王蕾++馮谞浩++孟慶鶴

摘 要

探地雷達(dá)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)是探地雷達(dá)設(shè)計(jì)的核心一環(huán)。如何設(shè)計(jì)高幅度、快前沿的脈沖已成為世界關(guān)注的問題。本脈沖源通過整形電路對(duì)輸入波形進(jìn)行整形后，利用專用雪崩三極管進(jìn)行雪崩，產(chǎn)生出對(duì)稱的雙極性脈沖，然后用雙階躍恢復(fù)二極管（SRD）進(jìn)行階躍以得到高幅度窄脈沖信號(hào)，從而既提高了幅度也加快了脈沖前沿，模擬及實(shí)際測試結(jié)果表明該脈沖發(fā)生器能夠滿足設(shè)計(jì)要求。該脈沖發(fā)生器現(xiàn)已應(yīng)用于探地雷達(dá)產(chǎn)品中，取得了非常理想的探測效果。

【關(guān)鍵詞】探地雷達(dá) 脈沖發(fā)生器 雪崩三極管 階躍恢復(fù)二極管 高幅度 窄脈沖

1 引言

探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)成為一種地球物理界普遍采用的無損檢測方法。該方法是脈沖源經(jīng)寬帶天線向地下發(fā)射高幅度窄脈沖電磁波，脈沖信號(hào)經(jīng)地下目標(biāo)反射后由接收機(jī)時(shí)域取樣技術(shù)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)處理，形成檢測區(qū)域的地下目標(biāo)波形圖。

由于探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波具有超寬帶特性，使其具有很強(qiáng)的穿透性和很高的距離分辨率。因此，脈沖源是探地雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部件之一。衡量脈沖源性能的優(yōu)劣主要是幅度和脈寬2個(gè)指標(biāo)，一般來說，前沿越快，系統(tǒng)分辨率越高，越能夠分辨出小的目標(biāo)；幅度越大，探測深度越深。因此，產(chǎn)生前沿快、幅度大且波形良好穩(wěn)定的脈沖是探地雷達(dá)設(shè)計(jì)的重要問題之一。

本脈沖源設(shè)計(jì)的主要目的是產(chǎn)生幅度大于30V，前沿小于200ps的脈沖。

目前常用的產(chǎn)生高壓的電子器件主要有2類：

（1）電真空器件，以二次電子發(fā)射管、放電間隙開關(guān)、觸發(fā)管等為代表；

（2）固體器件，以雪崩三極管、高壓MOSFET管、高頻BJT晶體管為代表。

由于電真空器件體積龐大，可靠性較低，抖動(dòng)較大等缺點(diǎn)嚴(yán)重限制其應(yīng)用范圍。而高壓MOSFET管和高頻BJT晶體管等產(chǎn)生的脈沖幅度偏小。實(shí)際上，目前主要采用雪崩技術(shù)產(chǎn)生大幅度脈沖，可以用于雪崩的三極管很多，本文采用的是專用的雪崩三極管，其產(chǎn)生脈沖的幅度較高，速度較快，然后利用雙階躍恢復(fù)二極管加快前沿，使其能夠?qū)崿F(xiàn)高幅度窄脈沖的設(shè)計(jì)研制。通過電路的設(shè)計(jì)更改和調(diào)試，最終得到36V，155ps的脈沖。

2 雪崩晶體三極管的基本脈沖電路

利用雪崩晶體三極管進(jìn)行雪崩的技術(shù)已比較成熟，其雪崩效應(yīng)原理再次不做贅述。利用雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖幅度略低于供電電壓，脈沖寬度從微秒到納秒量級(jí)，有的甚至達(dá)到幾十皮秒。

圖1是雪崩管脈沖形成電路原理圖。三極管集電極電壓EC對(duì)雪崩電容C充電，當(dāng)輸入觸發(fā)脈沖時(shí)，三極管雪崩擊穿，致使雪崩電容C上儲(chǔ)存的電荷通過負(fù)載電阻RL快速放電，從而在負(fù)載RL的輸出端得到一個(gè)高幅度的快速窄脈沖。雪崩結(jié)束后，電源EC再次向電容C充電，如此往復(fù)。

本文利用雪崩三極管的這個(gè)特性從三極管的集電極和射級(jí)分別輸出正、負(fù)脈沖，然后分別進(jìn)行處理得到理想輸出波形。

3 階躍恢復(fù)二極管的工作原理

階躍恢復(fù)二極管（以下簡稱SRD）的階躍原理已被熟知，在此也不做贅述。

根據(jù)SRD制作高速脈沖的原理，設(shè)計(jì)階躍管脈沖發(fā)生電路如圖2所示。圖中，D1為SRD，C1、C2為隔離電容，RW為限流電阻，RL為負(fù)載。當(dāng)輸入端送入特定的信號(hào)后，經(jīng)SRD導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換后，輸出信號(hào)的上升時(shí)間約等于SRD的轉(zhuǎn)變時(shí)間tt，而SRD自身的轉(zhuǎn)變時(shí)間tt很短，從50ps到300ps不等。

4 脈沖源電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，電路設(shè)計(jì)主要分為脈沖整形電路、雪崩電路和階躍電路三個(gè)部分。

從信號(hào)輸入到Q101雪崩三極管前的電路組成脈沖整形電路。其對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行放大、整形后形成適合于雪崩的脈沖波形，該部分對(duì)輸入脈沖形狀要求非常低，無論輸入脈沖是單脈沖、TTL方波還是ECL方波，此整形電路均可將輸入信號(hào)整形成理想輸入雪崩波形。該整形電路對(duì)輸入脈沖的幅度和前沿的要求也很低，幅度可以從幾百mV到幾V變化，前沿從幾納秒到上百納秒甚至微秒級(jí)的輸入脈沖均可實(shí)現(xiàn)脈沖整形。

雪崩電路主要是根據(jù)電路需求選擇合適的雪崩晶體管Q101。根據(jù)雪崩晶體管的特性要求，一般情況下可以選取具有較高的BVCBO、較寬的雪崩區(qū)寬度、較大的β值、較高的特征頻率fT和較低的飽和壓降的三極管來實(shí)現(xiàn)脈沖形成電路。本文選用的是ZETEX公司的ZTX415專用雪崩三極管。其VCBO和VCEO分別為260V和100V，特征頻率40MHz，飽和壓降均小于1V，完全可以滿足本電路設(shè)計(jì)的需求。需要注意的是：該雪崩管的集電極需要端接高于260V的高壓直流電，以保證該雪崩管正常工作。

階躍電路部分由單電源供電，經(jīng)過階躍限流調(diào)節(jié)電阻送給階躍恢復(fù)二極管，保證階躍恢復(fù)二極管的正常工作。本文選用的階躍恢復(fù)二極管是ASI公司的ASRD808。該二極管的擊穿電壓為25V，轉(zhuǎn)變時(shí)間為90ps，載流子壽命為30ns。由于階躍恢復(fù)二極管的擊穿電壓低于雪崩出來的脈沖幅度，為防止擊穿和增加階躍后的脈沖幅度，將兩個(gè)階躍恢復(fù)二極管串接到電路中以實(shí)現(xiàn)輸出高幅度脈沖的目的。需要指出的是，由于SRD本身的特性，階躍出來的脈沖前沿較快，但是后沿卻比較慢，因此，需要在RL1和RL2之前加一段短路線進(jìn)行削波處理，以得到快速窄脈沖信號(hào)。短路線的反射系數(shù)為-1，它意味著輸入脈沖經(jīng)過短路線后會(huì)變成反向脈沖，此反向脈沖與原脈沖疊加形成新的加速后沿的脈沖，從而形成快速窄脈沖。短路線的長度決定了反射脈沖的延遲時(shí)間，通過調(diào)節(jié)短路線的長度能夠得到不同寬度的脈沖。事實(shí)上，也可以在電路中串聯(lián)一只快速的肖特基二極管甚至是快速恢復(fù)二極管作為削波二極管，作用與削波線相同，只是該二極管正常工作亦需要搭建外圍電路，相對(duì)比較麻煩，且成本較高。本文采用的是削波線處理方法。

由于雪崩三極管的集電極和發(fā)射極得到的是正負(fù)雙極性脈沖，其幅度相同，極性相反，經(jīng)后續(xù)電路處理后，輸出的便是所需要的高幅度、雙極性窄脈沖信號(hào)，最后經(jīng)發(fā)射機(jī)蝶型天線發(fā)射出去。

由于輸出的信號(hào)是高速脈沖信號(hào)，其脈沖的質(zhì)量除了與合理的電路參數(shù)設(shè)計(jì)、雪崩三極管和階躍恢復(fù)二極管的選擇有關(guān)，還與電路的制作工藝結(jié)構(gòu)（印刷線路板的介質(zhì)材料、元器件布局、布線走向和屏蔽）有著密切的關(guān)系。為此，采取以下措施保證設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)：

（1） 印制電路板材料選擇：選取介電常數(shù)好的聚四氟乙烯板材。

（2）印制電路布線：脈沖走向采用高頻電路布線技術(shù)，使雙極性脈沖的元器件對(duì)稱擺放，布線對(duì)稱走向；通過大面積接地線覆銅鍍銀及雙層板地線多點(diǎn)漏孔連接消除接地電感影響，正確接地。

（3）屏蔽：探地雷達(dá)收發(fā)機(jī)采用屏蔽盒體消除外部干擾信號(hào)影響。

5 測試結(jié)果

在ADS2008仿真軟件中選擇合適的參數(shù)，得到該電路可以輸出38V，脈沖前沿140ps的高幅度雙極性窄脈沖。實(shí)際電路測量用的是Agilent DSO90404A示波器，該示波器帶寬為4GHz，最高采樣速率達(dá)20GHz/s，由于其測試電壓最高值為5V，故在測試輸入時(shí)用一個(gè)20dB衰減器進(jìn)行幅度限制，測試結(jié)果如圖4，其脈沖幅度可以達(dá)到36V，前沿155ps?？梢钥吹?，電路實(shí)際輸出脈沖與仿真結(jié)果基本吻合。

將該脈沖發(fā)生器用于高頻探地雷達(dá)系統(tǒng)，得到的金屬板回波波形如圖5所示。圖5上圖為包含有直達(dá)波和金屬板反射波的雷達(dá)波形，下圖為該金屬板反射波的峰峰間隔及其峰峰值。從圖中可以看出，該脈沖發(fā)生器可以發(fā)出高幅度雙極性窄脈沖，在雷達(dá)系統(tǒng)中起到既檢測深目標(biāo)又提高分辨率的作用。目前，該脈沖源已應(yīng)用于探地雷達(dá)實(shí)際探測中，探測效果非常理想。

6 結(jié)束語

文中利用雪崩三極管能夠產(chǎn)生高幅度脈沖和利用階躍恢復(fù)二極管可以加速前沿的技術(shù)，結(jié)合沖擊脈沖探地雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用要求，提出了一種新的利用兩個(gè)階躍恢復(fù)二極管串聯(lián)得到高幅度窄脈沖的設(shè)計(jì)方法。本脈沖源較普通脈沖源幅度大、前沿快、對(duì)稱性好，可以高質(zhì)量輸出高頻窄帶高功率脈沖，既能夠保證分辨率又可以提高探測深度，應(yīng)用于探地雷達(dá)系統(tǒng)中具有極大的發(fā)展?jié)摿?。目前，探地雷達(dá)的實(shí)際探測效果理想，成功探測了地下目標(biāo)，是一款具有極其廣闊發(fā)展前景的脈沖源。

參考文獻(xiàn)

[1]王幫耀，劉曉云.應(yīng)用于超寬帶穿墻雷達(dá)的極窄脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（19）：7-9.

[2]Wei Ren，Huaping Wang，Richard Liu.High Power Variable Nanosecond Differential Pulses Generator Design for GPR System.IEEE2009.

[3]Ahmed Abbas H.Ameri，Günter Kompa， Axel Bangert.Balanced Pulse Generator for UWB Radar Application. Proceedings of the 8th European Radar Conference，12-14 October 2011，Manchester，UK.pp：198-201.

[4]袁雪林，張洪德等.基于雪崩三極管的高重頻高穩(wěn)定度脈沖源研究[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2010，3（30）：64-68.

[5]郭玉萍，倪原，李智等.非接觸生命探測雷達(dá)中的脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].生命科學(xué)儀器，2008（06）：57-60.

[6]朱習(xí)松，黃方，蘇憲法.基于階躍恢復(fù)二極管 SRD 的高速脈沖發(fā)生[J].測試測量技術(shù)，2010（04）：1-3.

[7]程方，唐宗熙.一種用于UWB系統(tǒng)的高斯脈沖發(fā)生[J].電訊技術(shù)，2007，8（47）：159-161.

[8]GOU Yongsheng，LIU Baiyu，BAI Yonglin，OUYANG Xian，ZHANG Wei，LI Yan and XUE Yingdong.A Technology to Generate Fast Edge Pulses Using Step Recovery D iode[J].Chinese Journal of Electronics，2010（02）：378-380.

[9]吳亞銘，師奕兵，付在明.一種脈沖快速沿整形電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2008（11）：80-85.

[10]吳建斌，田茂.一種超寬帶窄脈沖信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2007（06）：198-200.

[11]劉文生，李錦林.取樣技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1981.

作者簡介

王蕾（1982-），男，山東省威海市人。工學(xué)碩士學(xué)位?，F(xiàn)為中國電波傳播研究所工程師，主要研究探地雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)。

馮谞浩，男，湖北省襄樊市人。工學(xué)碩士學(xué)位?，F(xiàn)為工業(yè)和信息化部電子第五研究所工程師，主要從事電子產(chǎn)品的安全、性能及環(huán)境適應(yīng)性檢測工作。

孟慶鶴，男，山東省菏澤市人。工學(xué)碩士學(xué)位?，F(xiàn)為中國電波傳播研究所助理工程師，主要探究探地雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)。

作者單位

1.中國電波傳播研究所 山東省青島市 266107

2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所 廣東省廣州市 510610