衝源和半導體開關脈衝源，光導開關脈衝源的主要特點是功率高，產生脈衝寬度可以達到PS量級，主要應用在高功率超寬帶輻射中，半導體開關脈衝源的特點是功率較低，但電路實現簡單，體積小，能耗低，易於集成。窄脈衝產生電路的性能與所使用的高速器件有關，可以產生納秒、皮秒級窄脈衝的高速器件有隧道二極體、階躍恢復二極體、雪崩電晶體等器件。其中隧道二極體和階躍恢復二極體所產生的脈衝，上升時間可達幾十到幾百皮秒，但其幅度較小，一般為幾百毫伏的量級。而雪崩電晶體產生的脈衝，上升時間可以達I 2ns，輸出脈衝幅度可達幾百伏，但需要較高的電源電壓。因此，如何獲得皮秒級高功率超寬帶窄脈衝信號，是一個亟待解決的、並具有十分重要的現實意義的技術問題。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種基於雪崩電晶體的皮秒級高功率超寬帶窄脈衝信號發生器，本實用新型能夠為超寬帶雷達提供一種高功率的高重頻的窄脈衝UWB信號源，結構簡單且工作穩定可靠。為實現上述目的，本實用新型採用了以下技術方案一種基於雪崩電晶體的皮秒級高功率超寬帶窄脈衝信號發生器，其包括如下組成部分偏置電壓Vcr,用於向信號發生器供電；觸發輸入端，用於輸入TTL電平的觸發信號，並引發信號發生器中的各級雪崩三極體的雪崩效應，所述觸發輸入端通過限流電阻Rl與Marx電路相連，所述限流電阻Rl還通過基極偏置電阻R2接地；Marx電路，所述Marx電路由依次級聯的起始雪崩單元和多級雪崩單元共同構成；所述起始雪崩單元由起始集電極電阻、起始雪崩電容、起始雪崩三極體構成，起始雪崩單元通過起始集電極電阻與所述偏置電壓Vrc的輸出端相連，起始集電極電阻的另一端一方面與起始雪崩電容相連，另一方面與起始雪崩三極體的集電極相連，起始雪崩三極體的發射極接地，起始雪崩三極體的基極通過限流電阻Rl與觸發輸入端相連，所述起始雪崩電容的遠離起始集電極電阻的一端則與多級雪崩單元中第一級雪崩單元的雪崩三極體的基極相連；多級雪崩單元中的每一級雪崩單元均由集電極電阻、雪崩電容、雪崩三極體和發射極電阻構成；任一級雪崩單元均通過集電極電阻與所述偏置電壓Vcc的輸出端相連，集電極電阻的另一端一方面與雪崩電 容相連，另一方面與本級雪崩單元中的雪崩三極體的集電極相連，本級雪崩單元中的雪崩三極體的發射極通過發射極電阻接地，本級雪崩單元中的雪崩電容的遠離集電極電阻的一端則與相鄰雪崩單元的雪崩三極體的基極相連；最後一級雪崩單元的電容一方面通過負載電阻RL接地，另一方面接信號發生器的輸出端。同時本實用新型還可以通過以下方式得以進一步實現優選的，所述Marx電路中的雪崩單元級數為5 30級。優選的，所述限流電阻Rl和基極偏置電阻R2均採用功率為O. 25W、阻值為100 Ω的片式電阻；起始雪崩單元中的起始集電極電阻和多級雪崩單元中的集電極電阻均採用功率為20W、阻值為5. IkQ的片式射頻電阻；起始雪崩單元中的起始雪崩電容和多級雪崩單元中的雪崩電容均採用額定電壓為500 V、電容為51 P f的片式射頻電容；多級雪崩單元中的發射極電阻均採用功率為20W、阻值為2kQ的片式射頻電阻；負載電阻RL阻值為50 Ω。本實用新型的有益效果如下I)、本實用新型充分利用了雪崩三極體的雪崩效應產生窄脈衝，在雪崩導通瞬間，電流呈「雪崩」式迅速增長，從而獲得具有陡峭前沿的波形，成形後得到極短脈衝；當給雪崩三極體的集電結施加強電場時，集電結區的載流子即被強電場加速，當加速載流子與晶格發生碰撞，即產生新的電子-空穴對，這些新的電子-空穴對又被電場加速，並和晶格發生碰撞，再次產生新的電子-空穴對，如此重複上述過程，流過集電結的電流便迅速增長，從而形成電晶體的雪崩效應；當一次雪崩擊穿發生後，如果CB結反向偏壓繼續增大，由於雪崩效應，會導致很大的電流發生二次擊穿，一旦二次擊穿發生，強大的集電極電流迅速改變集電結內的電場分布，即使Vra下降，集電極電流仍然繼續上升，電晶體呈現負輸出阻抗特性，如圖2所示，此時僅需很小的維持電壓，仍然能得到很大的集電極電流；雪崩三極體在雪崩區形成負阻特性，負阻區處於BV·與BVcm之間，當電流再繼續加大時，則會出現二次擊穿現象，如圖3所示，當負載線很陡時，如圖3中負載線II所示，它沒有與二次擊穿曲線相交，這時就不會獲得二次負阻區的加速，超寬帶窄脈衝發生器利用雪崩三極體的二次負阻區加速作用，來達到產生極窄脈衝的目的；2)、本實用新型中採用Marx電路，Marx電路中設置有依次級聯的起始雪崩單元和多級雪崩單元，每一級雪崩單元中均設置有雪崩三極體和雪崩電容，雪崩單元中的雪崩電容採用並聯充電、串聯放電的結構。這種結構的特點是不需要極高的偏置電壓，無論採用級聯多少，都只需偏置單管電壓，在放電時雪崩電容相互串聯，減小了線路等效放電電容，使得每級可以採用相對較大的雪崩電容，並最終使得本信號發生器的輸出功率較大，電壓較聞;3)、本實用新型通過採用多級雪崩電晶體的Marx電路級聯，實現了脈衝幅度或脈衝功率的大幅提高。以14級雪崩電晶體的級聯為例，輸出脈衝幅度可達800V，輸出功率可達12. 8k W，脈衝前沿小於200ps，脈衝寬度(50%)窄至600ps，全底寬1ns，脈衝重複頻率可達200kHz。本實用新型不僅實現了一種皮秒級的高功率窄脈衝源的研製，更大的現實意義在於提供了一種設計方式，通過更多級雪崩電晶體級聯的方案可實現更大功率的超寬帶窄脈衝信號源的研製，從而可滿足超寬帶雷達、超寬帶通信等領域的應用需求。
圖I是本實用新型的電路結構示意圖。圖2是雪崩三極體I-V特性曲線圖。圖3是雪崩三極體雪崩工作曲線圖。·具體實施方式
如圖I所示，一種基於雪崩電晶體的皮秒級高功率超寬帶窄脈衝信號發生器，其包括如下組成部分偏置電壓Vcc,用於向信號發生器供電；觸發輸入端，用於輸入TTL電平的觸發信號，並引發信號發生器中的各級雪崩三極體的雪崩效應，所述觸發輸入端通過限制電阻Rl與Marx電路相連，所述限流電阻Rl還通過基極偏置電阻R2接地；Marx電路，所述Marx電路由依次級聯的起始雪崩單元Ntl和多級雪崩單元Ni(i彡I)共同構成。如圖I所示,所述起始雪崩單元Nci由起始集電極電阻R3、起始雪崩電容Cl、起始雪崩三極體Vl構成，起始雪崩單元Ntl通過起始集電極電阻R3與所述偏置電壓Vcc的輸出端相連，起始集電極電阻R3的另一端一方面與起始雪崩電容Cl相連，另一方面與起始雪崩三極體Vl的集電極相連，起始雪崩三極體Vl的發射極接地，起始雪崩三極體Vl的基極通過限流電阻Rl與觸發輸入端相連，所述起始雪崩電容Cl的遠離起始集電極電阻R3的一端則與第一級雪崩單元N1的雪崩三極體V2的基極相連。如圖I所示，多級雪崩單元Ni (i彡I)中的每一級雪崩單元Ni均由集電極電阻、雪崩電容、雪崩三極體和發射極電阻構成；任一級雪崩單元均通過集電極電阻與所述偏置電壓V。。的輸出端相連，集電極電阻的另一端一方面與本級雪崩單元中的雪崩電容相連，另一方面與本級雪崩單元中的雪崩三極體的集電極相連，本級雪崩單元中的雪崩三極體的發射極通過發射極電阻接地，所述本級雪崩單元中的雪崩電容的遠離集電極電阻的一端則與相鄰雪崩單元的雪崩三極體的基極相連；第一級雪崩單元中的雪崩三極體的基極與起始雪崩電容Cl的一端相連，最後一級雪崩單元的電容一方面通過負載電阻RL接地，另一方面接信號發生器的輸出端。以第一級雪崩單元N1為例，如圖I所示，第一級雪崩單元N1由集電極電阻R4、雪崩電容C2、雪崩三極體V2和發射極電阻R17構成，集電極電阻R4的一端與偏置電壓Vcc相連，集電極電阻R4的另一端與雪崩三極體V2的集電極和雪崩電容C2分別相連，雪崩三極體V2的發射極通過發射極電阻R17接地，雪崩電容C2則與第二級雪崩單元N2中的雪崩三極體V3的基極相連。[0032]優選的，所述Marx電路中的雪崩單元級數為5 30級，也即Marx電路中的雪崩三極體的數量為5 30之間比較適宜。優選的，如圖I所示，所述限流電阻Rl和基極偏置電阻R2均採用功率為O. 25W、阻值為100 Ω的片式電阻；起始雪崩單元中的起始集電極電阻R3和多級雪崩單元中的集電極電阻R4 R16均採用功率為20W、阻值為5. IkQ的片式射頻電阻；起始雪崩單元中的起始雪崩電容Cl和多級雪崩單元中的雪崩電容C2 C14均採用額定電壓為500 V、電容為51P f的片式射頻電容；多級雪崩單元中的發射極電阻R17 R29均採用功率為20W、阻值為2k Ω的片式射頻電阻；負載電阻RL 阻值為50 Ω。雪崩電晶體Vl V14採用超快速高壓雪崩三極體K417 :器件耐壓可達到400V，脈衝雪崩電流80A,導通時間小於200p,金屬管殼片式封裝。下面結合圖I對本實用新型的工作過程做進一步說明。圖I中信號發生器的Marx電路中的雪崩單元級數為14級，其中第一級雪崩單元N1至第十三級雪崩單元N13的結構完全相同，圖I中的第四級雪崩單元N4至第十一級雪崩單元N11未繪出。如圖I所示，TTL電平的觸發脈衝信號送至信號發生器的觸發輸入端，通過限流電阻Rl送至起始雪崩三極體Vl的基極，觸發脈衝加入前，各個雪崩三極體截止，但已處於臨界雪崩狀態。各雪崩電容Cl C14均充有直流偏置電源電壓V。。。觸發脈衝加入後，首先引起起始雪崩三極體Vl雪崩擊穿，於是起始雪崩電容Cl左端電位等於地電位，起始雪崩電容Cl右端電位即約等於-Vcc (均指對地電勢)，雪崩三極體V2的C-E兩端有大約2VCC的瞬間電壓，引起雪崩三極體V2雪崩擊穿；以此類推，雪崩三極體V3 V14依次雪崩擊穿。而且雪崩三極體V2 V14的雪崩也並不一定將按順序進行。這種現象相當於有一個雪崩加速的效果，而這將非常有利脈衝前沿的銳化，對於級聯產生高壓窄脈衝具有積極作用。各級雪崩三極體Vl V14全部雪崩後，由於雪崩電容Cl C14相當於串聯，對負載電阻RL放電，從而形成脈衝。
權利要求1.一種基於雪崩電晶體的皮秒級高功率超寬帶窄脈衝信號發生器，其特徵在於包括如下組成部分 偏置電壓Vrc，用於向信號發生器供電； 觸發輸入端，用於輸入TTL電平的觸發信號，並引發信號發生器中的各級雪崩三極體的雪崩效應，所述觸發輸入端通過限流電阻Rl與Marx電路相連，所述限流電阻Rl還通過基極偏置電阻R2接地； Marx電路,所述Marx電路由依次級聯的起始雪崩單元和多級雪崩單元共同構成； 所述起始雪崩單元由起始集電極電阻、起始雪崩電容、起始雪崩三極體構成，起始雪崩單元通過起始集電極電阻與所述偏置電壓Vrc的輸出端相連，起始集電極電阻的另一端一方面與起始雪崩電容相連，另一方面與起始雪崩三極體的集電極相連，起始雪崩三極體的發射極接地，起始雪崩三極體的基極通過限流電阻Rl與觸發輸入端相連，所述起始雪崩電容的遠離起始集電極電阻的一端則與多級雪崩單元中第一級雪崩單元的雪崩三極體的基極相連； 多級雪崩單元中的每一級雪崩單元均由集電極電阻、雪崩電容、雪崩三極體和發射極電阻構成；任一級雪崩單元均通過集電極電阻與所述偏置電壓\c的輸出端相連，集電極電阻的另一端一方面與雪崩電容相連，另一方面與本級雪崩單元中的雪崩三極體的集電極相連，本級雪崩單元中的雪崩三極體的發射極通過發射極電阻接地，本級雪崩單元中的雪崩電容的遠離集電極電阻的一端則與相鄰雪崩單元的雪崩三極體的基極相連；最後一級雪崩單元的電容一方面通過負載電阻RL接地，另一方面接信號發生器的輸出端。
2.根據權利要求I所述的基於雪崩電晶體的皮秒級高功率超寬帶窄脈衝信號發生器，其特徵在於所述Marx電路中的雪崩單元級數為5 30級。
3.根據權利要求I或2所述的基於雪崩電晶體的皮秒級高功率超寬帶窄脈衝信號發生器，其特徵在於所述限流電阻Rl和基極偏置電阻R2均採用功率為O. 25W、阻值為100Ω的片式電阻；起始雪崩單元中的起始集電極電阻和多級雪崩單元中的集電極電阻均採用功率為20W、阻值為5. IkQ的片式射頻電阻；起始雪崩單元中的起始雪崩電容和多級雪崩單元中的雪崩電容均採用額定電壓為500 V、電容為51 P f的片式射頻電容；多級雪崩單元中的發射極電阻均採用功率為20W、阻值為2k Ω的片式射頻電阻；負載電阻RL阻值為50 Ω。
專利摘要本實用新型屬於雷達發射機技術領域，具體涉及一種基於雪崩電晶體的皮秒級高功率超寬帶窄脈衝信號發生器。本信號發生器包括如下組成部分用於向信號發生器供電的偏置電壓VCC；用於輸入TTL電平的觸發信號的觸發輸入端；本信號發生器還包括Marx電路，Marx電路中設置有依次級聯的起始雪崩單元和多級雪崩單元，任一級雪崩單元中均設置有雪崩三極體和雪崩電容。雪崩單元中的雪崩電容採用並聯充電、串聯放電的結構。這種結構的特點是不需要極高的偏置電壓，無論採用級聯多少，都只需偏置單管電壓，在放電時雪崩電容相互串聯，減小了線路等效放電電容，使得每級可以採用相對較大的雪崩電容，並最終實現了高功率超寬帶窄脈衝信號的產生。
文檔編號H03K3/335GK202798619SQ20122048614
公開日2013年3月13日 申請日期2012年9月24日 優先權日2012年9月24日
發明者戴大富, 王志勇, 張麗君 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所