專利名稱：基于雪崩晶體管的皮秒級高功率超寬帶窄脈沖信號發(fā)生器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于雷達發(fā)射機技術領域，具體涉及一種基于雪崩晶體管的皮秒級高功率超寬帶窄脈沖信號發(fā)生器。
背景技術：
由于UWB沖激雷達(UWB impulse radar)在目標探測、反隱身、電磁干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。脈沖源技術則是脈沖雷達實現(xiàn)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(tài)開關源。氣體開關源和油開關源的優(yōu)點在于擊穿電壓高，適合于制作麗、GW級高功率脈沖源，其不足之處在于其重頻較低、重頻穩(wěn)定度差、脈沖波形一致性差、脈沖輸出信號相干度較低。固態(tài)開關源的優(yōu)點在于重頻高、頻率穩(wěn)定度高、波形一致性好，缺點是功率較低。固態(tài)開關源包括光導開關脈沖源和半導體開關脈沖源，光導開關脈沖源的主要特點是功率高，產生脈沖寬度可以達到PS量級，主要應用在高功率超寬帶輻射中，半導體開關脈沖源的特點是功率較低，但電路實現(xiàn)簡單，體積小，能耗低，易于集成。窄脈沖產生電路的性能與所使用的高速器件有關，可以產生納秒、皮秒級窄脈沖的高速器件有隧道二極管、階躍恢復二極管、雪崩晶體管等器件。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。而雪崩晶體管產生的脈沖，上升時間可以達I 2ns，輸出脈沖幅度可達幾百伏，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沖信號，是一個亟待解決的、并具有十分重要的現(xiàn)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于雪崩晶體管的皮秒級高功率超寬帶窄脈沖信號發(fā)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沖UWB信號源，結構簡單且工作穩(wěn)定可靠。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用了以下技術方案一種基于雪崩晶體管的皮秒級高功率超寬帶窄脈沖信號發(fā)生器，其包括如下組成部分偏置電壓Vcr,用于向信號發(fā)生器供電；觸發(fā)輸入端，用于輸入TTL電平的觸發(fā)信號，并引發(fā)信號發(fā)生器中的各級雪崩三極管的雪崩效應，所述觸發(fā)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(lián)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、起始雪崩三極管構成，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管的集電極相連，起始雪崩三極管的發(fā)射極接地，起始雪崩三極管的基極通過限流電阻Rl與觸發(fā)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管的基極相連；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、雪崩三極管和發(fā)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管的集電極相連，本級雪崩單元中的雪崩三極管的發(fā)射極通過發(fā)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管的基極相連；最后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(fā)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(xiàn)優(yōu)選的，所述Marx電路中的雪崩單元級數(shù)為5 30級。優(yōu)選的，所述限流電阻Rl和基極偏置電阻R2均采用功率為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采用功率為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采用額定電壓為500 V、電容為51 P f的片式射頻電容；多級雪崩單元中的發(fā)射極電阻均采用功率為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管的雪崩效應產生窄脈沖，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，成形后得到極短脈沖；當給雪崩三極管的集電結施加強電場時，集電結區(qū)的載流子即被強電場加速，當加速載流子與晶格發(fā)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，并和晶格發(fā)生碰撞，再次產生新的電子-空穴對，如此重復上述過程，流過集電結的電流便迅速增長，從而形成晶體管的雪崩效應；當一次雪崩擊穿發(fā)生后，如果CB結反向偏壓繼續(xù)增大，由于雪崩效應，會導致很大的電流發(fā)生二次擊穿，一旦二次擊穿發(fā)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(xù)上升，晶體管呈現(xiàn)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；雪崩三極管在雪崩區(qū)形成負阻特性，負阻區(qū)處于BV·與BVcm之間，當電流再繼續(xù)加大時，則會出現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)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(qū)的加速，超寬帶窄脈沖發(fā)生器利用雪崩三極管的二次負阻區(qū)加速作用，來達到產生極窄脈沖的目的；2)、本實用新型中采用Marx電路，Marx電路中設置有依次級聯(lián)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管和雪崩電容，雪崩單元中的雪崩電容采用并聯(lián)充電、串聯(lián)放電的結構。這種結構的特點是不需要極高的偏置電壓，無論采用級聯(lián)多少，都只需偏置單管電壓，在放電時雪崩電容相互串聯(lián)，減小了線路等效放電電容，使得每級可以采用相對較大的雪崩電容，并最終使得本信號發(fā)生器的輸出功率較大，電壓較聞;3)、本實用新型通過采用多級雪崩晶體管的Marx電路級聯(lián)，實現(xiàn)了脈沖幅度或脈沖功率的大幅提高。以14級雪崩晶體管的級聯(lián)為例，輸出脈沖幅度可達800V，輸出功率可達12. 8k W，脈沖前沿小于200ps，脈沖寬度(50%)窄至600ps，全底寬1ns，脈沖重復頻率可達200kHz。本實用新型不僅實現(xiàn)了一種皮秒級的高功率窄脈沖源的研制，更大的現(xiàn)實意義在于提供了一種設計方式，通過更多級雪崩晶體管級聯(lián)的方案可實現(xiàn)更大功率的超寬帶窄脈沖信號源的研制，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是雪崩三極管I-V特性曲線圖。圖3是雪崩三極管雪崩工作曲線圖?！?b>具體實施方式
如圖I所示，一種基于雪崩晶體管的皮秒級高功率超寬帶窄脈沖信號發(fā)生器，其包括如下組成部分偏置電壓Vcc,用于向信號發(fā)生器供電；觸發(fā)輸入端，用于輸入TTL電平的觸發(fā)信號，并引發(fā)信號發(fā)生器中的各級雪崩三極管的雪崩效應，所述觸發(fā)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(lián)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、起始雪崩三極管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管Vl的集電極相連，起始雪崩三極管Vl的發(fā)射極接地，起始雪崩三極管Vl的基極通過限流電阻Rl與觸發(fā)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的雪崩三極管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、雪崩三極管和發(fā)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管的集電極相連，本級雪崩單元中的雪崩三極管的發(fā)射極通過發(fā)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管的基極相連；第一級雪崩單元中的雪崩三極管的基極與起始雪崩電容Cl的一端相連，最后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(fā)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、雪崩三極管V2和發(fā)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管V2的集電極和雪崩電容C2分別相連，雪崩三極管V2的發(fā)射極通過發(fā)射極電阻R17接地，雪崩電容C2則與第二級雪崩單元N2中的雪崩三極管V3的基極相連。[0032]優(yōu)選的，所述Marx電路中的雪崩單元級數(shù)為5 30級，也即Marx電路中的雪崩三極管的數(shù)量為5 30之間比較適宜。優(yōu)選的，如圖I所示，所述限流電阻Rl和基極偏置電阻R2均采用功率為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均采用功率為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均采用額定電壓為500 V、電容為51P f的片式射頻電容；多級雪崩單元中的發(fā)射極電阻R17 R29均采用功率為20W、阻值為2k Ω的片式射頻電阻；負載電阻RL 阻值為50 Ω。雪崩晶體管Vl V14采用超快速高壓雪崩三極管K417 :器件耐壓可達到400V，脈沖雪崩電流80A,導通時間小于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(fā)生器的Marx電路中的雪崩單元級數(shù)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(fā)脈沖信號送至信號發(fā)生器的觸發(fā)輸入端，通過限流電阻Rl送至起始雪崩三極管Vl的基極，觸發(fā)脈沖加入前，各個雪崩三極管截止，但已處于臨界雪崩狀態(tài)。各雪崩電容Cl C14均充有直流偏置電源電壓V。。。觸發(fā)脈沖加入后，首先引起起始雪崩三極管Vl雪崩擊穿，于是起始雪崩電容Cl左端電位等于地電位，起始雪崩電容Cl右端電位即約等于-Vcc (均指對地電勢)，雪崩三極管V2的C-E兩端有大約2VCC的瞬間電壓，引起雪崩三極管V2雪崩擊穿；以此類推，雪崩三極管V3 V14依次雪崩擊穿。而且雪崩三極管V2 V14的雪崩也并不一定將按順序進行。這種現(xiàn)象相當于有一個雪崩加速的效果，而這將非常有利脈沖前沿的銳化，對于級聯(lián)產生高壓窄脈沖具有積極作用。各級雪崩三極管Vl V14全部雪崩后，由于雪崩電容Cl C14相當于串聯(lián)，對負載電阻RL放電，從而形成脈沖。
權利要求1.一種基于雪崩晶體管的皮秒級高功率超寬帶窄脈沖信號發(fā)生器，其特征在于包括如下組成部分 偏置電壓Vrc，用于向信號發(fā)生器供電； 觸發(fā)輸入端，用于輸入TTL電平的觸發(fā)信號，并引發(fā)信號發(fā)生器中的各級雪崩三極管的雪崩效應，所述觸發(fā)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(lián)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、起始雪崩三極管構成，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管的集電極相連，起始雪崩三極管的發(fā)射極接地，起始雪崩三極管的基極通過限流電阻Rl與觸發(fā)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管的基極相連； 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、雪崩三極管和發(fā)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管的集電極相連，本級雪崩單元中的雪崩三極管的發(fā)射極通過發(fā)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管的基極相連；最后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(fā)生器的輸出端。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于雪崩晶體管的皮秒級高功率超寬帶窄脈沖信號發(fā)生器，其特征在于所述Marx電路中的雪崩單元級數(shù)為5 30級。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的基于雪崩晶體管的皮秒級高功率超寬帶窄脈沖信號發(fā)生器，其特征在于所述限流電阻Rl和基極偏置電阻R2均采用功率為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采用功率為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采用額定電壓為500 V、電容為51 P f的片式射頻電容；多級雪崩單元中的發(fā)射極電阻均采用功率為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于雷達發(fā)射機技術領域，具體涉及一種基于雪崩晶體管的皮秒級高功率超寬帶窄脈沖信號發(fā)生器。本信號發(fā)生器包括如下組成部分用于向信號發(fā)生器供電的偏置電壓VCC；用于輸入TTL電平的觸發(fā)信號的觸發(fā)輸入端；本信號發(fā)生器還包括Marx電路，Marx電路中設置有依次級聯(lián)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管和雪崩電容。雪崩單元中的雪崩電容采用并聯(lián)充電、串聯(lián)放電的結構。這種結構的特點是不需要極高的偏置電壓，無論采用級聯(lián)多少，都只需偏置單管電壓，在放電時雪崩電容相互串聯(lián)，減小了線路等效放電電容，使得每級可以采用相對較大的雪崩電容，并最終實現(xiàn)了高功率超寬帶窄脈沖信號的產生。
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(yōu)先權日2012年9月24日
發(fā)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