ＵＷＢ即超寬帶，它是一種利用納秒級極窄脈沖發(fā)送信息的技術，其信號相對帶寬即信號帶寬與中心頻率之比大于２５％。一個典型的中心頻率為２ＧＨｚ（即寬度為５００ｐｓ）的ＵＷＢ脈沖信號的時域波形及其頻譜圖分別如圖１所示。

一般通信技術都是把信號從基帶調(diào)制到載波上，而ＵＷＢ則是通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調(diào)制從而具有ＧＨｚ量級的帶寬。ＵＷＢ具有發(fā)射信號功率譜密度低（數(shù)十ｍＷ范圍）、難以截獲、抗多徑、低成本、極好的穿透障礙物能力等優(yōu)點，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入和通信、雷達、定位、汽車防撞、液面感應和高度測量應用。

ＵＷＢ信息調(diào)制方式需結(jié)合ＵＷＢ傳播特性和脈沖產(chǎn)生方法綜合考慮，通?？刹捎妹}沖位置調(diào)制（Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）和正反極性調(diào)制（Ａｎｔｉｐｏｄａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ），這里采用ＰＰＭ調(diào)制。

從本質(zhì)上看，ＵＷＢ無線技術是發(fā)射和接收超短電磁能量脈沖的技術，它采用極窄脈沖直接激勵天線。因此，極窄脈沖的產(chǎn)生就顯得尤為重要。目前，ＵＷＢ極窄脈沖的產(chǎn)生方法主要通過雪崩三極管、隧道二極管或階躍恢復二極管實現(xiàn)。其中隧道二極管和階躍恢復二極管所產(chǎn)生的脈沖，上升時間可以達幾十至幾百皮秒，但其幅度較小，一般為毫伏級。采用了利用雪崩三極管的雪崩效應的方案，同時采用雪崩三極管級聯(lián)結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生極窄脈沖，得到輸出脈沖上升時間約為８６３ｐｓ，幅度約為１．２Ｖ。

１ 雪崩效應理論

當ＮＰＮ型晶體管的集電極電壓很高時，收集結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的電場強度比放大低壓運用時大得多。進入收集結(jié)的載流子被強電場加速，從而獲得很大能量，它們與晶格碰撞時產(chǎn)生了新的電子－空穴對，新產(chǎn)生的電子、空穴又分別被強電場加速而重復上述過程。于是流過收集結(jié)的電流?quot;雪崩"式迅速增長，這就是晶體管的雪崩倍增效應。

晶體管在雪崩區(qū)的運用具有如下主要特點：

（１）電流增益增大到正常運用時的Ｍ倍，其中Ｍ為雪崩倍增因子。

（２）由于雪崩運用時集電結(jié)加有很高的反向電壓，集電結(jié)空間電荷區(qū)向基區(qū)一側(cè)的擴展使有效基區(qū)寬度大為縮小，因而少數(shù)載流子通過基區(qū)的渡越時間大為縮短。換言之，晶體管的有效截止頻率大為提高。

（３）在雪崩區(qū)內(nèi)，與某一給定電壓值對應的電流不是單值的。并且隨電壓增加可以出現(xiàn)電流減小的現(xiàn)象。也就是說，雪崩運用時晶體管集電極－發(fā)射極之間呈負阻特性。 （４）改變雪崩電容與負載電阻，所對應的輸出幅度是不同的。換言之，輸出脈沖與雪崩電容和負載電阻有關。

下面對雪崩管的動態(tài)過程進行分析。在雪崩管的動態(tài)過程中，工作點的移動相當復雜現(xiàn)結(jié)合原理圖所示電路（圖４）進行分析（這里主要分析雪崩管Ｑ１的工作過程，其余類同）。
在電路中近似地將雪崩管靜態(tài)負載電阻認為是Ｒｃ，當基極未觸發(fā)時，基極處于反偏，雪崩管截止。根據(jù)電路可列出雪崩管過程的方程為：

(１)

式中：ｉ為通過雪崩管的總電流，ｉc為通過靜態(tài)負載Ｒc的電流，ｉa為雪崩電流，ｕc（０）為電容Ｃ初始電壓，Ｒ為動態(tài)負載電阻，Ｃ為雪崩電容，ｔA為雪崩時間。Ｖce為雪崩管Ｑ１集－射級電壓，Ｖcc為電路直流偏置電壓。

從(１)式可求解出雪崩過程動態(tài)負載線方程式為：

(２)

在具體的雪崩管電路中，Ｒc為幾千歐（本實驗中取為６．８ｋΩ），而Ｒ則為幾十歐（本實驗中取為５１Ω），因此Ｒｃ＞＞Ｒ。雪崩時雪崩電流ｉa比靜態(tài)電流ｉc大得多，即ｉa＞＞ｉc，所以ｉ≈ｉa。于是(２)式可簡化為

(３)

因為０～ｔA這段雪崩時間很短，因此可以略去，即得

 (４)

式(３)和式(４)表明雪崩狀態(tài)下，動態(tài)負載線是可變的。

雪崩管在雪崩區(qū)形成負阻特性，負阻區(qū)處于ＢＶＣＥＯ與ＢＶＣＢＯ之間，當電流再繼續(xù)加大時，則會出現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)象，如圖２所示。

圖２中，電阻負載線Ｉ貫穿了兩個負阻區(qū)。若加以適當?shù)耐苿樱ぷ鼽cａ會通過負阻區(qū)交點ｂ到達ｃ，由于雪崩管的推動能力相當強，ｃ點通常不能被封鎖，因而通過第二負阻區(qū)交點ｄ而推向ｅ點。工作點從ａ到ｅ一共經(jīng)過兩個負阻區(qū)，即電壓或電流信號經(jīng)過兩次正反饋的加速。因此，所獲得的信號其電壓或電流的幅度相當大，其速度也相當快。

當負載線很陡時，如圖２中負載線ＩＩ所示，它沒有與二次擊穿曲線相交而直接推到飽和區(qū)，這時就不會獲得二次負阻區(qū)的加速。

本文介紹的超寬帶ＵＷＢ極窄脈沖發(fā)生器即是利用雪崩管的二次負阻區(qū)加速作用，來達到產(chǎn)生極窄脈沖的目的。

２ ＵＷＢ脈沖產(chǎn)生電路及分析

２．１ 電路原理圖

ＵＷＢ發(fā)射機系統(tǒng)的簡化框圖如圖３所示，系統(tǒng)的信息調(diào)制采用ＰＰＭ調(diào)制。本文主要討論ＵＷＢ脈沖產(chǎn)生電路的設計，電路原理圖如圖４所示。

２．２ 電路分析

當觸發(fā)脈沖尚未到達時，雪崩管截止，電容Ｃ２、Ｃ４在Ｖｃｃ的作用下分別通過電阻Ｒ１、Ｒ和Ｒ２、Ｒ３充電。電容Ｃ通過Ｒｃ充電（充電后其電壓近似等于電源電壓Ｖｃｃ）。當一個足夠大的觸發(fā)脈沖到來后，使晶體管工作點運動到不穩(wěn)定的雪崩負阻區(qū)，Ｑ１雪崩擊穿，產(chǎn)生快速增大的雪崩電流，導致電容Ｃ經(jīng)由晶體管Ｑ１快速放電，從而在負載電阻Ｒ上形成一個窄脈沖。由于雪崩電流很大，因此獲得的窄脈沖有較高的峰值；又由于電容Ｃ儲存的電荷很有限（一般電容量只有幾皮法至幾百皮法），因此脈沖寬度也有限。也就是說，當開始雪崩以后，由于晶體管本身以及電路分布參數(shù)的影響，使得雪崩電流即電容Ｃ的放電電流只能逐漸增大；而到達某一峰值后，又由于電容Ｃ上電荷的減少使得放電電流逐漸減小。前者形成了脈沖的前沿，而后者則形成了脈沖的后沿。 Ｑ１雪崩擊穿后，電容Ｃ放電注入負載Ｒ。這個電壓經(jīng)過電容Ｃ２，導致Ｑ２過壓并且雪崩擊穿。同理Ｑ３也依次快速雪崩擊穿。由于雪崩過程極為迅速，因此這種依次雪崩的過程還是相當快的，從宏觀上可以把它看作是同時觸發(fā)的。因此，在負載上就可以得到一個上升時間非常短的ＵＷＢ極窄脈沖。

２．３ 元件參數(shù)選擇

雪崩晶體管電路中應選擇的電路參數(shù)主要為雪崩晶體管Ｖｃｃ、Ｃ、ＲC及加速電容等。

①雪崩晶體管：雪崩晶體管的選擇依據(jù)主要是雪崩管的輸出振幅及邊沿應滿足要求。

②偏置電壓Ｖｃｃ：必須適當選擇偏置電壓Ｖｃｃ，使雪崩晶體管能夠發(fā)生雪崩效應，同時還應當滿足Ｖｃｃ≤ＢＶcbo。

③雪崩電容：雪崩電容Ｃ不應選擇太大，Ｃ太大，輸出脈沖寬度加寬，電路恢復期太長；但也不能太小，Ｃ太小，輸出脈沖振幅減小，而且影響電容分布。通常取為幾皮法到幾十皮法。一般應選用瓷片電容或云母電容。

在一定范圍內(nèi)，電容Ｃ值越小，脈沖寬度也越小，但幅度也會變得越小。這個結(jié)果由仿真和實驗均得到驗證如表１所示。

當電容Ｃ值小于３皮法時，由于其他寄生參數(shù)的影響，寬度的減小已不明顯。

④集電極電阻ＲC：集電極電阻ＲC應保證雪崩電路能夠在靜止期內(nèi)恢復完畢，即（３～５）（ＲC＋ＲL）Ｃ≤ＴS，式中ＴS為觸發(fā)脈沖重復周期。

通常ＲC選為幾千歐姆到幾十千歐姆。若?。褻＝５ｋΩ、Ｃ＝５０ｐＦ，則ＴS≈１μｓ即觸發(fā)脈沖重復頻率應小于１ＭＨｚ。若?。褻＝５０ｋΩ，則ＴS≈１０μｓ，觸發(fā)脈沖重復頻率應小于１００ｋＨｚ。ＲC不能選得太小，否則雪崩晶體管可能長時間處于導通狀態(tài)，導致溫度過高而燒壞。 ⑤加速電容：電路中Ｃ３、Ｃ５為加速電容，它們的主要作用是幫助加速基帶脈沖，減少脈沖的延遲時間和上升時間。

另外，電路還采用了雪崩管級聯(lián)的設計，原理上可以看作是一個Ｍａｒｘ發(fā)生器。這樣可以增加所產(chǎn)生脈沖的幅度，同時還可以使脈沖的寬度變得更窄。首先，通過雪崩管的級聯(lián)，使加在各級雪崩管集電極的電壓遞增（每級的增量約為Ｖｃｃ）。而集電極電壓的增大可以使雪崩管的導通內(nèi)阻減小，從而縮短脈沖的上升時間ｔr。其次，基極注入電流Ｉb會隨之增大，ｔr也將減小。另外，雪崩管的級聯(lián)結(jié)構(gòu)還可以相當于對各級的輸出脈沖進行了乘積，這樣也會使脈沖的上升時間ｔr得到進一步的減小。這里關鍵是解決好雪崩管觸發(fā)的同時性問題由于脈沖很窄，這一點就尤為突出。如果雪崩管不能很好地同時觸發(fā)，反而會增加輸出脈沖的寬度。為了獲得同時觸發(fā)，就必須要盡量選用觸發(fā)參數(shù)相同的雪崩管。如果有的雪崩管觸發(fā)參數(shù)不同，則需要調(diào)整電路中的元件參數(shù)，使其同時觸發(fā)。實驗中Ａ、Ｂ、Ｃ各點輸出脈沖的寬度分別為：２．４３ｎｓ、１．７６ｎｓ、１．２２ｎｓ；上升時間分別為１．２ｎｓ、１．１２ｎｓ、８６３ｐｓ。與理論分析所得結(jié)論相符。

２．４ 實驗結(jié)果

實驗中采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，得到輸出脈沖波形，如圖５所示。

從圖５中可以看到輸出脈沖的幅度約為１．２Ｖ，寬度約為１．２２ｎｓ（半寬度），上升時間約為８６３ｐｓ。采用的雪崩三極管為３ＤＢ２Ｂ3DB2B型（ｔr≤２ｎｓ）。觸發(fā)脈沖的周期為１μｓ，占空比為５０％。該波形是用Ａｇｉｌｅｎｔ公司的Ｉｎｆｉｎｉｉｕｍ ６００ＭＨｚ示波器測得的。

筆者采用雪崩管級聯(lián)的方法，成功地完成了一種超寬帶（ＵＷＢ）脈沖產(chǎn)生電路的設計，得到的輸出脈沖其寬度和上升時間均較好地符合了要求。今后的工作將致力于提高輸出脈沖的幅度，進一步減小脈沖的寬度和上升時間。