第二章 UWB信号源产生

1、授课教师：授课教师： 杨宏春杨宏春第第 2 章章 UWB信号的产生信号的产生2.1 UWB信号的定义信号的定义 (1) 1990年美国军方定义年美国军方定义相对带宽相对带宽(Fractional Bandwidth)不小于不小于25%的任何波形。的任何波形。 25. 0)(2 clhlhlhwfffffffB (2.1.1) Bw 表示信号相对带宽；表示信号相对带宽；fh 表示信号高频端频率；表示信号高频端频率；fl 表示信号低频端频率；表示信号低频端频率；fc 表示信号中心频率表示信号中心频率 (2) FCC定义定义 最大电平的最大电平的-10 dB带宽不小于带宽不小于500 MHz； 最大

2、电平的最大电平的-20 dB带宽需在带宽需在 3.1-10.6 GHz范围内；范围内； 最大电平允许的功率密度应不大于最大电平允许的功率密度应不大于-41.3 dBm/MHz。 其它地区定义其它地区定义 新加坡新加坡UWB友好社区最大功率谱密度友好社区最大功率谱密度-35.3 dBm/MHz； 欧洲，最大功率谱密度为欧洲，最大功率谱密度为-61.3 dBm/MHz 讨论讨论 UWB信号是从带宽角度定义的，可以由多种方式实现信号是从带宽角度定义的，可以由多种方式实现 冲激无线电冲激无线电(IR，Impulse Radio)或脉冲无线电或脉冲无线电(Pulse Radio) 信号幅度的衰减倍数信号

3、幅度的衰减倍数 baxxlog20dB(2.1.2) 信号功率衰减倍数信号功率衰减倍数 bapplog10dB(2.1.3) 310log10dBmp(2.1.4) 例例2.1.1 计算计算UWB信号满足信号满足FCC规范的最大辐射功率规范的最大辐射功率 解：解：如如UWB信号在频带范围内都以最大功率谱密度辐射，则信号在频带范围内都以最大功率谱密度辐射，则 对应了对应了UWB信号所允许携带的最大能量信号所允许携带的最大能量 -41.3 dBm对应的功率谱密度为对应的功率谱密度为 610/3 .413max101010 p(dBm/Hz) 用上式替换平均功率定义中的用上式替换平均功率定义中的F2

4、(f)可得可得 55. 210d01log106106 .10101 . 341.3/10-EIRP99 fp(dBm) 换算为以换算为以 W 为单位，即为单位，即 0.556 mW 2.2 典型的典型的UWB信号信号理想的理想的UWB脉冲波形脉冲波形 0d)( ttf(2.2.1) 2.2.1 各阶高斯脉冲信号各阶高斯脉冲信号 用用Ui(t)、Ti分别表示第分别表示第“i”阶高斯脉冲的时域波形函数及脉宽阶高斯脉冲的时域波形函数及脉宽 24424424240423323230332222202222112102/111200200010210)exp()4123(31)(626)exp()23

5、(263exp639)(6)exp(21)(2)exp(2)(2ln4)exp()(TtttUtUTtttUtUTtUttUTttUetUTtUtU (2.2.2)如果以高斯脉冲的半峰值脉宽如果以高斯脉冲的半峰值脉宽T0为标准，则为标准，则U0i(t)和和T0i可写为可写为 000424220040003220030002202020001202/101020002ln210210)exp()4123(31)(2ln263)exp()23(263exp639)(2ln26)exp()21()(2ln2)exp(2)(2ln2)exp()(TTtttUtUTTtttUtUTTtUttUTTttU

6、etUTtUtU (2.2.3)Ui(t)和和U0i(t) 的脉冲波形如图的脉冲波形如图对对2.2.2式式作傅里叶频谱分析作傅里叶频谱分析 4442424204333232/330322222202111212101020010544exp64)(63922 , 1 , 0,2)12(iexp4exp661)(624exp4)(22 , 1 , 0,2)12(iexp4exp2)(4exp)(TeUFTkkeUFTeUFTkkeUFUF (2.2.4)对对2.2.3式式作傅里叶频谱分析作傅里叶频谱分析 0042422004003232/30030022200200122100120002ln2

7、44exp64)(2ln622 , 1 , 0,2)12(iexp4exp661)(2ln44exp4)(2ln222 , 1 , 0,2)12(iexp4exp2)(4exp)(TeUFTkkeUFTeUFTkkeUFUF (2.2.5)傅里叶频谱图傅里叶频谱图 用用Bhi表示半峰值功率谱带宽，用表示半峰值功率谱带宽，用Bei表示表示e-1倍峰值功率谱带宽倍峰值功率谱带宽 4444443333332222221111110000/44. 7/63. 3/09. 7/91. 3/68. 3/6 . 1/49. 3/75. 1/52. 7/69. 2/06. 7/02. 3/55. 3/8 .

8、0/27. 3/96. 0/ )2ln(220/ )2ln(220TTBTTBTTBTTBTTBTTBTTBTTBTBTBeheheheheh，(2.2.6)用用B0hi表示半峰值功率谱带宽，用表示半峰值功率谱带宽，用B0ei表示表示e-1倍峰值功率谱带宽倍峰值功率谱带宽 004000400030003000200020001000100000002ln25.602ln36.142ln7 .542ln66.162ln26.492ln33. 92ln2 .442ln15.112ln72. 72ln83. 42ln25.332ln09. 62ln17.252ln27. 12ln42.212ln86

9、. 12ln2202ln220TTBTTBTTBTTBTTBTTBTTBTTBTBTBeheheheheh，(2.2.7)对应于对应于2.2.6式的式的Bhi和和Bei 对应于对应于2.2.7式的式的B0hi和和B0ei 2.2.2 高斯上升沿、指数下降沿函数高斯上升沿、指数下降沿函数 高斯上升沿、指数下降沿时域波形函数可写为高斯上升沿、指数下降沿时域波形函数可写为 )(H)exp()(H)exp()(2tttttf (2.2.8)阶跃函数阶跃函数H(t)被定义为被定义为 0001)(Httt(2.2.9)高斯上升沿、指数下降沿的半峰值脉宽分别为高斯上升沿、指数下降沿的半峰值脉宽分别为Tg、T

10、e，时域脉，时域脉冲脉宽为冲脉宽为Tge，则，则 2ln2ln eggeTTT(2.2.10)令令 2ln12ln2ln (2.2.11)对对2.2.8式作傅里叶变换，可得对应的幅度谱函数为式作傅里叶变换，可得对应的幅度谱函数为 2221)4exp(222)( F(2.2.12)将将1.2.11式代入式代入1.2.12式可得式可得 222ln2)4exp(22ln2ln22)( F(2.2.13)用用2.2.2式中的式中的 0定义式替换定义式替换2.2.13式中的式中的 ，可得，可得 22202020200ln2)(4)2ln16exp(2ln42ln22ln4)( TTTTTF(2.2.14

11、)随着随着 值增大，时域脉冲幅度谱的高频成分下降；但与高斯脉冲值增大，时域脉冲幅度谱的高频成分下降；但与高斯脉冲相比，高频成分丰度更大相比，高频成分丰度更大 2.2.3 对称双极脉冲对称双极脉冲 对称脉冲波形函数为对称脉冲波形函数为 nnnnttAtf20)(exp)( (2.2.15)对对2.2.15式作傅里叶变换，可得其幅度谱为式作傅里叶变换，可得其幅度谱为 nnnnntAF)iexp()4exp(2)(02 (2.2.16)A 对称双极脉冲波形特征对称双极脉冲波形特征 对称双极脉冲时域波形函数为对称双极脉冲时域波形函数为 220020)(exp)exp()(ttttf (2.2.17)极

12、值条件极值条件 22002020)(exp)()exp(tttttt (2.2.18)对称双极脉冲的峰对称双极脉冲的峰-峰值脉宽峰值脉宽Ts为为 12012022ttttTs (2.2.19)为求解为求解ti与与t20关系的关系的2.2.20式，令式，令 令令2012ttt (2.2.20)02 tt (2.2.21)将将2.2.21式代入式代入2.2.3式中的第二式可得式中的第二式可得 )1(21exp)(2001ttUtU(2.2.22)在在2.2.22式中，令式中，令 )1(21exp)(210101ttUtU (2.2.23)联立求解联立求解2.2.21式与式与2.2.20式，就可以得

13、到双极脉冲脉宽、幅值式，就可以得到双极脉冲脉宽、幅值分别和分别和T0、U0的解析关系的解析关系 B 对称双极脉冲频谱特征对称双极脉冲频谱特征 由由2.2.16式式 )iexp(1)4exp(2)(0020nntAF (2.2.24)利用欧拉公式修改利用欧拉公式修改2.2.24式式 neFetAFii20020)(2sin2)4exp(2)( (2.2.25)其中其中 )cos(1)sin(tan2020tt (2.2.26)讨论讨论 a 中心频率中心频率 求求2.2.25式的极值条件，可得双极脉冲频谱的中心频率式的极值条件，可得双极脉冲频谱的中心频率 2020012tan0d)(dttF (2

14、.2.27)假设可以利用条件假设可以利用条件(是否可以用该条件见稍后讨论是否可以用该条件见稍后讨论) 22tan20012001tt (2.2.28)将将2.2.28式代入式代入2.2.27式式 0012ln222T (2.2.29)双极脉冲的中心频率与一阶高斯脉冲中心频率相同双极脉冲的中心频率与一阶高斯脉冲中心频率相同 b 归一化条件归一化条件 将将2.2.28式、式、2.2.29代入代入2.2.25式，并令式，并令 AetF2/1201)2( (2.2.30)利用归一化条件利用归一化条件 eFeeFii022/10)()4exp(21)( (2.2.31)近似条件近似条件2.2.28式成立

15、下，式成立下，2.2.17式为严格的一阶高斯脉冲式为严格的一阶高斯脉冲 c 近似条件近似条件 令令 0220Tt (2.2.32)将将2.2.32式、式、2.2.29式代入式代入2.2.28式，并近似认为在式，并近似认为在0.1 rad范范围内，围内，2.2.28式成立式成立 85. 02ln211 . 02ln2222222001 t(2.2.33)2.2.33式表明，反射微带线或同轴线反射段的延迟时间在式表明，反射微带线或同轴线反射段的延迟时间在0.85T0范围内，输出脉冲为比较严格的一阶高斯脉冲。范围内，输出脉冲为比较严格的一阶高斯脉冲。 2.2.4 基于正弦波的窄脉冲信号基于正弦波的窄

16、脉冲信号 在含在含N个周期正弦脉冲串信号上加适当包络调制脉冲函数个周期正弦脉冲串信号上加适当包络调制脉冲函数 2/0)2sin()()(Ntfttgtf (2.2.34)A 三角形包络脉冲三角形包络脉冲 在在2.2.34中，令中，令 NTtNTktNTtkttg2/2/0)(2.2.35)012345-5-4-3-2-1012345时间/10-9s幅度0510152010-3510-3010-2510-2010-1510-1010-5100Frequency (GHz)Power as MSAB 高斯包络脉冲高斯包络脉冲 高斯包络脉冲的时域波形函数可表为高斯包络脉冲的时域波形函数可表为 )2c

17、os()exp()(2ftttf (2.2.36)-4-3-2-101234-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81时间/10-9s幅度024681010-3510-3010-2510-2010-1510-1010-5100Frequency (GHz)Power as MSA2.2.5 Hermit多项式窄脉冲信号多项式窄脉冲信号 Hermite多项式脉冲信号的时域脉冲波形函数可以写为多项式脉冲信号的时域脉冲波形函数可以写为 )2/exp(dd)2/exp()1()(1)(220tttththnnn(2.2.37)A Hermite多项式多项式Hermite多项式前几

18、项的时域脉冲函数为多项式前几项的时域脉冲函数为 10542021018)(10510521)(154515)(1510)(36)(3)(1)()(246883577246635524432213ttttthttttthtttthtttthttthttthtthtth(2.2.38)定义正交函数集满足定义正交函数集满足 jiajittftfittji0d)()(21(2.2.39)可以证明，可以证明， Hermite多项式不能构成正交函数集。多项式不能构成正交函数集。B 变形变形Hermite多项式多项式)()/exp()(2thqttHnn (2.2.40)变形变形Hermite多项式脉冲信号

19、的时域脉冲波形函数可以写为多项式脉冲信号的时域脉冲波形函数可以写为 )/exp()3()()/exp()1()()/exp()()/exp()(2332222120qttttHqtttHqtttHqttH(2.2.41)Hermite多项式时域波形特点多项式时域波形特点可以证明，可以证明，q=4 时，时， Hermite多项式构成正交函数集。多项式构成正交函数集。零阶零阶Hermite多项式和一阶变形多项式和一阶变形Hermite多项式波形与高斯脉冲多项式波形与高斯脉冲 波形一致波形一致各阶变形各阶变形Hermite多项式脉冲时域波形脉宽基本一致多项式脉冲时域波形脉宽基本一致q=4 时，时，

20、变形变形Hermite多项式的频谱分布多项式的频谱分布 )4exp(2)64j21 j()()4exp(2)161()()4exp(2)4j()()4exp(2)(2233322222221220ffftFfftFfftFftFHHHH(2.2.42)2.2.6 重频发射下冲激信号重频发射下冲激信号 (作业作业) 重频发射下冲激信号具有分离频谱重频发射下冲激信号具有分离频谱 采用脉冲位置或极性的调制，可改变重频下冲激信号频谱采用脉冲位置或极性的调制，可改变重频下冲激信号频谱2.3 UWB信号设计信号设计2.3.1 UWB信号设计的一般方法信号设计的一般方法 确定确定UWB信号的频段、中心频率、

21、带宽；信号的频段、中心频率、带宽； 选择适当的基带信号时域脉冲波形，并满足规范；选择适当的基带信号时域脉冲波形，并满足规范； 采用阿姆斯特朗差拍变频技术将基带搬到所需的频谱位置；采用阿姆斯特朗差拍变频技术将基带搬到所需的频谱位置；2.3.2 UWB信号波段选择信号波段选择 考虑规范已有窄带通信的频段；考虑规范已有窄带通信的频段； 考虑待设计考虑待设计UWB信号放置于信号放置于3.1-10.6 GHz频带内的位置；频带内的位置；例例2.3.1 UWB信号两种典型设计方法信号两种典型设计方法脉冲类型脉冲类型带宽带宽目标频带目标频带宽带宽带-20 dB点为点为2 GHz3.1-5.1 GHz窄带窄带

22、-10 dB点为点为0.5 GHz3.1-10.6 GHz 所谓宽带设计方法通常是在所谓宽带设计方法通常是在3.1-5.1 GHz频带内设计一个频带内设计一个 UWB信号；通常以信号；通常以-20 dB点为标准；点为标准； 所谓窄带设计方法，是指；在所谓窄带设计方法，是指；在3.1-10.6 GHz频带内设计多个频带内设计多个 个个UWB信号；通常以信号；通常以-10 dB点为标准；点为标准；2.3.3 UWB信号脉冲波形设计信号脉冲波形设计 脉冲波形选择时，应尽可能减小其频谱的旁瓣能量；脉冲波形选择时，应尽可能减小其频谱的旁瓣能量； 脉冲波形参数设计时，要考虑脉冲波形参数设计时，要考虑UWB

23、信号规范的限制；信号规范的限制；A 脉冲波形选择的原则脉冲波形选择的原则例例2.3.2 设矩形脉冲、正弦脉冲和高斯脉冲得时域波形函数为设矩形脉冲、正弦脉冲和高斯脉冲得时域波形函数为 22322112exp)(0)(;2122cos)(0)(;221)(baafttftffttftftfTtTtf其它情况其它情况其它情况其它情况对上述三类冲激函数作傅里叶分析，并考察其旁瓣情况。对上述三类冲激函数作傅里叶分析，并考察其旁瓣情况。 解解：依傅里叶分析，题给冲激函数的傅里叶频谱计算公式：依傅里叶分析，题给冲激函数的傅里叶频谱计算公式 为为 )(2exp)()/2(1/cos)()sin()(23221

24、baafffFfffffFTfTfTfF选择适当的参数选择适当的参数T、fa和和fb，可让，可让Fi(f)具有相同的具有相同的-10 dB带宽带宽讨论讨论 矩形脉冲频谱峰值与旁瓣峰值之比为矩形脉冲频谱峰值与旁瓣峰值之比为 13 dB； 余弦脉冲之比为余弦脉冲之比为23 dB； 高斯脉冲在与上述两脉冲相同旁瓣峰值点之比为高斯脉冲在与上述两脉冲相同旁瓣峰值点之比为34 dB； 冲激脉冲上升沿愈平缓，其旁瓣能量愈小；冲激脉冲上升沿愈平缓，其旁瓣能量愈小； B 重频脉冲功率设计重频脉冲功率设计 FCC规范既要规定规范既要规定UWB信号的信号的峰值功率峰值功率，也要规定，也要规定平均功率平均功率a 峰值

25、功率峰值功率在在Fmax(f)极值点极值点1 MHz范围内的功率范围内的功率b 平均功率平均功率 302EIRP10d)(log10ffFp平均辐射功率以有效全向辐射功率平均辐射功率以有效全向辐射功率(EIRP)来度量。即以增益来度量。即以增益为为1的天线发射功率为标准。的天线发射功率为标准。2.3.4 UWB信号频带搬移信号频带搬移 例例2.3.3 设设f(t)为已设计好的时域脉冲信号，其中心频率为为已设计好的时域脉冲信号，其中心频率为f0， 带宽为带宽为B，现将其频带搬移至，现将其频带搬移至fc处，且带宽不变处，且带宽不变 解解：采用阿姆斯特朗差拍变频技术，将基带信号作变换：采用阿姆斯特朗

26、差拍变频技术，将基带信号作变换)2cos()()(tftftgc 012345-5-4-3-2-1012345时间/10-9s幅度搬移前高斯时域波形搬移前高斯时域波形搬移前高斯频谱搬移前高斯频谱调至后高斯时域波形调至后高斯时域波形搬移后平移高斯频谱搬移后平移高斯频谱2.4 UWB基带信号的产生基带信号的产生(a) 借助无线通信系统的调制方法，产生借助无线通信系统的调制方法，产生UWB信号；信号； (b) 给带通滤波器脉冲信号，经带通滤波器生成给带通滤波器脉冲信号，经带通滤波器生成UWB信号；信号；(c) 用快速开关电路直接产生的方法；用快速开关电路直接产生的方法；2.4.2 用无线电调制方法产

27、生用无线电调制方法产生UWB信号源信号源 数据源通过输入数据速率触发特斯拉变压器；数据源通过输入数据速率触发特斯拉变压器； “谐振谐振”特斯拉变压器向火花隙提供能量；特斯拉变压器向火花隙提供能量； 选择谐振电路的选择谐振电路的Q值，以满足谐振电路发射带宽值，以满足谐振电路发射带宽500 MHz； 通过幅度检波器和数字滤波器构成的接收器获得通过幅度检波器和数字滤波器构成的接收器获得UWB信号信号 2.4.1 UWB基带信号产生的一般方法基带信号产生的一般方法 2.4.3 用宽带滤波器产生用宽带滤波器产生UWB信号源信号源 携带很宽频谱的冲激信号，经带通滤波器滤除不需要的谐波携带很宽频谱的冲激信号

28、，经带通滤波器滤除不需要的谐波成分后，获得希望得到的成分后，获得希望得到的UWB信号信号 例例2.4.1：冲激信号给超宽带天线馈电，辐射：冲激信号给超宽带天线馈电，辐射UWB信号信号2.4.4 用快速开关电路直接产生冲激信号的方法用快速开关电路直接产生冲激信号的方法 A 常用快速开关器件常用快速开关器件 雪崩二极管雪崩二极管 雪崩三极管雪崩三极管 漂移阶跃恢复二极管漂移阶跃恢复二极管 (DSRD，Drift step recovery diodes) 漂移阶跃恢复三极管漂移阶跃恢复三极管(DSRT，Drift step recovery transistors)B 快速开关器件产生快速开关器件

29、产生UWB信号的应用举例信号的应用举例例例2.4.2 雪崩三极管的雪崩三极管的MAX电路电路 工作原理工作原理 改进电路改进电路 输出输出UWB信号参数信号参数-30-20-100102030-0.6-0.4-0.20.00.20.4 Amplitude (mV*1000)time (ns) A-4 m123456ABCD654321DCBATitleNumberR evisio nSizeCDate:29 -Nov -2 010Sh eet of File:D: 项目测井雷达方案3-雪崩管marx级联电路图fi rst versi onH VPS. Dd bDrawn B y:Q1Q6Q3Q

30、4Q2Q5R 2R 3R 4R 5R 6C 8C 2C 3C 4C 5C 5R 1R 3R 29R 28R 27R 25R 26R L1Q8Q7R 7R 8C 6C 7R 23R 24GND1NC7NC8+Vo90V10Vin16VCC 1C 20C 10R sVccINVccGNDOUTGNDDrC 11+C 14TriggerC 15+C 18Vcc(3 6-72VDC)R gQ6Q3Q4Q2Q5R 9R 10R 11R 12R 13C 8C 2C 3C 4C 5C 5R 22R 21R 20R 18R 19Q8Q7R 14R 15C 6C 7R 16R 17Vin +1EN2FG3Vin

31、 -4Vout-5Vout+6VCC30 0VDCC 21例例2.4.3 SRD快速开关器件产生的冲激信号快速开关器件产生的冲激信号 当电流正向流通时，当电流正向流通时，L1 开始存储能量开始存储能量 ；SRD特殊的特殊的P+NN+ 结构产生阻碍少子扩散的减速场；且复合缓慢；结构产生阻碍少子扩散的减速场；且复合缓慢； 信号源反向时，信号源反向时，SRD存储少子电荷开始被抽取，存储少子电荷开始被抽取，L1 开始释开始释 放能量，此时放能量，此时SRD相当于一个小电容；当少子电荷被抽取相当于一个小电容；当少子电荷被抽取 完时，完时，SRD反向截止，流过反向截止，流过L1 的电流突然减少，的电流突然

32、减少，L1两端产两端产 生自感电动势并在生自感电动势并在A点两端产生一个非常陡峭的窄脉冲。点两端产生一个非常陡峭的窄脉冲。 -4-2024-0.35-0.30-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.10time (ns)voltage (v) 200ps脉冲源-10-8-6-4-20246810-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8time (ns)voltage (v) 蝶形天线辐射波形SRD产生的产生的200 ps冲激信号冲激信号200 ps冲激信号经天线辐射冲激信号经天线辐射例例2.4.4 利用利用PCSS产生的高峰值功率冲激信号产生的高峰值

33、功率冲激信号图图2.1.4 基于基于Blumlein形成线的高功率形成线的高功率PCSS及输出典型电脉冲实验测试及输出典型电脉冲实验测试a Rogowski电极结构电极结构PCSSl3 l1l2lb Blumlein线的线的PCSSPCSSFR4衬底衬底c Rogowski电极结构电极结构PCSSd 基于基于Blumlein的的3mm PCSS输出电脉冲输出电脉冲1012141618200.00.51.01.52.02.5 switching jitter(ns)switching voltage(kV)1012141618200510152025switching delay(ns)swit

34、ching voltage(kV) f.高功率高功率PCSS的触发抖动测试的触发抖动测试g.高功率高功率PCSS触发延迟测试触发延迟测试5101520253051015202530 optical energy op=56.12J optical energy op=394.38J load Voltage(kV)Bais Voltage(kV)e. PCSS输出电压随偏压变化实验测试输出电压随偏压变化实验测试2.3 光导开关发展概述光导开关发展概述 2.3.1 光导开关光导开关(photoconductive semiconductor switch)工作原理工作原理 线性工作模式线性工作模

35、式 PCSS完全依靠光生载流子而导通的工作模式完全依靠光生载流子而导通的工作模式 激励光能高激励光能高 mJ量级量级 输出脉冲波形依赖光脉冲波形输出脉冲波形依赖光脉冲波形 触发抖动小，响应速度快触发抖动小，响应速度快非线性模式非线性模式 依靠光生载流子倍增效应而导通的工作模式依靠光生载流子倍增效应而导通的工作模式 Lock-on 模式模式 因因III-V族半导体材料负微分效应引起的倍增工族半导体材料负微分效应引起的倍增工 作模式作模式雪崩模式雪崩模式 PCSS衬底材料内由雪崩倍增导电模式衬底材料内由雪崩倍增导电模式 在截止状态时能承受高电压；在截止状态时能承受高电压； 在导通状态时，具有大电流

36、和很低的电压降；在导通状态时，具有大电流和很低的电压降； 在开关转换时，具有短的开、关时间，在开关转换时，具有短的开、关时间， 能承受高的能承受高的di/dt和和dV/dt，以及具有全控功能，以及具有全控功能 2.3.2 常用开关器件性能比较常用开关器件性能比较 理想开关条件理想开关条件常用开关器件参数比较常用开关器件参数比较2.3.3 光导开关研究现状光导开关研究现状 (1) PCSS的理论研究的理论研究 PCSS线性工作模式线性工作模式 采用连续性方程，在均匀偏置电场假设下，考虑光生载流子采用连续性方程，在均匀偏置电场假设下，考虑光生载流子 的产生、扩散、漂移与复合，可以得到的产生、扩散、

37、漂移与复合，可以得到PCSS线性工作模式线性工作模式 下的物理机理下的物理机理 PCSS非线性工作模式非线性工作模式 陷阱填充和电荷注入模型陷阱填充和电荷注入模型 ； 高场区雪崩双注入模型；高场区雪崩双注入模型； 双施主能级模型；双施主能级模型； 流注入理论模型；流注入理论模型； 光学活性模型光学活性模型 ；PCSS物理机制研究的主要问题物理机制研究的主要问题 沿用玻尔兹曼统计方法存在严重缺陷；沿用玻尔兹曼统计方法存在严重缺陷； 沿用平衡态下的玻尔兹曼输运方程存在严重缺陷；沿用平衡态下的玻尔兹曼输运方程存在严重缺陷； 没有深入研究半导体材料对光的吸收规律；没有深入研究半导体材料对光的吸收规律；

38、 PCSS非线性的工作模式分类存在争议；非线性的工作模式分类存在争议； 采用采用“唯象唯象”研究方法；研究方法； 实验验证中应考虑测试电路的影响；实验验证中应考虑测试电路的影响； (2) PCSS实验研究实验研究PCSS实验研制达到的主要技术指标实验研制达到的主要技术指标PCSS实验研究的主要方向实验研究的主要方向 较低功率、快响应速度、高稳定性与高电压转换效率；较低功率、快响应速度、高稳定性与高电压转换效率； 高功率、长脉宽光导开关研制；高功率、长脉宽光导开关研制； 快速、高功率、窄脉冲光导开关研制快速、高功率、窄脉冲光导开关研制 PCSS实验研究存在的主要问题实验研究存在的主要问题 对研制

39、对研制PCSS的若干工艺研究不够系统深入的若干工艺研究不够系统深入 ； 对对PCSS的机械结构设计研究不够深入的机械结构设计研究不够深入 ； 实验测试电路对瞬态电磁脉冲的色散、损耗实验测试电路对瞬态电磁脉冲的色散、损耗 、电磁兼容、电磁兼容 直流偏压与脉冲偏压问题；直流偏压与脉冲偏压问题；2.4 光导开关实验研究光导开关实验研究 2.4.1 研制研制PCSS的半导体材料选择的半导体材料选择 电阻率足够高；电阻率足够高； 电子迁移率比较大、载流子寿命较短；电子迁移率比较大、载流子寿命较短； 能带间隔比较大能带间隔比较大(远大于远大于kT)； 对常见激励激光波长的吸收系数高；对常见激励激光波长的吸

40、收系数高； 良好的热稳定性和热传导率；良好的热稳定性和热传导率； 研制研制PCSS半导体材料的标准半导体材料的标准常用常用PCSS材料性能比较材料性能比较SiC，GaN；GaAs， InP；Si，C；Fe:InP，Cr:GaAs 625625表表4.1 实验用半导体材料的相关参数实验用半导体材料的相关参数参数名称参数名称GaAsInP:Fe参数名称参数名称GaAs InP:Fe电阻率电阻率(cm)1.508 1083.6 107迁移率迁移率( cm2/vs)678066802000位错位错( EPD/cm2)5.18 1045 104掺杂浓度掺杂浓度( cm-3)2 107晶向晶向0.500.

41、50耐压耐压 (V/mm)20kV20kV厚度厚度(m)2020 ( EL2/EL2) 5% 5% (/) 20% 25%TTV( m)34 (/ ) 15% 20%TIR( m)33BOW( m)56WARP( m)562.4.2 PCSS机械结构设计机械结构设计 A PCSS缝隙宽度设计缝隙宽度设计 考虑线性模式下考虑线性模式下PCSS的缝隙宽度设计的缝隙宽度设计 设单个光脉冲能量为设单个光脉冲能量为op，载流子迁移率为，载流子迁移率为，单光子能，单光子能量为量为h ，半导体材料对光的有效吸收效率为，半导体材料对光的有效吸收效率为，PCSS的阈的阈值电场值电场(指由线性模式进入到非线性模式

42、的最高偏置电场指由线性模式进入到非线性模式的最高偏置电场)为为Epm，测试电路负载电阻为，测试电路负载电阻为R，负载电阻输出功率为，负载电阻输出功率为WR。则。则在激光激励瞬间，在激光激励瞬间，PCSS缝隙内载流子浓度缝隙内载流子浓度n为为 321lllhnop (2.4.1) PCSS最小导通电阻最小导通电阻Rp为为 oppqlhllnqlR 21321 (2.4.2) 线性模式下，线性模式下，PCSS最高偏压设为最高偏压设为Upm ，负载电阻的输出功率为负载电阻的输出功率为 2212122)/(ZqhllZEWoppmR (2.4.3) W极值条件为极值条件为 hqRlop21 (2.4.

43、4) 负载上输出功率极大值为负载上输出功率极大值为 hqEWoppmRm42 (2.4.5) 此时，负载获得峰值电压输出与电源提此时，负载获得峰值电压输出与电源提供电压之比为供电压之比为50%。 如如PCSS缝隙尺寸固定，增大光能使满足缝隙尺寸固定，增大光能使满足(h l12)/( opq)1，1/f0 T时时 10TfN (2.7.6) 02cfTv (2.7.7) 12TcTv (2.7.8) 2.8 光导开关的实验测试光导开关的实验测试2.8.1 PCSS暗电阻测试暗电阻测试 (1) 测试电路测试电路(2) 测试结果测试结果 低偏置电场下低偏置电场下(200V/cm)， 暗电阻为一常数暗

44、电阻为一常数 偏置电场介于偏置电场介于0.2-1.3 kV/cm 时，暗电阻随偏置电场增高时，暗电阻随偏置电场增高 而降低而降低 偏置电场介于偏置电场介于1.3-3.6kV/cm 时，暗电阻随偏置电场增高时，暗电阻随偏置电场增高 而升高而升高 偏置电场介于偏置电场介于3.6-6 kV/cm时，暗电阻随偏置电场增高而快速时，暗电阻随偏置电场增高而快速 降低，且内部电场出现剧烈振荡降低，且内部电场出现剧烈振荡 偏置电场介于偏置电场介于6-12 kV/cm范围时，暗电阻基本维持在一常数范围时，暗电阻基本维持在一常数 值附近值附近 电场为电场为3-12 kV/cm区间，区间，PCSS暗电阻呈指数形式下

45、降，满足暗电阻呈指数形式下降，满足 011)exp(ytEARp (2.8.1)(3) 实验现象解释实验现象解释A 影响影响PCSS暗态电流的因素暗态电流的因素 vqnnnjopqip)( (2.8.2)影响因素：影响因素：n，vB 载流子浓度与漂移速度的影响分析载流子浓度与漂移速度的影响分析 杂质电离条件杂质电离条件qEq (2.8.3) 10-7 m， q 0.006 eV，E600V/cm 漂移速度影响漂移速度影响 I区线性区；区线性区； II区负微分区；区负微分区； III区卫星谷加速区；区卫星谷加速区； IV区主能谷、卫星谷饱和区区主能谷、卫星谷饱和区结论结论：利用：利用v-E曲线，

46、可解释曲线，可解释PCSS 暗态电阻后续变化规律暗态电阻后续变化规律2.8.2 PCSS快速响应实验测试快速响应实验测试 (1) 线性线性PCSS快速响应实验测试快速响应实验测试 实验测试电路实验测试电路 实验测试结果实验测试结果(2) 非线性非线性PCSS快速响应实验测试快速响应实验测试2.8.3 PCSS电压转换效率实验测试电压转换效率实验测试 (1) PCSS线性工作模式下电压转换效率测试线性工作模式下电压转换效率测试 线性线性PCSS的导通电阻的导通电阻inppoutVRZZV 002(2.8.4)(2) 非非PCSS线性工作模式下电压转换效率测试线性工作模式下电压转换效率测试 2.8

47、.4 PCSS lock-on 阈值条件实验测试阈值条件实验测试2.9 GaAs光吸收规律光吸收规律2.9.1 GaAs光吸收规律概述光吸收规律概述(1) 半导体材料的光吸收条件半导体材料的光吸收条件 lgkkkEEEh1212 (2.9.1)图图3.18 半导体吸收光谱示意图半导体吸收光谱示意图h (eV)(2) GaAs材料的光吸收规律概述材料的光吸收规律概述 图图3.19 不同温度下不同温度下GaAs的吸收边的吸收边激子吸收激子吸收 h Eg 时，时， h ； h Eg 时，时， (h -Eg)1/2；考虑量子力学考虑量子力学 Franz-Keldysh 效应效应 2/12/12/320

48、202)()(22ggrcVrEEhmfmncq (2.9.2)nr为为GaAs的折射率，的折射率，mr为电子、空穴有效质量的折合质量，为电子、空穴有效质量的折合质量，fcV具有具有1的数量级。的数量级。 图图3.20 常温下常温下GaAs的吸收光谱的吸收光谱1.301.351.401.451.501.551.60100101102103104 absorb factor(cm-1)photon energy(eV)图图3.21 1.2K下下GaAs激子吸收激子吸收hv(eV)(3) 偏压下偏压下GaAs材料的光吸收规律材料的光吸收规律3122)(1 rmhqEh (2.9.3)如如h Eg，

49、电场对，电场对 的影响表现为吸收光谱衰减振荡的影响表现为吸收光谱衰减振荡(图图3.21)，这可以用激子吸收和电场破坏激子吸收的激励来解释这可以用激子吸收和电场破坏激子吸收的激励来解释 (4) 朗伯光吸收定律与激励光脉冲描述朗伯光吸收定律与激励光脉冲描述 朗伯定律朗伯定律 )exp()(0zIzI (2.9.4) 表示光吸收系数，表示光吸收系数，I0 表示表示 z=0 处的光强处的光强 在在tt+dt、zz+dz、光照面积为、光照面积为ds微元内，半导体的光能吸收微元内，半导体的光能吸收tzszItzszIopddd)(ddd)exp(d0 (2.9.5)设激光脉冲为时间和空间上的高斯脉冲设激光

50、脉冲为时间和空间上的高斯脉冲 ztTrrItzrIopop 22220)2ln(4)2ln(exp),(2.9.6)其中，其中，r2=x2+y2，I0 表示表示 z=0、r=0、t=0 时的光强，时的光强，rop表示任意表示任意时刻高斯光斑半峰值空间半径，时刻高斯光斑半峰值空间半径，Top表示光斑半峰值的时间宽度表示光斑半峰值的时间宽度光强与光能的关系光强与光能的关系 ttTrrrrItstrIopopd)2ln(4expd)2ln(exp2dd),(2200220 22ln202/3opopTrI (2.9.7)将将2.9.7式代式代2.9.6式可得式可得 ztTrrTrtzrIopopop

51、opop 22222/322ln42lnexp2ln2),(2.9.8)如激励光脉冲经光匀化器后，在空间各如激励光脉冲经光匀化器后，在空间各r处形成均匀光斑处形成均匀光斑 ztTItzrIop 220)2ln(4exp),(2.9.9)将将2.9.9式代入式代入2.9.7式重新计算得式重新计算得 22ln202/1opopTrI (2.9.10)(5) 光生载流子浓度光生载流子浓度 由由2.9.5 式和式和2.9.8式，光生载流子浓度为式，光生载流子浓度为 httzrIhzstzrnopop)d,(ddd),( (2.9.11)2.9.2 GaAs对对1064 nm激光的吸收机理激光的吸收机理

52、(1) 遂穿效应对吸收系数的影响遂穿效应对吸收系数的影响设偏置电场设偏置电场 ，则，则GaAs能带将发生倾斜，三角形势垒宽度能带将发生倾斜，三角形势垒宽度d为为 qEqEdg (2.9.12)电子在三角形势垒中的势函数为电子在三角形势垒中的势函数为 qxxU )(2.9.13)将将2.9.12和和2.9.13代入薛定谔方程代入薛定谔方程 Eqxxmn 22*2dd2(2.9.14)其中其中mn*为电子的有效质量，令为电子的有效质量，令 3/1*22 qEmn 1 qExy(2.9.15)由由2.9.14式和式和2.9.15式，对艾里函数式，对艾里函数(Airy function)解取近似解取近

53、似 2/34/132expyy (2.9.16)电子势垒贯穿的几率正比于波函数模的平方电子势垒贯穿的几率正比于波函数模的平方 qEmgn3)(24exp2/3*(2.9.17)如果如果 ， = 0 qEmgn3)(24exp2/3*0(2.9.18)如果取大量文献实验数据：如果取大量文献实验数据： 0=5 103cm-1， 可得可得 - 曲线曲线讨论讨论 E104 V/cm 时，时，GaAs光吸收系数呈光吸收系数呈 指数规律上升指数规律上升 该解释方案为非线性模式下导通光能该解释方案为非线性模式下导通光能 急剧减小以及透射深度快速降低引起急剧减小以及透射深度快速降低引起 阈值条件随电场、光能变化给出解释阈值条件随电场、光能变化给出解释(2) 遂穿效应方案实验验证遂穿效应方案实验验证 Lecroy 8600-A 光 能 量 计 激 光 器 激 励 光 纤 PCSS 50 衰 减 器 50 光 匀 化 器 集 束 光 纤 脉 冲 电 源 光 电 同步 控 制 光 电 探 头 实验电路实验电路实验测试结果实验测试结果51015