一种平衡输出皮秒级脉冲源的设计与应用

陈淅澄,任 强,李少龙

(中国电波传播研究所，山东 青岛 266107)

0 引 言

超宽带探地雷达是一种利用超宽带电磁脉冲进行地下浅层目标探测的技术，近年来，超宽带探地雷达作为一项无损探测新技术，在工程检测领域得到了广泛应用。脉冲源是探地雷达系统的关键组成部分之一，脉冲源的性能对系统的探测性能起着至关重要的作用，不仅影响探地雷达的探测深度，也影响地下目标探测的分辨率[1-4]。

超宽带脉冲源的原理是将各种高速器件等效成开关，利用储能元件充放电得到持续时间很短的脉冲信号。超宽带脉冲源的核心是快速开关，目前可以采用的高速器件主要有隧道二极管、阶跃恢复二极管、雪崩三极管、漂移阶跃恢复二极管等。这些器件产生的脉冲各有特点，隧道二极管可以产生上升时间几十皮秒的脉冲，但是抖动大、幅度低、一般是毫伏级。阶跃恢复二极管是利用它的快速恢复特性来改善输入脉冲的边沿，可以产生幅度几十伏、宽度几百皮秒的脉冲。雪崩三极管是利用它的雪崩击穿特性，可以产生幅度几十伏到上千伏、宽度几纳秒的脉冲。漂移阶跃恢复二极管可以产生达上千伏的高压皮秒脉冲，但是现在的市场上还没有商用的器件销售广泛应用。

近年来，有多种脉冲发生电路被提出，其中，利用阶跃恢复二极管、场效应管、肖特基二极管以及短路微带线组成脉冲发生电路，产生的脉冲的振铃很小；利用D触发器以及短路微带线组成的脉冲发生电路，脉冲幅度较小且脉冲拖尾较大。文献[5]提出利用微波三极管的开关特性和阶跃二极管的阶跃特性以及电容的充放电过程产生高斯脉冲信号，该电路通过调节充放电容值可得到3 V～8 V的幅度可调的皮秒级高斯脉冲，脉冲振铃很小。通过调节充放电电容值可得到3 V～8 V的幅度可调的皮秒级高斯脉冲。

本文针对超宽带探地雷达对发射电路的需求，设计了用雪崩三极管产生平衡输出的纳秒级脉冲信号，再经阶跃恢复二极管整形电路整形后产生正、负对称的皮秒级脉冲信号的电路，提高了产生的皮秒级脉冲的幅度。输出的脉冲幅度为±26 V，脉冲宽度小于260 ps,重复频率可达200 kHz。

1 平衡输出皮秒级脉冲源设计

平衡输出皮秒级脉冲源电路主要由平衡输出雪崩三极管电路、阶跃恢复二极管整形电路两部分组成，如图1所示。

图1 平衡输出皮秒级脉冲源电路组成

1.1 平衡输出雪崩三极管电路

雪崩三极管是兼具快速响应和很大的脉冲能力的一种开关器件，很早就被用作放电开关产生窄脉冲信号[5-7]。

图2所示是典型的雪崩三极管电路，Q1是雪崩三极管，Rc是限流电阻，C是储能电容，Cb是触发耦合电容。高压电源通过电阻Rc给电容C充电，电路处于临界雪崩状态，触发脉冲经电容Cb触发雪崩三极管发生雪崩导通，电容C存储的电荷通过雪崩三极管和负载电阻RL迅速放电，从而产生负极性快速脉冲信号。

图2 典型的雪崩三极管电路

为了产生正、负对称的纳秒级脉冲信号，在图2电路基础上设计了图3所示的平衡输出雪崩三极管电路。Q1是雪崩三极管，型号为2N2222，T1是脉冲变压器，R3是限流电阻，C3是储能电容，R7、R8是负载电阻。高压电源通过电感L1、电阻R2、R3给储能电容C3充电，电路处于临界雪崩状态，触发脉冲经电容C1、脉冲变压器T1触发雪崩三极管Q1发生雪崩导通，C3上存储的电荷通过雪崩三极管Q1、耦合电容C4和电阻R4、R5、R7、R8迅速放电，在输出端产生正、负对称的纳秒级脉冲信号。

图3 平衡输出雪崩三极管电路

1.2 阶跃恢复二极管整形电路

阶跃恢复二极管又称作电荷储存二极管，简称阶跃二极管。利用阶跃二极管由导通恢复到截止时的电流突变可以产生皮秒级窄脉冲输出。阶跃二极管与普通PN结二极管的结构稍有不同，采用了P+NN+结构，其中N层的载流子浓度很低。阶跃二极管正偏时，二极管PN结导通，并在两边存储大量电荷，当电压迅速转为反向时，阶跃二极管不会马上截止，直到存储的电荷消耗完时，反向电流迅速减小，由导通状态迅速进入截止状态，形成陡峭的阶跃信号[5-6]。

图4所示是阶跃二极管的阶跃特性分析暂态波形，ui为加在阶跃二极管D及串联电阻RL的电压，其电压波形见图4(b)。图4(c)为流经阶跃二极管的电流变化波形。图4(d)为阶跃二极管PN结电压变化波形。ts是阶跃二极管的存贮时间，tt是阶跃二极管的阶跃恢复时间,trr是阶跃二极管的反向恢复时间。ts较大，tt很小，是阶跃二极管的典型特征。利用阶跃二极管的反向恢复出现的阶跃特性可以将较慢的脉冲信号整形为边沿较快的脉冲信号。

图4 阶跃二极管的阶跃恢复特性

本文根据阶跃二极管的阶跃恢复特性，设计了图5所示的阶跃二极管整形电路。此电路的特点是可以同时对输入的正、负极性纳秒级脉冲信号整形，产生的正、负极性皮秒级脉冲信号宽度可以调整。阶跃二极管型号为2J5J，它的阶跃时间为150 ps,少数载流子寿命为30 ns,结电容为1.1 pF,击穿电压为30 V。

图5 阶跃二极管整形电路

阶跃二极管D1、D2对输入的纳秒级负脉冲信号整形，调整电位器RP1、RP2可以调整阶跃二极管D1、D2的偏置电流，从而调整输出的皮秒级负脉冲的宽度；阶跃二极管D3、D4对输入的纳秒级正脉冲信号整形，调整电位器RP3、RP4可以调整阶跃二极管D3、D4的偏置电流，从而调整输出的皮秒级正脉冲的宽度。

2 电路测试结果与实验

2.1 电路测试结果

图6所示为脉冲源电路测试系统示意图。测量仪器使用Agilent的DSO9404A示波器，示波器的带宽为4 GHz。衰减器型号为BW-S20W2+，频率范围0 GHz～18 GHz，衰减值20 dB。脉冲源电路产生的正、负极性的脉冲信号经衰减器衰减为1/10后分别送入示波器的通道1和通道2。

图6 脉冲测试系统示意图

雪崩三极管电路产生的纳秒级脉冲信号波形如图7所示，正脉冲幅度为39.9 V，宽度为3.9 ns; 负脉冲幅度为-37.8 V，宽度为3.9 ns。

图7 雪崩三极管电路输出波形

经阶跃二极管整形电路整形后产生的皮秒级脉冲信号测量结果如图8、9所示，脉冲幅度为±26.5 V，宽度为253 ps。正、负脉冲波形基本对称，拖尾震荡较小。脉冲信号-10 dB带宽为2 GHz，正、负脉冲频谱基本一致。

图8 脉冲源电路输出脉冲波形

图9 脉冲源电路输出脉冲频谱图

2.2 平衡输出皮秒级脉冲源应用实验

将设计的平衡输出皮秒级脉冲源、天线以及主机组成了中心频率为1.5 GHz的探测系统，探测目标是一种比较难于探测的72式塑料壳防步兵地雷,地雷直径为7.8 cm,厚度为4.0 cm，埋深2 cm。探测时探地雷达时窗为5 ns，天线距离地面5 cm。

探地雷达接收信号根据扫描方向可以表示为三种形式，A-Scan、B-Scan和C-Scan。实验采用的数据采集方式如图10所示，其中xy面表示探测表面，z轴表示深度。每个A-Scan波形包含512个采样点，每个B-Scan包含50个A-Scan波形，每个C-Scan包含30个B-Scan。相邻两个A-Scan相距1 cm，相邻两个B-Scan也相距1 cm。

图10 探地雷达数据采集方式

实验数据经处理后二维剖面图如图11、12所示，图中可清晰分辨出地雷，可显示出地雷的轮廓，分辨率比较高，取得了较好的探测效果。

图11 地雷目标沿深度方向剖面图

图12 地雷目标沿水平方向剖面图

3 结 语

本文分析了平衡输出皮秒脉冲电路的原理，制作了实际电路,并进行了测试。该电路产生的皮秒脉冲对称性好、频带宽、脉冲宽度可调、与对称输入超宽带天线匹配良好。由于其在浅层地下目标探测中探测分辨率高、探测深度深，探测效果良好，已在超宽带探地雷达发射机中得到应用。