一種用于UWBTWSR的窄脈沖產(chǎn)生電路設計

1、一種用于UWB-TWSR的窄脈沖產(chǎn)生電路設計摘 要： TWSR（穿墻探測雷達）技術實現(xiàn)的關鍵之一是如何設計并產(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；分析并設計了一種基于RF-BJT雪崩特性的UWB窄脈沖產(chǎn)生電路，同時進行了仿真調(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(Through-the-wall Surveillance，簡稱TWS)技術是近年來發(fā)展的新技術，該技術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，可在較遠的地方探測到生命體的生命信號。目前己經(jīng)開發(fā)了利用人體靜電場、超低頻電磁能、雷達

4、生命特征信號監(jiān)測、超寬帶（UWB）雷達原理等多種穿墻探測技術。穿墻探測雷達(Through-the-wall Surveillance Radar，TWSR)是一種基于超寬帶雷達原理并利用TWS技術的新型沖激雷達。這種新型雷達系統(tǒng)可以廣泛的應用于行動。上世紀九十年代以后，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)、反恐斗爭和人質(zhì)救援多種實現(xiàn)穿墻探測的技術手段，并開發(fā)出多種實驗樣機，有些產(chǎn)品初步進入實用階段。在TWSR中起著關鍵作用的超寬帶信號不需要使用傳統(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脈寬的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級的帶寬。根據(jù)美國

5、聯(lián)邦通信委員會FCC的定義，超寬帶是指信號在功率譜密度為10dB處的相對帶寬大于25，或者絕對帶寬大于500MHz。UWB-TWDR的工作頻率主要由電磁波對墻壁的穿透性能決定，雷達的穿透性能和高分辨率成像是一對矛盾，通常偏重于對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的頻率適合對磚塊和混凝土構(gòu)筑的墻壁進行穿透探測，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，該信號經(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，又被目標反射的回波信號送到接收采樣電路，脈沖振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)過延時電路產(chǎn)生窄脈沖作為距離門對接收信號進行選擇，接收取樣輸出的信號經(jīng)過積分電路對接收信號進行積累，再經(jīng)過放大電路和帶通濾波電路將微弱的目標回波信號檢測出來，最后經(jīng)過A/D采集卡進行顯示和數(shù)字信號處理技術對穿墻探測雷達波門進行控制。在UWBTWSR系統(tǒng)中經(jīng)常采用超寬帶蝶型天線和加載對稱振子天線兩種；脈沖源是可調(diào)換的獨立模塊，可根據(jù)實際情況選擇；輸出信號可為單極性或雙極性高斯脈沖。其中可調(diào)延時電路控制TWSR的作用距離，波門產(chǎn)生的脈沖寬度決

7、定超寬帶雷達的空間分辨率。2 UWBTWSR窄脈沖產(chǎn)生電路的分析與設計2.1產(chǎn)生方案UWBTWSR技術實現(xiàn)的關鍵之一是如何設計并產(chǎn)生可以控制的UWB極窄脈沖。從國、內(nèi)外對UWB技術的研究來看，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、階躍恢復二極管、俘越二極管、雪崩三極管實現(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)生上升時間為幾十ps的高速脈沖，但是幅度較低，一般為毫伏級；階躍恢復二極管是利用它的快速反向恢復特點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，生成脈沖振幅可達幾十V到幾百V。在早期利

8、用雪崩效應的方案中，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，本文就是利用RF-BJT低電壓雪崩特性設計了需要的超寬帶脈沖信號。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，集電極與發(fā)射極之間對外電路呈現(xiàn)負阻特性，這就意味著器件內(nèi)部有著強烈的正反饋，負阻在動態(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)脈沖尚未到達時，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，工作點發(fā)生變化，由擊穿前的高阻區(qū)轉(zhuǎn)為擊穿后的負阻區(qū)，產(chǎn)生驟然增大的雪崩電流。此時，電容器C上儲存的電荷在該電流的作用下，通過晶體管向負載電阻RL放電，產(chǎn)生脈沖。C兩端電壓很快降低，當C的放電電流不足以維持雪崩效應時，由于基極輸入觸發(fā)脈沖的寬度比較寬，上升時間長，所以三極管進入飽和狀態(tài)。當輸入觸發(fā)脈沖結(jié)束以后，基極重新處于反偏，三極管進入截止狀態(tài)， Vcc通過限流電

10、阻RC和負載電阻RL向C充電，經(jīng)過大約(3 5)( RC+RL)×C的恢復時間，儲能電容C進入穩(wěn)態(tài)，兩端電壓近似為VCC，為下一次觸發(fā)作好準備?？梢钥闯?，由于三極管雪崩效應，儲能電容C的放電過程非常快，在負載電阻RL上形成一個很窄的負極性脈沖輸出。2.3 RF-BJT脈沖產(chǎn)生電路設計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、電容來完成電路設計。該電路主要有三部分構(gòu)成，即微分整形電路、開關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，能夠快速推動三極管進入雪崩狀態(tài)

11、，同時又不會形成過大的基極持續(xù)輸入電流而造成三極管損壞；開關電路由 RF-BJT和Rc組成，實際上是利用三極管工作在飽和區(qū)或是截止區(qū)起到開關作用；脈沖波形形成電路由儲能電容C2和負載電阻 RL構(gòu)成。 三極管導通前，電源電壓通過 RC給C2充電。當正脈沖到達時，使管子處于飽和區(qū)，即處于“開”的狀態(tài)，此時C2、RC與負載電阻RL構(gòu)成一個回路。由于RC>>RL，實際上C2通過負載電阻RL進行放電，形成了高斯脈沖。當負脈沖到達時，管子脫離飽和區(qū)進入截止區(qū)，即處于“關”的狀態(tài)，此時電源又給電容 C2進行充電。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（包括上升時間或下

12、降時間）和脈沖的重復頻率f。要想獲得一定重復頻率，幅值和寬度的脈沖信號，應綜合考慮并正確選取電路中對這些主要參數(shù)起決定性作用的元器件。一般而言，在選擇雪崩三極管時，要注意幾點：三極管應具有較高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)對于電路的穩(wěn)定性，確保輸出脈沖的寬度和幅度指標有重要影響。同時，還應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，晶體管的功率損耗P應當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

13、越強，上升時間越短，而其下降時間取決于時間常數(shù)RLC2。而輸出脈寬主要是由儲能電容C2和負載RL決定，故電容C2的選擇很關鍵。C2太大，脈沖太寬；C2太小，則儲存的能量有限，使得輸出脈沖的幅度偏低；要保證觸發(fā)脈沖來到時，C2已充電完畢，電源電壓經(jīng)RC對C的充電時間常數(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，本文對該電路中元器件進行估值并通過Multisim仿真且反復調(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，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、電容完成電路設計并進行仿真實現(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。當激勵信號的重復周期在510MHZ變化時，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（TWS），且電路簡單。參考文獻 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