一種高功率超寬帶信號發生裝置的製作方法

2023-09-22 03:05:45

專利名稱：一種高功率超寬帶信號發生裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於信號源技術領域，具體涉及一種高功率超寬帶信號發生裝置。
背景技術：
超寬帶(ultra wide band, UWB)技術是從頻域角度來定義的,是指相對帶寬Bf >25%的信號，具體的>25%，其中，fH和4分別為頻率範圍的上下極限。超寬帶技術主要有以下優點:高傳輸效率、低功耗、通信容量大、多徑分辨力強以及安全保密性好等。因此，超寬帶技術有著非常廣泛的應用領域，具體比如說:1、短距離(IOm以內)高速無線多媒體智能家域網和個域網；2、智能交通系統。超寬帶技術同時具有無線通信和定位的功能，可方便地應用於智能交通中，為車輛防撞、電子牌照、智能收費、車內智能網絡、測速、監視等提供高性能、低成本解決方案；3、應用於軍事領域中超寬帶系統發射功率譜密度非常低，完全淹沒在噪聲中，被截獲的概率很低，安全性非常好；4、傳感器網絡和智能環境，用於對各種對象(人和物)進行檢測、識別、控制和通信。高功率的超寬帶信號可應用於通信、醫學成像、無損檢測、安全檢查及材料估計等領域。更大功率容量的超寬帶信號作用範圍可擴展至電子對抗、探地與穿牆雷達以及反隱身雷達等軍事領域。現有的超寬帶信號產生的一般方法是採用快速開關技術將高壓電能轉換成超短電脈衝，該超短電脈衝再經脈衝發生器轉換成超寬帶信號。其中，產生超短電脈衝的方法可以分為電路方法和光電方法兩大類。電路方法一般是利用雪崩二極體、火花隙等電子器件來產生超短電脈衝，由於受到元件本身的局限，產生的電脈衝脈寬只能達到納秒級甚至微秒級，且電脈衝幅值不高、重複頻率低，總體功率較小，遠不能滿足實際的需要。與電路方法相比，光電方法因近些年光導開關材料的發展成熟，光導開關的響應速度和耐壓值得到明顯提升，其響應速度通常可達到皮秒級，而耐壓直接可達數百千伏。由其產生的電脈衝脈寬也相應得達到皮秒量級，單個超寬帶信號源峰值輸出功率可達到數百兆瓦。其中，滿足一定能量與脈寬要求的雷射是以上述的光電方法產生超短高壓電脈衝不可或缺的條件，傳統方法是採用雷射器輸出雷射以導通光導開關。然而傳統的雷射器體積大、成本高，應用過程中調試難度大，不利於普及使用。綜上所述，採用電路方法產生超寬帶信號具備成本低廉的優點，但是其產生的超寬帶信號功率有限，不能滿足實際需求；而採用傳統光電方法的解決方案雖然能解決採用電路的方法中的功率問題，但時其成本、設備的體積以及安裝調試難度等問題都限制了其應用。

發明內容
本發明為了解決現有的高功率超寬帶信號發生裝置或因功率、帶寬等參數不能滿足應用需求或因成本高體積大及安裝維護技術複雜等問題而不能普及應用的不足，提出了一種高功率超寬帶信號發生裝置。本發明的技術方案是:一種高功率超寬帶信號發生裝置，包括控制單元，用於產生控制脈衝信號，其特徵在於，所述信號發生裝置還包括雷射單元、高壓單元和光導開關，所述雷射單元與控制單元相連接用於產生雷射脈衝信號，所述雷射脈衝信號輸入光導開關，用於提供光導開關導通光源條件，所述高壓單元與光導開關相連接，用於提供光導開關導通的高壓條件，所述光導開關根據所述的光源條件和高壓條件選擇性導通輸出高壓電脈衝信號。優選的，所述高功率超寬帶信號發生裝置還包括雷射聚束單元，所述雷射聚束單元被放於雷射二極體到光導開關的光路中，用於使雷射二極體輸出的雷射聚束。進一步的，上述高功率超寬帶信號發生裝置還包括脈衝發生器和天線，所述脈衝發生器與光導開關相連接，用於將光導開關輸出的高壓電脈衝信號轉換為射頻信號，所述天線用於發射所述射頻信號。具體的，所述雷射單元包括雷射二極體驅動和雷射二極體，所述雷射二極體驅動與控制信號相連接，用於將控制信號轉換為驅動信號驅動雷射二極體點亮，所述雷射二極體用於輸出雷射信號。更進一步的，所述高功率超寬帶信號發生裝置包括同步單元，所述同步單元同時與雷射二極體驅動和高壓單元相連接，用於根據雷射二極體的驅動信號控制高壓單元，使高壓單元產生同步的脈衝信號。本發明的有益效果:本發明的信號發生裝置通過採用光電方法產生高功率超寬帶信號，將電路方法和光學方法的優點有效地結合起來，避免了各自的缺點，解決了背景技術中如下技術問題:1、電路方法產生的電脈衝脈寬只能達到納秒級或微秒級，本發明的方案可以達到皮秒級；2、電路方法產生的超寬帶信號峰值功率低；3、傳統光電方法中雷射器集成度低，體積較大，並且調試複雜、成本高，本發明的方案體積小易於集成，調試簡單。


圖1為本發明的一優選實施例的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳述。如圖1所示，本實施例的一種高功率超寬帶信號發生裝置包括控制單元、雷射單元、高壓單元和光導開關，雷射單元與控制單元相連接，該控制單元用於產生控制脈衝信號，其中控制脈衝信號通過雷射二極體驅動進行功率放大後可以控制雷射二極體產生相同頻率的雷射脈衝信號，雷射二極體產生的雷射脈衝信號輸入光導開關，用於提供光導開關導通光源條件，所述高壓單元與光導開關相連接，用於提供光導開關導通的高壓條件。其中，光導開關有三個埠，分別為光控端、輸入端和輸出端，其導通的條件是光控端有一定能量的雷射照射同時輸入端有一定的電壓輸入，如果滿足這兩個條件，光導開關即可導通。所述光導開關根據所述的光源條件和高壓條件選擇性導通輸出高壓電脈衝信號。所述的一定能量的雷射和一定的電壓是本領域的普通技術人員根據選擇的光導開關的型號或者經過有限的實驗就能很好的確定參數，在此不具體舉例。
優選的，上述高功率超寬帶信號發生裝置還包括雷射聚束單元，所述雷射聚束單元被放於雷射二極體到光導開關的光路中，用於使雷射二極體輸出的雷射聚束。被聚束後的雷射能量密度更大，更容易使光導開關導通。同理，對於同一發光單元和光導開關，如果採用雷射聚束單元，則可以減小雷射單元的能量輸入，進而可以降低功耗、延長雷射單元的使用壽命。由於雷射二極體產生的雷射脈衝信號發散角過大，故通過採用雷射聚束的方式可以有效使脈衝雷射能量集中，有效提升裝置的整體性能。由於通過本發明上述實施例產生的高功率超寬帶信號通常需要發送到自由空間實現探測等功能，故提出另一優選方案，具體技術方案為在上述任一實施例的基礎上增加脈衝發生器和天線，其中脈衝發生器與光導開關相連接，用於將光導開關輸出的高壓電脈衝信號轉換為射頻信號，天線用於發射所述射頻信號。為了更直觀得理解本發明的技術方案，本實施例進一步提出一種雷射單元的具體形式，本實施例的雷射單元包括雷射二極體驅動和雷射二極體，二者相互連接，具體工作原理是控制信號輸入雷射二極體驅動，由雷射二極體驅動將其功率放大，功率被放大後的控制信號可以直接驅動雷射二極體點亮，所述雷射二極體用於輸出雷射信號。由於雷射二極體具有快速開關的特徵，所以由其發出的雷射為與控制脈衝信號一致的雷射脈衝信號。更進一步的，所述高功率超寬帶信號發生裝置還包括同步單元，同步單元同時與雷射二極體驅動和高壓單元相連接，用於根據雷射二極體的驅動信號控制高壓單元，使高壓單元產生同步的脈衝信號。本實施例中同步的含義是確保當雷射脈衝信號作用到光導開關時光導開關的輸入端有高壓信號存在。使用該同步單元也可實現部分場合需要多單元同步合成與波束掃描需求。另外，裝置中的光導開關是一種利用雷射能量激勵半導體材料，使其電導率發生變化而產生電脈衝的光電轉換器件。在本裝置中，利用經雷射聚束後的雷射脈衝信號照射在光導開關上，使光敏材料內部產生非平衡載流子，在瞬間增加半導體材料的電導率，此時光導開關處於導通狀態；雷射脈衝消失後，非平衡載流子很快被複合而產生超短高壓電脈衝，此時光導開關器件電導率下降，光導開關由導通轉為關斷狀態，這一轉換過程可以在皮秒量級的時間內完成。用於觸發光導開關的雷射脈衝持續時間非常短，而光導開關產生電脈衝的寬度取決於觸發光導開關的雷射脈衝的寬度，且電脈衝的寬度與觸發雷射脈衝的寬度相當，所以產生的電脈衝脈寬也很窄，可以達到皮秒量級。高壓單元輸出高壓的幅值可以在輸入直流電源端調節。光導開關產生的超短高壓電脈衝經脈衝發生器可轉化成超寬帶信號，該超寬帶信號頻帶上限可達到數百吉赫茲甚至太赫茲，可由天線輻射。如圖1所示實施例的高功率超寬帶信號發生裝置的信號產生過程如下:1、產生雷射脈衝信號:控制信號經過同步單元，再經雷射二極體驅動和雷射二極體產生皮秒級雷射脈衝信號；2、產生光導開關上高壓同步脈衝信號:輸入控制信號經過同步單元控制高壓單元中開關器件的通與斷輸出高壓同步脈衝信號，該輸出高壓同步脈衝信號幅值可由變壓器變比和輸入電源自由調節。該偏置高壓加載於光導開關三埠中的輸入端和輸出端的金屬電極處；3、觸發光導開關:經過同步單元的控制，雷射脈衝信號與光導開關的高壓脈衝信號同步，因此，當雷射二極體產生的雷射脈衝信號經過雷射聚束單元後照射到光導開關上時，光導開關導通；4、產生高壓電脈衝信號:光導開關導通短路時，產生高壓電脈衝信號；5、產生高功率超寬帶信號:脈衝發生器將光導開關短路時產生的高壓電脈衝轉換成射頻信號；6、發射高功率超寬帶信號:脈衝發生器產生的高功率超寬帶信號送至天線，通過天線將該信號輻射到自由空間。本發明的技術方案包含以下優點:1、高壓電脈衝脈寬小，可以達到皮秒級，經過脈衝發生器產生的超寬帶信號頻帶大，可達到數百吉赫茲甚至太赫茲；2、光導開關產生的高壓電脈衝時間抖動小，約為幾個皮秒；3、雷射單元具有集成度高，體積小，調試簡單，成本低等優點；4、超寬帶信號發生裝置相比採用傳統雷射器的方案，具有集成度高，體積小，重量輕等優點，有利於實現超寬帶信號源系統的小型化5、雷射二極體與光導開關之間加有雷射聚束，可以最大程度的將雷射二極體產生的雷射脈衝聚束，系統效率高；6、同步單元使雷射脈衝信號和高壓單元輸出的高壓脈衝信號同步，便於實現多單元的同步功率合成與波束掃描；7、產生的高功率超寬帶信號將具有慢衰減特性，能夠以三維脈衝結構的形式，類似孤子一樣將能量集中在空間局部區域，並以比平方反比率慢的衰減方式向前傳播，從而可以實現遠距離傳輸。以上所述僅為本發明的具體實施方式
，本領域的技術人員將會理解，在本發明所揭露的技術範圍內，可以對本發明進行各種修改、替換和改變。因此本發明不應由上述事例來限定，而應以權力要求書的保護範圍來限定。
權利要求
1.一種高功率超寬帶信號發生裝置，包括控制單元，用於產生控制脈衝信號，其特徵在於，所述信號發生裝置還包括雷射單元、高壓單元和光導開關，所述雷射單元與控制單元相連接用於產生雷射脈衝信號，所述雷射脈衝信號輸入光導開關，用於提供光導開關導通光源條件，所述高壓單元與光導開關相連接，用於提供光導開關導通的高壓條件，所述光導開關根據所述的光源條件和高壓條件選擇性導通輸出高壓電脈衝信號。
2.根據權利要求1所述的一種高功率超寬帶信號發生裝置，其特徵在於還包括放於雷射單元到光導開關的光路中的雷射聚束單元，所述雷射聚束單元用於使雷射二極體輸出的雷射聚束。
3.根據權利要求2所述的一種高功率超寬帶信號發生裝置，其特徵在於還包括脈衝發生器和天線，所述脈衝發生器與光導開關相連接，用於將光導開關輸出的高壓電脈衝信號轉換為射頻信號，所述天線用於發射所述射頻信號。
4.根據權利要求1所述的一種高功率超寬帶信號發生裝置，其特徵在於，所述雷射單元包括雷射二極體驅動和雷射二極體，所述雷射二極體驅動與控制信號相連接，用於將控制信號轉換為驅動信號驅動雷射二極體點亮，所述雷射二極體用於輸出雷射信號。
5.根據權利要求1至4的任一權利要求所述的一種高功率超寬帶信號發生裝置，其特徵在於還包括同步單元，所述同步單元同時與雷射二極體驅動和高壓單元相連接，用於根據雷射二極體的驅動信號控制高壓單元，使高壓單元產生同步的脈衝信號。
6.根據權利要求2所述的一種高功率超寬帶信號發生裝置，其特徵在於還包括脈衝發生器和天線，所述脈衝發生器與光導開關相連接，用於將光導開關輸出的高壓電脈衝信號轉換為射頻信號，所述天線用於發射所述射頻信號。
7.根據權利要求2所述的一種高功率超寬帶信號發生裝置，其特徵在於，所述雷射單元包括雷射二極體驅動和雷射二極體，所述雷射二極體驅動與控制信號相連接，用於將控制信號轉換為驅動信號驅動雷射二極體點亮，所述雷射二極體用於輸出雷射信號。
8.根據權利要求2所述的一種高功率超寬帶信號發生裝置，其特徵在於還包括同步單元，所述同步單元同時與雷射二極體驅動和高壓單元相連接，用於根據雷射二極體的驅動信號控制高壓單元，使高壓單元產生同步的脈衝信號。
9.根據權利要求6所述的一種高功率超寬帶信號發生裝置，其特徵在於，所述雷射單元包括雷射二極體驅動和雷射二極體，所述雷射二極體驅動與控制信號相連接，用於將控制信號轉換為驅動信號驅動雷射二極體點亮，所述雷射二極體用於輸出雷射信號。
10.根據權利要求2至4之一的任一權利要求所述的一種高功率超寬帶信號發生裝置，其特徵在於，其特徵在於還包括同步單元，所述同步單元同時與雷射二極體驅動和高壓單元相連接，用於根據雷射二極體的驅動信號控制高壓單元，使高壓單元產生同步的脈衝信號。
全文摘要
本發明的一種高功率超寬帶信號發生裝置包括控制單元，用於產生控制脈衝信號，所述信號發生裝置還包括雷射單元、高壓單元和光導開關，所述雷射單元與控制單元相連接用於產生雷射脈衝信號，所述雷射脈衝信號輸入光導開關，用於提供光導開關導通光源條件，所述高壓單元與光導開關相連接，用於提供光導開關導通的高壓條件，所述光導開關根據所述的光源條件和高壓條件選擇性導通輸出高壓電脈衝信號。通過採用光電方法產生高功率超寬帶信號，將電路方法和光學方法的優點有效地結合起來，避免了各自的缺點。
文檔編號H03K3/42GK103219968SQ20131009163
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月21日 優先權日2013年3月21日
發明者高鵬, 袁斌, 郝仁軒, 汪澎, 汪相如 申請人:電子科技大學