第二章UWB信号源产生

超宽带电子学及应用授课教师：杨宏春第2章UWB信号的产生2.1UWB信号的定义(1)1990年美国军方定义相对带宽(FractionalBandwidth)不小于25%的任何波形。(2.1.1)Bw表示信号相对带宽；fh表示信号高频端频率；fl表示信号低频端频率；fc

表示信号中心频率(2)FCC定义最大电平的-10dB带宽不小于500MHz；最大电平的-20dB带宽需在3.1-10.6GHz范围内；最大电平允许的功率密度应不大于-41.3dBm/MHz。其它地区定义新加坡UWB友好社区最大功率谱密度-35.3dBm/MHz；欧洲，最大功率谱密度为-61.3dBm/MHz讨论

UWB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(IR，ImpulseRadio)或脉冲无线电(PulseRadio)信号幅度的衰减倍数(2.1.2)信号功率衰减倍数(2.1.3)(2.1.4)例2.1.1计算UWB信号满足FCC规范的最大辐射功率解：如UWB信号在频带范围内都以最大功率谱密度辐射，则对应了UWB信号所允许携带的最大能量-41.3dBm对应的功率谱密度为(dBm/Hz)用上式替换平均功率定义中的F2(f)可得(dBm)换算为以W为单位，即0.556mW

2.2典型的UWB信号理想的UWB脉冲波形(2.2.1)2.2.1各阶高斯脉冲信号用Ui(t)、Ti分别表示第“i”阶高斯脉冲的时域波形函数及脉宽(2.2.2)如果以高斯脉冲的半峰值脉宽T0为标准，则U0i(t)和T0i可写为(2.2.3)Ui(t)和U0i(t)的脉冲波形如图对2.2.2式作傅里叶频谱分析(2.2.4)对2.2.3式作傅里叶频谱分析(2.2.5)傅里叶频谱图用Bhi表示半峰值功率谱带宽，用Bei表示e-1倍峰值功率谱带宽(2.2.6)用B0hi表示半峰值功率谱带宽，用B0ei表示e-1倍峰值功率谱带宽(2.2.7)对应于2.2.6式的Bhi和Bei

对应于2.2.7式的B0hi和B0ei

2.2.2高斯上升沿、指数下降沿函数高斯上升沿、指数下降沿时域波形函数可写为(2.2.8)阶跃函数H(t)被定义为(2.2.9)高斯上升沿、指数下降沿的半峰值脉宽分别为Tg、Te，时域脉冲脉宽为Tge，则(2.2.10)令(2.2.11)对2.2.8式作傅里叶变换，可得对应的幅度谱函数为(2.2.12)将1.2.11式代入1.2.12式可得(2.2.13)用2.2.2式中的0定义式替换2.2.13式中的，可得(2.2.14)随着值增大，时域脉冲幅度谱的高频成分下降；但与高斯脉冲相比，高频成分丰度更大2.2.3对称双极脉冲对称脉冲波形函数为(2.2.15)对2.2.15式作傅里叶变换，可得其幅度谱为(2.2.16)A对称双极脉冲波形特征对称双极脉冲时域波形函数为(2.2.17)极值条件(2.2.18)对称双极脉冲的峰-峰值脉宽Ts为(2.2.19)为求解ti与t20关系的2.2.20式，令令(2.2.20)(2.2.21)将2.2.21式代入2.2.3式中的第二式可得(2.2.22)在2.2.22式中，令(2.2.23)联立求解2.2.21式与2.2.20式，就可以得到双极脉冲脉宽、幅值分别和T0、U0的解析关系B对称双极脉冲频谱特征由2.2.16式(2.2.24)利用欧拉公式修改2.2.24式(2.2.25)其中(2.2.26)讨论a中心频率求2.2.25式的极值条件，可得双极脉冲频谱的中心频率(2.2.27)假设可以利用条件(是否可以用该条件见稍后讨论)(2.2.28)将2.2.28式代入2.2.27式(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b归一化条件将2.2.28式、2.2.29代入2.2.25式，并令(2.2.30)利用归一化条件(2.2.31)近似条件2.2.28式成立下，2.2.17式为严格的一阶高斯脉冲c近似条件令(2.2.32)将2.2.32式、2.2.29式代入2.2.28式，并近似认为在0.1rad范围内，2.2.28式成立(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0.85T0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(2.2.34)A三角形包络脉冲在2.2.34中，令(2.2.35)B高斯包络脉冲高斯包络脉冲的时域波形函数可表为(2.2.36)2.2.5Hermit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(2.2.37)AHermite多项式Hermite多项式前几项的时域脉冲函数为(2.2.38)定义正交函数集满足(2.2.39)可以证明，Hermite多项式不能构成正交函数集。B变形Hermite多项式(2.2.40)变形Hermite多项式脉冲信号的时域脉冲波形函数可以写为(2.2.41)Hermite多项式时域波形特点可以证明，q=4时，Hermite多项式构成正交函数集。零阶Hermite多项式和一阶变形Hermite多项式波形与高斯脉冲波形一致各阶变形Hermite多项式脉冲时域波形脉宽基本一致q=4时，变形Hermite多项式的频谱分布(2.2.42)2.2.6重频发射下冲激信号(作业)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2.3UWB信号设计2.3.1UWB信号设计的一般方法确定UWB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；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；2.3.2UWB信号波段选择考虑规范已有窄带通信的频段；考虑待设计UWB信号放置于3.1-10.6GHz频带内的位置；例2.3.1UWB信号两种典型设计方法脉冲类型带宽目标频带宽带-20dB点为2GHz3.1-5.1GHz窄带-10dB点为0.5GHz3.1-10.6GHz所谓宽带设计方法通常是在3.1-5.1GHz频带内设计一个UWB信号；通常以-20dB点为标准；所谓窄带设计方法，是指；在3.1-10.6GHz频带内设计多个个UWB信号；通常以-10dB点为标准；2.3.3UWB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；脉冲波形参数设计时，要考虑UWB信号规范的限制；A脉冲波形选择的原则例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对上述三类冲激函数作傅里叶分析，并考察其旁瓣情况。解：依傅里叶分析，题给冲激函数的傅里叶频谱计算公式为选择适当的参数T、fa和fb，可让Fi(f)具有相同的-10dB带宽讨论矩形脉冲频谱峰值与旁瓣峰值之比为13dB；余弦脉冲之比为23dB；高斯脉冲在与上述两脉冲相同旁瓣峰值点之比为34dB；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FCC规范既要规定UWB信号的峰值功率，也要规定平均功率a峰值功率在Fmax(f)极值点1MHz范围内的功率b平均功率平均辐射功率以有效全向辐射功率(EIRP)来度量。即以增益为1的天线发射功率为标准。2.3.4UWB信号频带搬移例2.3.3设f(t)为已设计好的时域脉冲信号，其中心频率为f0，带宽为B，现将其频带搬移至fc处，且带宽不变解：采用阿姆斯特朗差拍变频技术，将基带信号作变换搬移前高斯时域波形搬移前高斯频谱调至后高斯时域波形搬移后平移高斯频谱2.4UWB基带信号的产生借助无线通信系统的调制方法，产生UWB信号；给带通滤波器脉冲信号，经带通滤波器生成UWB信号；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生UWB信号源数据源通过输入数据速率触发特斯拉变压器；“谐振”特斯拉变压器向火花隙提供能量；选择谐振电路的Q值，以满足谐振电路发射带宽>500MHz；通过幅度检波器和数字滤波器构成的接收器获得UWB信号2.4.1UWB基带信号产生的一般方法2.4.3用宽带滤波器产生UWB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成分后，获得希望得到的UWB信号例2.4.1：冲激信号给超宽带天线馈电，辐射UWB信号2.4.4用快速开关电路直接产生冲激信号的方法A常用快速开关器件雪崩二极管雪崩三极管漂移阶跃恢复二极管(DSRD，Driftsteprecoverydiodes)漂移阶跃恢复三极管(DSRT，Driftsteprecoverytransistors)B快速开关器件产生UWB信号的应用举例例2.4.2雪崩三极管的MAX电路工作原理改进电路输出UWB信号参数例2.4.3SRD快速开关器件产生的冲激信号当电流正向流通时，L1

开始存储能量；SRD特殊的P+NN+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，SRD存储少子电荷开始被抽取，L1开始释放能量，此时SRD相当于一个小电容；当少子电荷被抽取完时，SRD反向截止，流过L1的电流突然减少，L1两端产生自感电动势并在A点两端产生一个非常陡峭的窄脉冲。SRD产生的200ps冲激信号200ps冲激信号经天线辐射例2.4.4利用PCSS产生的高峰值功率冲激信号图2.1.4基于Blumlein形成线的高功率PCSS及输出典型电脉冲实验测试aRogowski电极结构PCSSl3l1l2lbBlumlein线的PCSSPCSSFR4衬底cRogowski电极结构PCSSd基于Blumlein的3mmPCSS输出电脉冲f.高功率PCSS的触发抖动测试g.高功率PCSS触发延迟测试e.PCSS输出电压随偏压变化实验测试2.3光导开关发展概述2.3.1光导开关(photoconductivesemiconductorswitch)工作原理线性工作模式PCSS完全依靠光生载流子而导通的工作模式激励光能高mJ量级输出脉冲波形依赖光脉冲波形触发抖动小，响应速度快非线性模式依靠光生载流子倍增效应而导通的工作模式Lock-on模式因III-V族半导体材料负微分效应引起的倍增工作模式雪崩模式PCSS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，能承受高的di/dt和dV/dt，以及具有全控功能2.3.2常用开关器件性能比较理想开关条件常用开关器件参数比较2.3.3光导开关研究现状

PCSS的理论研究PCSS线性工作模式

采用连续性方程，在均匀偏置电场假设下，考虑光生载流子的产生、扩散、漂移与复合，可以得到PCSS线性工作模式下的物理机理PCSS非线性工作模式陷阱填充和电荷注入模型；高场区雪崩双注入模型；双施主能级模型；流注入理论模型；光学活性模型；PCSS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；

PCSS非线性的工作模式分类存在争议；采用“唯象”研究方法；实验验证中应考虑测试电路的影响；(2)PCSS实验研究PCSS实验研制达到的主要技术指标PCSS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；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PCSS实验研究存在的主要问题对研制PCSS的若干工艺研究不够系统深入；对PCSS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、电磁兼容直流偏压与脉冲偏压问题；2.4光导开关实验研究2.4.1研制PCSS的半导体材料选择电阻率足够高；电子迁移率比较大、载流子寿命较短；能带间隔比较大(远大于kT)；对常见激励激光波长的吸收系数高；良好的热稳定性和热传导率；研制PCSS半导体材料的标准常用PCSS材料性能比较SiC，GaN；GaAs，InP；Si，C；Fe:InP，Cr:GaAs<100><100>625625表4.1实验用半导体材料的相关参数参数名称GaAsInP:Fe参数名称GaAsInP:Fe电阻率(Ω•cm)1.5081083.6107迁移率(cm2/vs))6780~66802000位错(EPD/cm2)5.181045104掺杂浓度(cm-3)2107晶向0.500.50耐压(V/mm)>20kV>20kV厚度(μm)2020(EL2/EL2)5%5%(/)20%25%TTV(m)≤3≤4(/)15%20%TIR(m)≤3≤3BOW(m)≤5≤6WARP(m)≤5≤62.4.2PCSS机械结构设计APCSS缝隙宽度设计考虑线性模式下PCSS的缝隙宽度设计设单个光脉冲能量为εop，载流子迁移率为μ，单光子能量为h，半导体材料对光的有效吸收效率为α，PCSS的阈值电场(指由线性模式进入到非线性模式的最高偏置电场)为Epm，测试电路负载电阻为R，负载电阻输出功率为WR。则在激光激励瞬间，PCSS缝隙内载流子浓度n为(2.4.1)PCSS最小导通电阻Rp为(2.4.2)线性模式下，PCSS最高偏压设为Upm，负载电阻的输出功率为(2.4.3)W极值条件为(2.4.4)负载上输出功率极大值为(2.4.5)此时，负载获得峰值电压输出与电源提供电压之比为50%。如PCSS缝隙尺寸固定，增大光能使满足(hl12)/(εopqμ)<<R

(2.4.6)WRm为功率饱和光能令PCSS输出功率等于极限功率的β倍依2.4.3和2.4.6(2.4.7)WR-εopm的斜率(2.4.8)结论满足2.4.4式的PCSS有最大的功率输出；缝宽一定，饱和光能激励下，最大输出功率由2.4.6式决定；饱和光能由2.4.7式决定；

l1一定时，PCSS输出峰值功率由2.4.8式决定；如果激励光能为30J，考虑光损耗，缝隙宽度应选择3mm。

BPCSS金属电极设计影响PCSS金属电极设计的因素电极几何尺寸；几何形状；电极分布方式电极几何尺寸设计电流密度；欧姆接触的可靠性；分布电参数。电极几何形状电场分布开关尺寸电极分布方式表面爬电电场分布CPCSS金属电极设计的仿真计算2.5光导开关耐高温欧姆电极研制2.5.1实验研制几种典型欧姆电极的优缺点(1)Ge/Ni/Au金属化系统欧姆电极优点它能提供很低的接触电阻；在工艺上(如沉积工艺等)可与Si器件兼容；工艺成熟，造价低廉；缺点在高温或高功率状态；电极合金体系常发生横向和纵向扩散形成尖峰，形貌不平整；电极金属与衬底基片的互扩散导致接触电阻增大，欧姆接触特性严重退化(2)Pd/Ge/Ti/Pt/Au金属系统欧姆电极优点

接触电阻下限可以达到4.9×10-7

.cm2；在300C、20h退火情况下，金属接触和GaAs之间的分界面非常陡峭平直；在400C

、35miu退火情况下，热稳定性开始变差；可能是Ge发生转移或电极金属层之间发生了反应；金属层的相互作用很少，界面的形貌比较好，无尖峰，侧面为薄层状，横向同性，表面光滑优点金属系统和n-GaAs的接触阻抗随着温度升高增加很快；金属系统不能很好的附着在GaAs表面；Pt需要很大热量才会有合适的沉积率2.5.2欧姆电极研制过程中常出现的工艺问题(1)电极导电层与电极合金粘附不紧密电极金属与衬底材料接触边沿形成毛刺

金属电极厚度不均问题

2.6光导开关绝缘封装2.6.1PCSS电极之外部分的镀膜绝缘2.6.2PCSS电极引线加工2.6.3PCSS与外电路的连接与绝缘处理2.7光导开关的实验测试电路设计2.7.1直接测试电路2.7.2取样测试电路(1)取样测试原理图4.15.电脉冲取样测试原理图tU待测电脉冲示波器显示脉冲1/f0T1TT取样脉冲设激励光脉冲的重复频率为f0，待测电脉冲宽度为T，示波器上读出的包络线脉冲宽度为T1，取样点数为N，待测脉冲与取样脉冲间延迟时间为T，则(2.7.1)(2.7.2)(2.7.3)待测脉冲的脉冲宽度为(2.7.4)设包络线的上升沿时间为1，则待测电脉冲的实际上升沿

(2.7.5)(2)取样测试电路设计图4.16取样测试电路图图4.17延时器结构原理图当N>>1，1/f0>>T时(2.7.6)(2.7.7)(2.7.8)2.8光导开关的实验测试2.8.1PCSS暗电阻测试(1)测试电路(2)测试结果低偏置电场下(200V/cm)，暗电阻为一常数偏置电场介于0.2-1.3kV/cm

时，暗电阻随偏置电场增高而降低偏置电场介于1.3-3.6kV/cm

时，暗电阻随偏置电场增高而升高偏置电场介于3.6-6kV/cm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偏置电场介于6-12kV/cm范围时，暗电阻基本维持在一常数值附近电场为3-12kV/cm区间，PCSS暗电阻呈指数形式下降，满足(2.8.1)(3)实验现象解释A影响PCSS暗态电流的因素(2.8.2)影响因素：n，vB载流子浓度与漂移速度的影响分析杂质电离条件(2.8.3)~10-7m，q~0.006eV，E~600V/cm

漂移速度影响

I区线性区；

II区负微分区；

III区卫星谷加速区；

IV区主能谷、卫星谷饱和区结论：利用v-E曲线，可解释PCSS暗态电阻后续变化规律2.8.2PCSS快速响应实验测试(1)线性PCSS快速响应实验测试实验测试电路实验测试结果(2)非线性PCSS快速响应实验测试2.8.3PCSS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PCSS的导通电阻(2.8.4)(2)非PCSS线性工作模式下电压转换效率测试2.8.4PCSSlock-on阈值条件实验测试2.9GaAs光吸收规律2.9.1GaAs光吸收规律概述(1)半导体材料的光吸收条件(2.9.1)图3.18半导体吸收光谱示意图h(eV)(2)GaAs材料的光吸收规律概述图3.19不同温度下GaAs的吸收边激子吸收

h>Eg

时，h；

h>Eg

时，(h-Eg)1/2；考虑量子力学Franz-Keldysh效应(2.9.2)nr为GaAs的折射率，mr为电子、空穴有效质量的折合质量，fcV具有1的数量级。图3.20常温下GaAs的吸收光谱图3.211.2K下GaAs激子吸收hv(eV)(3)偏压下GaAs材料的光吸收规律(2.9.3)如h>Eg，电场对的影响表现为吸收光谱衰减振荡(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(4)朗伯光吸收定律与激励光脉冲描述朗伯定律(2.9.4)表示光吸收系数，I0表示z=0处的光强在t~t+dt、z~z+dz、光照面积为ds微元内，半导体的光能吸收(2.9.5)设激光脉冲为时间和空间上的高斯脉冲(2.9.6)其中，r2=x2+y2，I0表示z=0、r=0、t=0时的光强，rop表示任意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光强与光能的关系(2.9.7)将2.9.7式代2.9.6式可得(2.9.8)如激励光脉冲经光匀化器后，在空间各r处形成均匀光斑(2.9.9)将2.9.9式代入2.9.7式重新计算得(2.9.10)(5)光生载流子浓度由2.9.5式和2.9.8式，光生载流子浓度为(2.9.11)2.9.2GaAs对1064nm激光的吸收机理(1)遂穿效应对吸收系数的影响设偏置电场，则GaAs能带将发生倾斜，三角形势垒宽度d为(2.9.12)电子在三角形势垒中的势函数为(2.9.13)将2.9.12和2.9.13代入薛定谔方程(2.9.14)其中mn*为电子的有效质量，令(2.9.15)由2.9.14式和2.9.15式，对艾里函数(Airyfunction)解取近似(2.9.16)电子势垒贯穿的几率正比于波函数模的平方(2.9.17)如果，=0(2.9.18)如果取大量文献实验数据：0=5103cm-1，可得-

曲线讨论

E<104V/cm时，GaAs光吸收系数无明显变化

E>104V/cm时，GaAs光吸收系数呈指数规律上升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实验电路实验测试结果偏置电压(kV)电压转换效率拟合公式(2.