采用雙階躍恢復(fù)二極管的高幅度雙極性窄脈沖探地雷達(dá)脈沖源的設(shè)計

王蕾++馮谞浩++孟慶鶴

摘 要

探地雷達(dá)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，脈沖發(fā)生器的設(shè)計是探地雷達(dá)設(shè)計的核心一環(huán)。如何設(shè)計高幅度、快前沿的脈沖已成為世界關(guān)注的問題。本脈沖源通過整形電路對輸入波形進(jìn)行整形后，利用專用雪崩三極管進(jìn)行雪崩，產(chǎn)生出對稱的雙極性脈沖，然后用雙階躍恢復(fù)二極管（SRD）進(jìn)行階躍以得到高幅度窄脈沖信號，從而既提高了幅度也加快了脈沖前沿，模擬及實際測試結(jié)果表明該脈沖發(fā)生器能夠滿足設(shè)計要求。該脈沖發(fā)生器現(xiàn)已應(yīng)用于探地雷達(dá)產(chǎn)品中，取得了非常理想的探測效果。

【關(guān)鍵詞】探地雷達(dá) 脈沖發(fā)生器 雪崩三極管 階躍恢復(fù)二極管 高幅度 窄脈沖

1 引言

探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)成為一種地球物理界普遍采用的無損檢測方法。該方法是脈沖源經(jīng)寬帶天線向地下發(fā)射高幅度窄脈沖電磁波，脈沖信號經(jīng)地下目標(biāo)反射后由接收機時域取樣技術(shù)轉(zhuǎn)換為低頻信號。該信號經(jīng)過適當(dāng)處理，形成檢測區(qū)域的地下目標(biāo)波形圖。

由于探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波具有超寬帶特性，使其具有很強的穿透性和很高的距離分辨率。因此，脈沖源是探地雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計的核心部件之一。衡量脈沖源性能的優(yōu)劣主要是幅度和脈寬2個指標(biāo)，一般來說，前沿越快，系統(tǒng)分辨率越高，越能夠分辨出小的目標(biāo)；幅度越大，探測深度越深。因此，產(chǎn)生前沿快、幅度大且波形良好穩(wěn)定的脈沖是探地雷達(dá)設(shè)計的重要問題之一。

本脈沖源設(shè)計的主要目的是產(chǎn)生幅度大于30V，前沿小于200ps的脈沖。

目前常用的產(chǎn)生高壓的電子器件主要有2類：

（1）電真空器件，以二次電子發(fā)射管、放電間隙開關(guān)、觸發(fā)管等為代表；

（2）固體器件，以雪崩三極管、高壓MOSFET管、高頻BJT晶體管為代表。

由于電真空器件體積龐大，可靠性較低，抖動較大等缺點嚴(yán)重限制其應(yīng)用范圍。而高壓MOSFET管和高頻BJT晶體管等產(chǎn)生的脈沖幅度偏小。實際上，目前主要采用雪崩技術(shù)產(chǎn)生大幅度脈沖，可以用于雪崩的三極管很多，本文采用的是專用的雪崩三極管，其產(chǎn)生脈沖的幅度較高，速度較快，然后利用雙階躍恢復(fù)二極管加快前沿，使其能夠?qū)崿F(xiàn)高幅度窄脈沖的設(shè)計研制。通過電路的設(shè)計更改和調(diào)試，最終得到36V，155ps的脈沖。

2 雪崩晶體三極管的基本脈沖電路

利用雪崩晶體三極管進(jìn)行雪崩的技術(shù)已比較成熟，其雪崩效應(yīng)原理再次不做贅述。利用雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖幅度略低于供電電壓，脈沖寬度從微秒到納秒量級，有的甚至達(dá)到幾十皮秒。

圖1是雪崩管脈沖形成電路原理圖。三極管集電極電壓EC對雪崩電容C充電，當(dāng)輸入觸發(fā)脈沖時，三極管雪崩擊穿，致使雪崩電容C上儲存的電荷通過負(fù)載電阻RL快速放電，從而在負(fù)載RL的輸出端得到一個高幅度的快速窄脈沖。雪崩結(jié)束后，電源EC再次向電容C充電，如此往復(fù)。

本文利用雪崩三極管的這個特性從三極管的集電極和射級分別輸出正、負(fù)脈沖，然后分別進(jìn)行處理得到理想輸出波形。

3 階躍恢復(fù)二極管的工作原理

階躍恢復(fù)二極管（以下簡稱SRD）的階躍原理已被熟知，在此也不做贅述。

根據(jù)SRD制作高速脈沖的原理，設(shè)計階躍管脈沖發(fā)生電路如圖2所示。圖中，D1為SRD，C1、C2為隔離電容，RW為限流電阻，RL為負(fù)載。當(dāng)輸入端送入特定的信號后，經(jīng)SRD導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換后，輸出信號的上升時間約等于SRD的轉(zhuǎn)變時間tt，而SRD自身的轉(zhuǎn)變時間tt很短，從50ps到300ps不等。

4 脈沖源電路設(shè)計

如圖3所示，電路設(shè)計主要分為脈沖整形電路、雪崩電路和階躍電路三個部分。

從信號輸入到Q101雪崩三極管前的電路組成脈沖整形電路。其對輸入的脈沖進(jìn)行放大、整形后形成適合于雪崩的脈沖波形，該部分對輸入脈沖形狀要求非常低，無論輸入脈沖是單脈沖、TTL方波還是ECL方波，此整形電路均可將輸入信號整形成理想輸入雪崩波形。該整形電路對輸入脈沖的幅度和前沿的要求也很低，幅度可以從幾百mV到幾V變化，前沿從幾納秒到上百納秒甚至微秒級的輸入脈沖均可實現(xiàn)脈沖整形。

雪崩電路主要是根據(jù)電路需求選擇合適的雪崩晶體管Q101。根據(jù)雪崩晶體管的特性要求，一般情況下可以選取具有較高的BVCBO、較寬的雪崩區(qū)寬度、較大的β值、較高的特征頻率fT和較低的飽和壓降的三極管來實現(xiàn)脈沖形成電路。本文選用的是ZETEX公司的ZTX415專用雪崩三極管。其VCBO和VCEO分別為260V和100V，特征頻率40MHz，飽和壓降均小于1V，完全可以滿足本電路設(shè)計的需求。需要注意的是：該雪崩管的集電極需要端接高于260V的高壓直流電，以保證該雪崩管正常工作。

階躍電路部分由單電源供電，經(jīng)過階躍限流調(diào)節(jié)電阻送給階躍恢復(fù)二極管，保證階躍恢復(fù)二極管的正常工作。本文選用的階躍恢復(fù)二極管是ASI公司的ASRD808。該二極管的擊穿電壓為25V，轉(zhuǎn)變時間為90ps，載流子壽命為30ns。由于階躍恢復(fù)二極管的擊穿電壓低于雪崩出來的脈沖幅度，為防止擊穿和增加階躍后的脈沖幅度，將兩個階躍恢復(fù)二極管串接到電路中以實現(xiàn)輸出高幅度脈沖的目的。需要指出的是，由于SRD本身的特性，階躍出來的脈沖前沿較快，但是后沿卻比較慢，因此，需要在RL1和RL2之前加一段短路線進(jìn)行削波處理，以得到快速窄脈沖信號。短路線的反射系數(shù)為-1，它意味著輸入脈沖經(jīng)過短路線后會變成反向脈沖，此反向脈沖與原脈沖疊加形成新的加速后沿的脈沖，從而形成快速窄脈沖。短路線的長度決定了反射脈沖的延遲時間，通過調(diào)節(jié)短路線的長度能夠得到不同寬度的脈沖。事實上，也可以在電路中串聯(lián)一只快速的肖特基二極管甚至是快速恢復(fù)二極管作為削波二極管，作用與削波線相同，只是該二極管正常工作亦需要搭建外圍電路，相對比較麻煩，且成本較高。本文采用的是削波線處理方法。

由于雪崩三極管的集電極和發(fā)射極得到的是正負(fù)雙極性脈沖，其幅度相同，極性相反，經(jīng)后續(xù)電路處理后，輸出的便是所需要的高幅度、雙極性窄脈沖信號，最后經(jīng)發(fā)射機蝶型天線發(fā)射出去。

由于輸出的信號是高速脈沖信號，其脈沖的質(zhì)量除了與合理的電路參數(shù)設(shè)計、雪崩三極管和階躍恢復(fù)二極管的選擇有關(guān)，還與電路的制作工藝結(jié)構(gòu)（印刷線路板的介質(zhì)材料、元器件布局、布線走向和屏蔽）有著密切的關(guān)系。為此，采取以下措施保證設(shè)計指標(biāo)的實現(xiàn)：

（1） 印制電路板材料選擇：選取介電常數(shù)好的聚四氟乙烯板材。

（2）印制電路布線：脈沖走向采用高頻電路布線技術(shù)，使雙極性脈沖的元器件對稱擺放，布線對稱走向；通過大面積接地線覆銅鍍銀及雙層板地線多點漏孔連接消除接地電感影響，正確接地。

（3）屏蔽：探地雷達(dá)收發(fā)機采用屏蔽盒體消除外部干擾信號影響。

5 測試結(jié)果

在ADS2008仿真軟件中選擇合適的參數(shù)，得到該電路可以輸出38V，脈沖前沿140ps的高幅度雙極性窄脈沖。實際電路測量用的是Agilent DSO90404A示波器，該示波器帶寬為4GHz，最高采樣速率達(dá)20GHz/s，由于其測試電壓最高值為5V，故在測試輸入時用一個20dB衰減器進(jìn)行幅度限制，測試結(jié)果如圖4，其脈沖幅度可以達(dá)到36V，前沿155ps。可以看到，電路實際輸出脈沖與仿真結(jié)果基本吻合。

將該脈沖發(fā)生器用于高頻探地雷達(dá)系統(tǒng)，得到的金屬板回波波形如圖5所示。圖5上圖為包含有直達(dá)波和金屬板反射波的雷達(dá)波形，下圖為該金屬板反射波的峰峰間隔及其峰峰值。從圖中可以看出，該脈沖發(fā)生器可以發(fā)出高幅度雙極性窄脈沖，在雷達(dá)系統(tǒng)中起到既檢測深目標(biāo)又提高分辨率的作用。目前，該脈沖源已應(yīng)用于探地雷達(dá)實際探測中，探測效果非常理想。

6 結(jié)束語

文中利用雪崩三極管能夠產(chǎn)生高幅度脈沖和利用階躍恢復(fù)二極管可以加速前沿的技術(shù)，結(jié)合沖擊脈沖探地雷達(dá)實際應(yīng)用要求，提出了一種新的利用兩個階躍恢復(fù)二極管串聯(lián)得到高幅度窄脈沖的設(shè)計方法。本脈沖源較普通脈沖源幅度大、前沿快、對稱性好，可以高質(zhì)量輸出高頻窄帶高功率脈沖，既能夠保證分辨率又可以提高探測深度，應(yīng)用于探地雷達(dá)系統(tǒng)中具有極大的發(fā)展?jié)摿?。目前，探地雷達(dá)的實際探測效果理想，成功探測了地下目標(biāo)，是一款具有極其廣闊發(fā)展前景的脈沖源。

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作者簡介

王蕾（1982-），男，山東省威海市人。工學(xué)碩士學(xué)位。現(xiàn)為中國電波傳播研究所工程師，主要研究探地雷達(dá)天線的設(shè)計。

馮谞浩，男，湖北省襄樊市人。工學(xué)碩士學(xué)位?，F(xiàn)為工業(yè)和信息化部電子第五研究所工程師，主要從事電子產(chǎn)品的安全、性能及環(huán)境適應(yīng)性檢測工作。

孟慶鶴，男，山東省菏澤市人。工學(xué)碩士學(xué)位。現(xiàn)為中國電波傳播研究所助理工程師，主要探究探地雷達(dá)天線的設(shè)計。

作者單位

1.中國電波傳播研究所 山東省青島市 266107

2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所 廣東省廣州市 510610