一種用于UWBTWSR的窄脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

1、一種用于UWB-TWSR的窄脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)摘 要： TWSR（穿墻探測(cè)雷達(dá)）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一是如何設(shè)計(jì)并產(chǎn)生可以控制的UWB窄脈沖。本文介紹了TWSR基本概念及工作原理，討論了幾種UWB中常用窄脈沖產(chǎn)生方法的特點(diǎn)；分析并設(shè)計(jì)了一種基于RF-BJT雪崩特性的UWB窄脈沖產(chǎn)生電路，同時(shí)進(jìn)行了仿真調(diào)試，獲得了峰值電壓為-10.1V， 寬度為654.8ps的單極性UWB窄脈沖。關(guān)鍵詞： TWSR；超寬帶（UWB）； RF-BJT；窄脈沖Design of Impulse Generator in UWB-TWSR Abstract: The key of TWSR (Through-the-wal

2、l Surveillance Radar) technology lies in how to generate the fast rise-time and short-duration pulse. This paper introduces the basic conception and the principle of TWSR and then analyses the characteristics of several pulse generators. Based on the avalanche characteristic of RF-BJT, UWB short-dur

3、ation pulse is designed and simulated with satisfying results of -10. 1V amplitude and pulse width of 654. 8ps. Keywords: TWSR; UWB; RF-BJT; short-duration pulse引言穿墻生命探測(cè)(Through-the-wall Surveillance，簡(jiǎn)稱TWS)技術(shù)是近年來發(fā)展的新技術(shù)，該技術(shù)可以穿透非金屬介質(zhì)(磚墻、廢墟等)，不需要任何電極或傳感器接觸生命體，可在較遠(yuǎn)的地方探測(cè)到生命體的生命信號(hào)。目前己經(jīng)開發(fā)了利用人體靜電場(chǎng)、超低頻電磁能、雷達(dá)

4、生命特征信號(hào)監(jiān)測(cè)、超寬帶（UWB）雷達(dá)原理等多種穿墻探測(cè)技術(shù)。穿墻探測(cè)雷達(dá)(Through-the-wall Surveillance Radar，TWSR)是一種基于超寬帶雷達(dá)原理并利用TWS技術(shù)的新型沖激雷達(dá)。這種新型雷達(dá)系統(tǒng)可以廣泛的應(yīng)用于行動(dòng)。上世紀(jì)九十年代以后，TWSR的研究才開始興起。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)研究了大規(guī)模城區(qū)巷戰(zhàn)、反恐斗爭(zhēng)和人質(zhì)救援多種實(shí)現(xiàn)穿墻探測(cè)的技術(shù)手段，并開發(fā)出多種實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，有些產(chǎn)品初步進(jìn)入實(shí)用階段。在TWSR中起著關(guān)鍵作用的超寬帶信號(hào)不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或亞納秒級(jí)脈寬的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級(jí)的帶寬。根據(jù)美國(guó)

5、聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC的定義，超寬帶是指信號(hào)在功率譜密度為10dB處的相對(duì)帶寬大于25，或者絕對(duì)帶寬大于500MHz。UWB-TWDR的工作頻率主要由電磁波對(duì)墻壁的穿透性能決定，雷達(dá)的穿透性能和高分辨率成像是一對(duì)矛盾，通常偏重于對(duì)墻壁的穿透性能而選擇低頻工作頻段。研究表明：在低頻段，在110GHz范圍的電磁波在穿過混凝土墻壁時(shí)衰減很小，并且隨著頻率的降低，衰減也在減少。因此，低于10GHz的頻率適合對(duì)磚塊和混凝土構(gòu)筑的墻壁進(jìn)行穿透探測(cè)，而在此范圍內(nèi)頻率越低穿透性能越好。1 TWSR系統(tǒng)工作原理TWSR系統(tǒng)主要由發(fā)射、接收和天線三部分組成，如圖1所示。由脈沖振蕩器產(chǎn)生脈沖圖1 TWSR系統(tǒng)工作原理

6、框圖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過脈沖整形、快脈沖成形電路產(chǎn)生極窄脈沖，并通過寬帶天線發(fā)射出去，經(jīng)墻壁折射后，又被目標(biāo)反射的回波信號(hào)送到接收采樣電路，脈沖振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過延時(shí)電路產(chǎn)生窄脈沖作為距離門對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行選擇，接收取樣輸出的信號(hào)經(jīng)過積分電路對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行積累，再經(jīng)過放大電路和帶通濾波電路將微弱的目標(biāo)回波信號(hào)檢測(cè)出來，最后經(jīng)過A/D采集卡進(jìn)行顯示和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)穿墻探測(cè)雷達(dá)波門進(jìn)行控制。在UWBTWSR系統(tǒng)中經(jīng)常采用超寬帶蝶型天線和加載對(duì)稱振子天線兩種；脈沖源是可調(diào)換的獨(dú)立模塊，可根據(jù)實(shí)際情況選擇；輸出信號(hào)可為單極性或雙極性高斯脈沖。其中可調(diào)延時(shí)電路控制TWSR的作用距離，波門產(chǎn)生的脈沖寬度決

7、定超寬帶雷達(dá)的空間分辨率。2 UWBTWSR窄脈沖產(chǎn)生電路的分析與設(shè)計(jì)2.1產(chǎn)生方案UWBTWSR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一是如何設(shè)計(jì)并產(chǎn)生可以控制的UWB極窄脈沖。從國(guó)、內(nèi)外對(duì)UWB技術(shù)的研究來看，目前已有的極窄脈沖的產(chǎn)生方法主要是通過隧道二極管、階躍恢復(fù)二極管、俘越二極管、雪崩三極管實(shí)現(xiàn)。隧道二極管是利用其特殊的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隧道電流，可以產(chǎn)生上升時(shí)間為幾十ps的高速脈沖，但是幅度較低，一般為毫伏級(jí)；階躍恢復(fù)二極管是利用它的快速反向恢復(fù)特點(diǎn)來改善輸入脈沖的邊沿，可以生成幅度為幾V到十幾V，寬度為幾百ps的脈沖；俘越二極管和雪崩三極管是利用晶體管的雪崩擊穿特性，生成脈沖振幅可達(dá)幾十V到幾百V。在早期利

8、用雪崩效應(yīng)的方案中，由于器件的限制，需要在二極管或三極管上加上幾V到幾百V的高壓。目前，隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，射頻三極管RF-BJT可以在低工作電壓下產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，本文就是利用RF-BJT低電壓雪崩特性設(shè)計(jì)了需要的超寬帶脈沖信號(hào)。2.2 RF-BJT脈沖產(chǎn)生電路原理晶體管輸出特性可分為四個(gè)區(qū)域：飽和、線性、截止與雪崩區(qū)。晶體管工作在雪崩區(qū)時(shí)，集電極與發(fā)射極之間對(duì)外電路呈現(xiàn)負(fù)阻特性，這就意味著器件內(nèi)部有著強(qiáng)烈的正反饋，負(fù)阻在動(dòng)態(tài)形式下可以存貯與釋放能量，這就是晶體管雪崩區(qū)運(yùn)用產(chǎn)生極窄脈沖的基本原因。典型的雪崩三極管管脈沖產(chǎn)生電路如圖2所示，觸發(fā)脈沖尚未到達(dá)時(shí)，晶體管截止， 處圖2 典型雪崩三極管

9、管脈沖產(chǎn)生電路于反向偏置，直流電源經(jīng)過大阻值限流電阻RC加到三極管的集電極。電容C上充電得到的電壓VC約等于電源電壓VCC。觸發(fā)脈沖到來之后， 隨著正極性觸發(fā)脈沖的上升沿輸入，基極反向偏置電流減小，基極電流的增加使得雪崩管迅速被擊穿，工作點(diǎn)發(fā)生變化，由擊穿前的高阻區(qū)轉(zhuǎn)為擊穿后的負(fù)阻區(qū)，產(chǎn)生驟然增大的雪崩電流。此時(shí)，電容器C上儲(chǔ)存的電荷在該電流的作用下，通過晶體管向負(fù)載電阻RL放電，產(chǎn)生脈沖。C兩端電壓很快降低，當(dāng)C的放電電流不足以維持雪崩效應(yīng)時(shí)，由于基極輸入觸發(fā)脈沖的寬度比較寬，上升時(shí)間長(zhǎng)，所以三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)輸入觸發(fā)脈沖結(jié)束以后，基極重新處于反偏，三極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)， Vcc通過限流電

10、阻RC和負(fù)載電阻RL向C充電，經(jīng)過大約(3 5)( RC+RL)×C的恢復(fù)時(shí)間，儲(chǔ)能電容C進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，兩端電壓近似為VCC，為下一次觸發(fā)作好準(zhǔn)備?？梢钥闯?，由于三極管雪崩效應(yīng)，儲(chǔ)能電容C的放電過程非?？?，在負(fù)載電阻RL上形成一個(gè)很窄的負(fù)極性脈沖輸出。2.3 RF-BJT脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)與仿真本文用射頻三極管RF-BJT來構(gòu)成脈沖發(fā)生器的核心器件，并輔以電阻、電容來完成電路設(shè)計(jì)。該電路主要有三部分構(gòu)成，即微分整形電路、開關(guān)電路和窄脈沖波形形成電路，如圖3所示。圖3 RF-BJT脈沖產(chǎn)生電路微分整形電路由C1和Rb構(gòu)成，其作用是盡量使觸發(fā)脈沖的上升沿盡量陡峭，能夠快速推動(dòng)三極管進(jìn)入雪崩狀態(tài)

11、，同時(shí)又不會(huì)形成過大的基極持續(xù)輸入電流而造成三極管損壞；開關(guān)電路由 RF-BJT和Rc組成，實(shí)際上是利用三極管工作在飽和區(qū)或是截止區(qū)起到開關(guān)作用；脈沖波形形成電路由儲(chǔ)能電容C2和負(fù)載電阻 RL構(gòu)成。 三極管導(dǎo)通前，電源電壓通過 RC給C2充電。當(dāng)正脈沖到達(dá)時(shí)，使管子處于飽和區(qū)，即處于“開”的狀態(tài)，此時(shí)C2、RC與負(fù)載電阻RL構(gòu)成一個(gè)回路。由于RC>>RL，實(shí)際上C2通過負(fù)載電阻RL進(jìn)行放電，形成了高斯脈沖。當(dāng)負(fù)脈沖到達(dá)時(shí)，管子脫離飽和區(qū)進(jìn)入截止區(qū)，即處于“關(guān)”的狀態(tài)，此時(shí)電源又給電容 C2進(jìn)行充電。衡量超寬帶脈沖性能的主要參數(shù)是：脈沖的峰值幅度Vo、脈沖的寬度tW（包括上升時(shí)間或下

12、降時(shí)間）和脈沖的重復(fù)頻率f。要想獲得一定重復(fù)頻率，幅值和寬度的脈沖信號(hào)，應(yīng)綜合考慮并正確選取電路中對(duì)這些主要參數(shù)起決定性作用的元器件。一般而言，在選擇雪崩三極管時(shí)，要注意幾點(diǎn)：三極管應(yīng)具有較高BVCEO和較寬的雪崩區(qū)；較高的放大倍數(shù)和特征頻率；較低的飽和壓降。這些參數(shù)對(duì)于電路的穩(wěn)定性，確保輸出脈沖的寬度和幅度指標(biāo)有重要影響。同時(shí)，還應(yīng)考慮晶體管的功率損耗，在脈沖作用下，晶體管的功率損耗可表示為 （1）式中C2為儲(chǔ)能電容，Vo為輸出脈沖幅度， f為電路的工作頻率。電路工作時(shí)，晶體管的功率損耗P應(yīng)當(dāng)小于晶體管的功率損耗容限Pmax，這樣才不至于損害晶體管，使得電路穩(wěn)定工作。一般情況下，雪崩倍增效應(yīng)

13、越強(qiáng)，上升時(shí)間越短，而其下降時(shí)間取決于時(shí)間常數(shù)RLC2。而輸出脈寬主要是由儲(chǔ)能電容C2和負(fù)載RL決定，故電容C2的選擇很關(guān)鍵。C2太大，脈沖太寬；C2太小，則儲(chǔ)存的能量有限，使得輸出脈沖的幅度偏低；要保證觸發(fā)脈沖來到時(shí)，C2已充電完畢，電源電壓經(jīng)RC對(duì)C的充電時(shí)間常數(shù)必須小于觸發(fā)脈沖的周期T?？梢愿鶕?jù)： （2） （3）來估算電容和電阻的值。根據(jù)前面的分析，本文對(duì)該電路中元器件進(jìn)行估值并通過Multisim仿真且反復(fù)調(diào)試，最終獲得了峰值電壓為-10.1V， 寬度為654. 8 ps的單極性脈沖，如圖4所示。電路的輸入觸發(fā)脈沖采用幅值為5V，頻率為10MHZ的方波激勵(lì)，電源電壓VCC為12 V ，

14、RC為1k；C1為100pF；C2為5pF；RB為100，RL為50；Q采用RF-BJT三極管BFP420。3 結(jié)論 本文采用RF-BJT并輔助以電阻、電容完成電路設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生了峰值電壓為-10.1V，寬度為654.8ps的超短、快速前沿的單極性UWB脈沖。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的重復(fù)周期在510MHZ變化時(shí)，仿真結(jié)果表明：輸出窄脈沖的峰值和寬度基本保持不變。這說明該電路能穩(wěn)定可靠地工作，而從理論上分析，該脈沖比較適合穿墻生命探測(cè)（TWS），且電路簡(jiǎn)單。參考文獻(xiàn) 1 David. D. Ferris. Jr, Nicholas, C. Currie, A Survey of Current Technologies for Through-The-Wall Surveillance (TWS),Part of the SPIE Conference on Sensors,C3I,Information,and Training Technologies for Law Enforcement, Boston. Massachusetts, SPICE Vo1:3577, 1998:6272 2 Allen Hunt, Chris Tillery and Norbert Wild, Through-the-Wall Surveillance Te