專利名稱：基于雪崩晶體管的皮秒級(jí)高功率超寬帶窄脈沖信號(hào)發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雪崩晶體管的皮秒級(jí)高功率超寬帶窄脈沖信號(hào)發(fā)生器。
背景技術(shù)：
由于UWB沖激雷達(dá)(UWB impulse radar)在目標(biāo)探測(cè)、反隱身、電磁干擾等方面具有廣泛的應(yīng)用潛力，因此其日益成為雷達(dá)領(lǐng)域中的熱門(mén)方向。脈沖源技術(shù)則是脈沖雷達(dá)實(shí)現(xiàn)其功能的關(guān)鍵。超寬帶微波源以開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行分類，大體上可分為氣體開(kāi)關(guān)源(油開(kāi)關(guān)源)及固態(tài)開(kāi)關(guān)源。氣體開(kāi)關(guān)源和油開(kāi)關(guān)源的優(yōu)點(diǎn)在于擊穿電壓高，適合于制作麗、GW級(jí)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(hào)相干度較低。固態(tài)開(kāi)關(guān)源的優(yōu)點(diǎn)在于重頻高、頻率穩(wěn)定度高、波形一致性好，缺點(diǎn)是功率較低。固態(tài)開(kāi)關(guān)源包括光導(dǎo)開(kāi)關(guān)脈沖源和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)脈沖源，光導(dǎo)開(kāi)關(guān)脈沖源的主要特點(diǎn)是功率高，產(chǎn)生脈沖寬度可以達(dá)到PS量級(jí)，主要應(yīng)用在高功率超寬帶輻射中，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)脈沖源的特點(diǎn)是功率較低，但電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，體積小，能耗低，易于集成。窄脈沖產(chǎn)生電路的性能與所使用的高速器件有關(guān)，可以產(chǎn)生納秒、皮秒級(jí)窄脈沖的高速器件有隧道二極管、階躍恢復(fù)二極管、雪崩晶體管等器件。其中隧道二極管和階躍恢復(fù)二極管所產(chǎn)生的脈沖，上升時(shí)間可達(dá)幾十到幾百皮秒，但其幅度較小，一般為幾百毫伏的量級(jí)。而雪崩晶體管產(chǎn)生的脈沖，上升時(shí)間可以達(dá)I 2ns，輸出脈沖幅度可達(dá)幾百伏，但需要較高的電源電壓。因此，如何獲得皮秒級(jí)高功率超寬帶窄脈沖信號(hào)，是一個(gè)亟待解決的、并具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義的技術(shù)問(wèn)題。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于雪崩晶體管的皮秒級(jí)高功率超寬帶窄脈沖信號(hào)發(fā)生器，本實(shí)用新型能夠?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)提供一種高功率的高重頻的窄脈沖UWB信號(hào)源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且工作穩(wěn)定可靠。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案一種基于雪崩晶體管的皮秒級(jí)高功率超寬帶窄脈沖信號(hào)發(fā)生器，其包括如下組成部分偏置電壓Vcr,用于向信號(hào)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(hào)，并引發(fā)信號(hào)發(fā)生器中的各級(jí)雪崩三極管的雪崩效應(yīng)，所述觸發(fā)輸入端通過(guò)限流電阻Rl與Marx電路相連，所述限流電阻Rl還通過(guò)基極偏置電阻R2接地；Marx電路，所述Marx電路由依次級(jí)聯(lián)的起始雪崩單元和多級(jí)雪崩單元共同構(gòu)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(gòu)成，起始雪崩單元通過(guò)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(guò)限流電阻Rl與觸發(fā)輸入端相連，所述起始雪崩電容的遠(yuǎn)離起始集電極電阻的一端則與多級(jí)雪崩單元中第一級(jí)雪崩單元的雪崩三極管的基極相連；多級(jí)雪崩單元中的每一級(jí)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(gòu)成；任一級(jí)雪崩單元均通過(guò)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(jí)雪崩單元中的雪崩三極管的集電極相連，本級(jí)雪崩單元中的雪崩三極管的發(fā)射極通過(guò)發(fā)射極電阻接地，本級(jí)雪崩單元中的雪崩電容的遠(yuǎn)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(jí)雪崩單元的電容一方面通過(guò)負(fù)載電阻RL接地，另一方面接信號(hào)發(fā)生器的輸出端。同時(shí)本實(shí)用新型還可以通過(guò)以下方式得以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)優(yōu)選的，所述Marx電路中的雪崩單元級(jí)數(shù)為5 30級(jí)。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(jí)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(jí)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(jí)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(fù)載電阻RL阻值為50 Ω。本實(shí)用新型的有益效果如下I)、本實(shí)用新型充分利用了雪崩三極管的雪崩效應(yīng)產(chǎn)生窄脈沖，在雪崩導(dǎo)通瞬間，電流呈“雪崩”式迅速增長(zhǎng)，從而獲得具有陡峭前沿的波形，成形后得到極短脈沖；當(dāng)給雪崩三極管的集電結(jié)施加強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，集電結(jié)區(qū)的載流子即被強(qiáng)電場(chǎng)加速，當(dāng)加速載流子與晶格發(fā)生碰撞，即產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，這些新的電子-空穴對(duì)又被電場(chǎng)加速，并和晶格發(fā)生碰撞，再次產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，如此重復(fù)上述過(guò)程，流過(guò)集電結(jié)的電流便迅速增長(zhǎng)，從而形成晶體管的雪崩效應(yīng)；當(dāng)一次雪崩擊穿發(fā)生后，如果CB結(jié)反向偏壓繼續(xù)增大，由于雪崩效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致很大的電流發(fā)生二次擊穿，一旦二次擊穿發(fā)生，強(qiáng)大的集電極電流迅速改變集電結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)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(fù)輸出阻抗特性，如圖2所示，此時(shí)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(fù)阻特性，負(fù)阻區(qū)處于BV·與BVcm之間，當(dāng)電流再繼續(xù)加大時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)象，如圖3所示，當(dāng)負(fù)載線很陡時(shí)，如圖3中負(fù)載線II所示，它沒(méi)有與二次擊穿曲線相交，這時(shí)就不會(huì)獲得二次負(fù)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(fù)阻區(qū)加速作用，來(lái)達(dá)到產(chǎn)生極窄脈沖的目的；2)、本實(shí)用新型中采用Marx電路，Marx電路中設(shè)置有依次級(jí)聯(lián)的起始雪崩單元和多級(jí)雪崩單元，每一級(jí)雪崩單元中均設(shè)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(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是不需要極高的偏置電壓，無(wú)論采用級(jí)聯(lián)多少，都只需偏置單管電壓，在放電時(shí)雪崩電容相互串聯(lián)，減小了線路等效放電電容，使得每級(jí)可以采用相對(duì)較大的雪崩電容，并最終使得本信號(hào)發(fā)生器的輸出功率較大，電壓較聞;3)、本實(shí)用新型通過(guò)采用多級(jí)雪崩晶體管的Marx電路級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了脈沖幅度或脈沖功率的大幅提高。以14級(jí)雪崩晶體管的級(jí)聯(lián)為例，輸出脈沖幅度可達(dá)800V，輸出功率可達(dá)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(fù)頻率可達(dá)200kHz。本實(shí)用新型不僅實(shí)現(xiàn)了一種皮秒級(jí)的高功率窄脈沖源的研制，更大的現(xiàn)實(shí)意義在于提供了一種設(shè)計(jì)方式，通過(guò)更多級(jí)雪崩晶體管級(jí)聯(lián)的方案可實(shí)現(xiàn)更大功率的超寬帶窄脈沖信號(hào)源的研制，從而可滿足超寬帶雷達(dá)、超寬帶通信等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

圖I是本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)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(shí)施方式
如圖I所示，一種基于雪崩晶體管的皮秒級(jí)高功率超寬帶窄脈沖信號(hào)發(fā)生器，其包括如下組成部分偏置電壓Vcc,用于向信號(hào)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(hào)，并引發(fā)信號(hào)發(fā)生器中的各級(jí)雪崩三極管的雪崩效應(yīng)，所述觸發(fā)輸入端通過(guò)限制電阻Rl與Marx電路相連，所述限流電阻Rl還通過(guò)基極偏置電阻R2接地；Marx電路，所述Marx電路由依次級(jí)聯(lián)的起始雪崩單元Ntl和多級(jí)雪崩單元Ni(i彡I)共同構(gòu)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(gòu)成，起始雪崩單元Ntl通過(guò)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(guò)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(yuǎn)離起始集電極電阻R3的一端則與第一級(jí)雪崩單元N1的雪崩三極管V2的基極相連。如圖I所示，多級(jí)雪崩單元Ni (i彡I)中的每一級(jí)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(gòu)成；任一級(jí)雪崩單元均通過(guò)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(jí)雪崩單元中的雪崩電容相連，另一方面與本級(jí)雪崩單元中的雪崩三極管的集電極相連，本級(jí)雪崩單元中的雪崩三極管的發(fā)射極通過(guò)發(fā)射極電阻接地，所述本級(jí)雪崩單元中的雪崩電容的遠(yuǎn)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(jí)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(jí)雪崩單元的電容一方面通過(guò)負(fù)載電阻RL接地，另一方面接信號(hào)發(fā)生器的輸出端。以第一級(jí)雪崩單元N1為例，如圖I所示，第一級(jí)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(gòu)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(guò)發(fā)射極電阻R17接地，雪崩電容C2則與第二級(jí)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(jí)數(shù)為5 30級(jí)，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(jí)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(jí)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(jí)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(fù)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(dá)到400V，脈沖雪崩電流80A,導(dǎo)通時(shí)間小于200p,金屬管殼片式封裝。下面結(jié)合圖I對(duì)本實(shí)用新型的工作過(guò)程做進(jìn)一步說(shuō)明。圖I中信號(hào)發(fā)生器的Marx電路中的雪崩單元級(jí)數(shù)為14級(jí)，其中第一級(jí)雪崩單元N1至第十三級(jí)雪崩單元N13的結(jié)構(gòu)完全相同，圖I中的第四級(jí)雪崩單元N4至第十一級(jí)雪崩單元N11未繪出。如圖I所示，TTL電平的觸發(fā)脈沖信號(hào)送至信號(hào)發(fā)生器的觸發(fā)輸入端，通過(guò)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(gè)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(duì)地電勢(shì))，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(jìn)行。這種現(xiàn)象相當(dāng)于有一個(gè)雪崩加速的效果，而這將非常有利脈沖前沿的銳化，對(duì)于級(jí)聯(lián)產(chǎn)生高壓窄脈沖具有積極作用。各級(jí)雪崩三極管Vl V14全部雪崩后，由于雪崩電容Cl C14相當(dāng)于串聯(lián)，對(duì)負(fù)載電阻RL放電，從而形成脈沖。
權(quán)利要求1.一種基于雪崩晶體管的皮秒級(jí)高功率超寬帶窄脈沖信號(hào)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(hào)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(hào)，并引發(fā)信號(hào)發(fā)生器中的各級(jí)雪崩三極管的雪崩效應(yīng)，所述觸發(fā)輸入端通過(guò)限流電阻Rl與Marx電路相連，所述限流電阻Rl還通過(guò)基極偏置電阻R2接地； Marx電路,所述Marx電路由依次級(jí)聯(lián)的起始雪崩單元和多級(jí)雪崩單元共同構(gòu)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(gòu)成，起始雪崩單元通過(guò)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(guò)限流電阻Rl與觸發(fā)輸入端相連，所述起始雪崩電容的遠(yuǎn)離起始集電極電阻的一端則與多級(jí)雪崩單元中第一級(jí)雪崩單元的雪崩三極管的基極相連； 多級(jí)雪崩單元中的每一級(jí)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(gòu)成；任一級(jí)雪崩單元均通過(guò)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(jí)雪崩單元中的雪崩三極管的集電極相連，本級(jí)雪崩單元中的雪崩三極管的發(fā)射極通過(guò)發(fā)射極電阻接地，本級(jí)雪崩單元中的雪崩電容的遠(yuǎn)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(jí)雪崩單元的電容一方面通過(guò)負(fù)載電阻RL接地，另一方面接信號(hào)發(fā)生器的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雪崩晶體管的皮秒級(jí)高功率超寬帶窄脈沖信號(hào)發(fā)生器，其特征在于所述Marx電路中的雪崩單元級(jí)數(shù)為5 30級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于雪崩晶體管的皮秒級(jí)高功率超寬帶窄脈沖信號(hào)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(jí)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(jí)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(jí)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(fù)載電阻RL阻值為50 Ω。
專利摘要本實(shí)用新型屬于雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雪崩晶體管的皮秒級(jí)高功率超寬帶窄脈沖信號(hào)發(fā)生器。本信號(hào)發(fā)生器包括如下組成部分用于向信號(hào)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(hào)的觸發(fā)輸入端；本信號(hào)發(fā)生器還包括Marx電路，Marx電路中設(shè)置有依次級(jí)聯(lián)的起始雪崩單元和多級(jí)雪崩單元，任一級(jí)雪崩單元中均設(shè)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(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是不需要極高的偏置電壓，無(wú)論采用級(jí)聯(lián)多少，都只需偏置單管電壓，在放電時(shí)雪崩電容相互串聯(lián)，減小了線路等效放電電容，使得每級(jí)可以采用相對(duì)較大的雪崩電容，并最終實(shí)現(xiàn)了高功率超寬帶窄脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。
文檔編號(hào)H03K3/335GK202798619SQ20122048614
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者戴大富, 王志勇, 張麗君 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所