一種超寬脈沖發生器的設計

摘要：超寬帶UWB是一種利用納秒級窄脈沖發送信息的技術。重點討論了一種采用級聯雪崩晶體管結構UWB極窄脈沖發生器,并對其電路及雪崩晶體管的工作原理進行了具體分析。實驗獲得的UWB輸出脈沖寬度約為1.22ns,上升時間約為863ps。

關鍵詞：UWB（Ultra Wideband） 超寬帶 雪崩晶體管 脈沖發生器

目前,UWB技術已經成為國際無線通信技術研究的新熱點,日益受到重視和關注。2002年2月14日,美國FCC（聯邦通信委員會）首次批準了UWB產品的民用銷售和使用。

UWB即超寬帶,它是一種利用納秒級極窄脈沖發送信息的技術,其信號相對帶寬即信號帶寬與中心頻率之比大于25%。一個典型的中心頻率為2GHz（即寬度為500ps）的UWB脈沖信號的時域波形及其頻譜圖分別如圖1所示。

一般通信技術都是把信號從基帶調制到載波上,而UWB則是通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調制,從而具有GHz量級的帶寬。UWB具有發射信號功率譜密度低（數十mW范圍）、難以截獲、抗多徑、低成本、極好的穿透障礙物能力等優點,尤其適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入和通信、雷達、定位、汽車防撞、液面感應和高度測量應用。

UWB信息調制方式需結合UWB傳播特性和脈沖產生方法綜合考慮,通常可采用脈沖位置調制（Pulse Position Modulation）和正反極性調制（Antipodal Modulation）,這里采用PPM調制。

從本質上看,UWB無線技術是發射和接收超短電磁能量脈沖的技術,它采用極窄脈沖直接激勵天線。因此,極窄脈沖的產生就顯得尤為重要。目前,UWB極窄脈沖的產生方法主通過雪崩三極管、隧道二極管或階躍恢復二極管實現。其中隧道二極管和階躍恢復二極管所產生的脈沖,上升時間可以達幾十至幾百皮秒,但其幅度較小,一般為毫伏級。采用了利用雪崩三極管的雪崩效應的方案,同時采用雪崩三極管級聯結構來產生極窄脈沖,最后得到輸出脈沖上升時間約為863ps,幅度約為1.2V。

1 雪崩效應理論

當NPN型晶體管的集電極電壓很高時,收集結空間電荷區內電場強度比放大低壓運用時大得多。進入收集結的載流子被強電場加速,從而獲得很大能量,它們與晶格碰撞時產生了新的電子-空穴時,新產生的電子、空穴又分別被強電場加速而重復上述過程。于是流過收集結的電流便“雪崩”式迅速增長,這就是晶體管的雪崩倍增效應。

晶體管在雪崩區的運用具有如下主要特點：

（1）電流增益增大到正常運用時的M倍,其中M為雪崩倍增因子。