一种用于UWBTWSR的窄脉冲产生电路设计

1、一种用于UWB-TWSR的窄脉冲产生电路设计摘 要： TWSR（穿墙探测雷达）技术实现的关键之一是如何设计并产生可以控制的UWB窄脉冲。本文介绍了TWSR基本概念及工作原理，讨论了几种UWB中常用窄脉冲产生方法的特点；分析并设计了一种基于RF-BJT雪崩特性的UWB窄脉冲产生电路，同时进行了仿真调试，获得了峰值电压为-10.1V， 宽度为654.8ps的单极性UWB窄脉冲。关键词： TWSR；超宽带（UWB）； RF-BJT；窄脉冲Design of Impulse Generator in UWB-TWSR Abstract: The key of TWSR (Through-the-wal

2、l Surveillance Radar) technology lies in how to generate the fast rise-time and short-duration pulse. This paper introduces the basic conception and the principle of TWSR and then analyses the characteristics of several pulse generators. Based on the avalanche characteristic of RF-BJT, UWB short-dur

3、ation pulse is designed and simulated with satisfying results of -10. 1V amplitude and pulse width of 654. 8ps. Keywords: TWSR; UWB; RF-BJT; short-duration pulse引言穿墙生命探测(Through-the-wall Surveillance，简称TWS)技术是近年来发展的新技术，该技术可以穿透非金属介质(砖墙、废墟等)，不需要任何电极或传感器接触生命体，可在较远的地方探测到生命体的生命信号。目前己经开发了利用人体静电场、超低频电磁能、雷达

4、生命特征信号监测、超宽带（UWB）雷达原理等多种穿墙探测技术。穿墙探测雷达(Through-the-wall Surveillance Radar，TWSR)是一种基于超宽带雷达原理并利用TWS技术的新型冲激雷达。这种新型雷达系统可以广泛的应用于行动。上世纪九十年代以后，TWSR的研究才开始兴起。经过十几年的发展，已经研究了大规模城区巷战、反恐斗争和人质救援多种实现穿墙探测的技术手段，并开发出多种实验样机，有些产品初步进入实用阶段。在TWSR中起着关键作用的超宽带信号不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或亚纳秒级脉宽的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。根据美国

5、联邦通信委员会FCC的定义，超宽带是指信号在功率谱密度为10dB处的相对带宽大于25，或者绝对带宽大于500MHz。UWB-TWDR的工作频率主要由电磁波对墙壁的穿透性能决定，雷达的穿透性能和高分辨率成像是一对矛盾，通常偏重于对墙壁的穿透性能而选择低频工作频段。研究表明：在低频段，在110GHz范围的电磁波在穿过混凝土墙壁时衰减很小，并且随着频率的降低，衰减也在减少。因此，低于10GHz的频率适合对砖块和混凝土构筑的墙壁进行穿透探测，而在此范围内频率越低穿透性能越好。1 TWSR系统工作原理TWSR系统主要由发射、接收和天线三部分组成，如图1所示。由脉冲振荡器产生脉冲图1 TWSR系统工作原理

6、框图信号，该信号经过脉冲整形、快脉冲成形电路产生极窄脉冲，并通过宽带天线发射出去，经墙壁折射后，又被目标反射的回波信号送到接收采样电路，脉冲振荡器产生的信号经过延时电路产生窄脉冲作为距离门对接收信号进行选择，接收取样输出的信号经过积分电路对接收信号进行积累，再经过放大电路和带通滤波电路将微弱的目标回波信号检测出来，最后经过A/D采集卡进行显示和数字信号处理技术对穿墙探测雷达波门进行控制。在UWBTWSR系统中经常采用超宽带蝶型天线和加载对称振子天线两种；脉冲源是可调换的独立模块，可根据实际情况选择；输出信号可为单极性或双极性高斯脉冲。其中可调延时电路控制TWSR的作用距离，波门产生的脉冲宽度决

7、定超宽带雷达的空间分辨率。2 UWBTWSR窄脉冲产生电路的分析与设计2.1产生方案UWBTWSR技术实现的关键之一是如何设计并产生可以控制的UWB极窄脉冲。从国、内外对UWB技术的研究来看，目前已有的极窄脉冲的产生方法主要是通过隧道二极管、阶跃恢复二极管、俘越二极管、雪崩三极管实现。隧道二极管是利用其特殊的能带结构产生隧道电流，可以产生上升时间为几十ps的高速脉冲，但是幅度较低，一般为毫伏级；阶跃恢复二极管是利用它的快速反向恢复特点来改善输入脉冲的边沿，可以生成幅度为几V到十几V，宽度为几百ps的脉冲；俘越二极管和雪崩三极管是利用晶体管的雪崩击穿特性，生成脉冲振幅可达几十V到几百V。在早期利

8、用雪崩效应的方案中，由于器件的限制，需要在二极管或三极管上加上几V到几百V的高压。目前，随着半导体工艺的发展，射频三极管RF-BJT可以在低工作电压下产生雪崩效应，本文就是利用RF-BJT低电压雪崩特性设计了需要的超宽带脉冲信号。2.2 RF-BJT脉冲产生电路原理晶体管输出特性可分为四个区域：饱和、线性、截止与雪崩区。晶体管工作在雪崩区时，集电极与发射极之间对外电路呈现负阻特性，这就意味着器件内部有着强烈的正反馈，负阻在动态形式下可以存贮与释放能量，这就是晶体管雪崩区运用产生极窄脉冲的基本原因。典型的雪崩三极管管脉冲产生电路如图2所示，触发脉冲尚未到达时，晶体管截止， 处图2 典型雪崩三极管

9、管脉冲产生电路于反向偏置，直流电源经过大阻值限流电阻RC加到三极管的集电极。电容C上充电得到的电压VC约等于电源电压VCC。触发脉冲到来之后， 随着正极性触发脉冲的上升沿输入，基极反向偏置电流减小，基极电流的增加使得雪崩管迅速被击穿，工作点发生变化，由击穿前的高阻区转为击穿后的负阻区，产生骤然增大的雪崩电流。此时，电容器C上储存的电荷在该电流的作用下，通过晶体管向负载电阻RL放电，产生脉冲。C两端电压很快降低，当C的放电电流不足以维持雪崩效应时，由于基极输入触发脉冲的宽度比较宽，上升时间长，所以三极管进入饱和状态。当输入触发脉冲结束以后，基极重新处于反偏，三极管进入截止状态， Vcc通过限流电

10、阻RC和负载电阻RL向C充电，经过大约(3 5)( RC+RL)×C的恢复时间，储能电容C进入稳态，两端电压近似为VCC，为下一次触发作好准备。可以看出，由于三极管雪崩效应，储能电容C的放电过程非常快，在负载电阻RL上形成一个很窄的负极性脉冲输出。2.3 RF-BJT脉冲产生电路设计与仿真本文用射频三极管RF-BJT来构成脉冲发生器的核心器件，并辅以电阻、电容来完成电路设计。该电路主要有三部分构成，即微分整形电路、开关电路和窄脉冲波形形成电路，如图3所示。图3 RF-BJT脉冲产生电路微分整形电路由C1和Rb构成，其作用是尽量使触发脉冲的上升沿尽量陡峭，能够快速推动三极管进入雪崩状态

11、，同时又不会形成过大的基极持续输入电流而造成三极管损坏；开关电路由 RF-BJT和Rc组成，实际上是利用三极管工作在饱和区或是截止区起到开关作用；脉冲波形形成电路由储能电容C2和负载电阻 RL构成。 三极管导通前，电源电压通过 RC给C2充电。当正脉冲到达时，使管子处于饱和区，即处于“开”的状态，此时C2、RC与负载电阻RL构成一个回路。由于RC>>RL，实际上C2通过负载电阻RL进行放电，形成了高斯脉冲。当负脉冲到达时，管子脱离饱和区进入截止区，即处于“关”的状态，此时电源又给电容 C2进行充电。衡量超宽带脉冲性能的主要参数是：脉冲的峰值幅度Vo、脉冲的宽度tW（包括上升时间或下

12、降时间）和脉冲的重复频率f。要想获得一定重复频率，幅值和宽度的脉冲信号，应综合考虑并正确选取电路中对这些主要参数起决定性作用的元器件。一般而言，在选择雪崩三极管时，要注意几点：三极管应具有较高BVCEO和较宽的雪崩区；较高的放大倍数和特征频率；较低的饱和压降。这些参数对于电路的稳定性，确保输出脉冲的宽度和幅度指标有重要影响。同时，还应考虑晶体管的功率损耗，在脉冲作用下，晶体管的功率损耗可表示为 （1）式中C2为储能电容，Vo为输出脉冲幅度， f为电路的工作频率。电路工作时，晶体管的功率损耗P应当小于晶体管的功率损耗容限Pmax，这样才不至于损害晶体管，使得电路稳定工作。一般情况下，雪崩倍增效应

13、越强，上升时间越短，而其下降时间取决于时间常数RLC2。而输出脉宽主要是由储能电容C2和负载RL决定，故电容C2的选择很关键。C2太大，脉冲太宽；C2太小，则储存的能量有限，使得输出脉冲的幅度偏低；要保证触发脉冲来到时，C2已充电完毕，电源电压经RC对C的充电时间常数必须小于触发脉冲的周期T。可以根据： （2） （3）来估算电容和电阻的值。根据前面的分析，本文对该电路中元器件进行估值并通过Multisim仿真且反复调试，最终获得了峰值电压为-10.1V， 宽度为654. 8 ps的单极性脉冲，如图4所示。电路的输入触发脉冲采用幅值为5V，频率为10MHZ的方波激励，电源电压VCC为12 V ，

14、RC为1k；C1为100pF；C2为5pF；RB为100，RL为50；Q采用RF-BJT三极管BFP420。3 结论 本文采用RF-BJT并辅助以电阻、电容完成电路设计并进行仿真实现，产生了峰值电压为-10.1V，宽度为654.8ps的超短、快速前沿的单极性UWB脉冲。当激励信号的重复周期在510MHZ变化时，仿真结果表明：输出窄脉冲的峰值和宽度基本保持不变。这说明该电路能稳定可靠地工作，而从理论上分析，该脉冲比较适合穿墙生命探测（TWS），且电路简单。参考文献 1 David. D. Ferris. Jr, Nicholas, C. Currie, A Survey of Current Technologies for Through-The-Wall Surveillance (TWS),Part of the SPIE Conference on Sensors,C3I,Information,and Training Technologies for Law Enforcement, Boston. Massachusetts, SPICE Vo1:3577, 1998:6272 2 Allen Hunt, Chris Tillery and Norbert Wild, Through-the-Wall Surveillance Te