一种UWB雷达脉冲信号发生器的设计

李秀贵，倪 原

(西安工业大学电子信息工程学院，陕西西安 710032)

研究的超宽带雷达系统被用于探测障碍物后面的人体生命信息。超宽带雷达可以被应用于反恐和废墟中人体生命信号的探测[1]。超宽带雷达就是通过产生、传输、接收一种持续时间大约为几百ps到几ns的电磁能量脉冲来传送信息或者探测目标。从信息论和通信基本理论的方面来考虑，信号所占带宽越宽，对提高通信性能越有利。传统的通过对载波进行各种调制实现的“窄带”通信技术渐渐难以满足需求[2]。然而无载波的UWB技术由于它的窄脉冲、超宽带特点，使其具有了良好的探测、定位和穿透的能力。根据这些特点，利用雪崩三极管的雪崩特性，设计了一种结构简单的皮秒级脉冲形成电路，，其峰值达2 V，可以满足基于UWB雷达的人体生命探测系统的要求。

1 UWB雷达的人体生命探测系统的工作原理

生命信息探测系统主要是脉冲产生及发射模块，回波信号接收及预处理模块、目标定位算法处理及信息显示模块3大部分。UWB雷达的人体生命探测系统的工作原理如图1所示。窄脉冲信号发生器由脉冲振荡器产生10 MHz的占空比为50%的方波信号，该信号经过脉冲整形、UWB脉冲成形电路产生ps级的UWB脉冲，并通过发射天线辐射出去;被人体胸壁运动反射的回波信号送到接收取样电路，同时经过延时电路产生与发射端同样的UWB脉冲作为同步脉冲，通过取样门对信号的接收进行选择，再经过取样积分把脉冲积累后将微弱的生命体征信息检测出来，经过带通滤波电路和放大滤波电路将检测出呼吸和心跳信号，输入计算机。计算机收到一组回波信号后，进行A/D转换，对转化后的数据进行算法处理，在显示器上面显示出相应的呼吸和体动信号。

图1 UWB雷达的人体生命探测系统的工作原理框图

2 脉冲信号发生器的设计

UWB雷达的人体生命探测系统实现的关键技术之一是如何设计并产生可以控制的窄脉冲。设计合适的脉冲信号发生器尤为重要。

2.1 几种窄脉冲产生方法的分析

目前从国内外对超宽带技术的研究来看，超宽带脉冲产生的方法大致可以分为两种:一种是利用数字电路的逻辑器件特性来实现所需窄脉冲信号的产生，这种方法虽然简单，便于集成化，能产生近似各阶微分高斯脉冲，但是产生的脉冲宽度太宽，幅度很低，文献[3]就是按照这种方法产生的脉冲信号;另一种是将各种高速器件等效成开关，从而利用储能元件充放电得到短持续时间的信号，再结合脉冲成形电路整形成为满足要求的，电压足够高的脉冲[4]。文中是利用射频双极性三极管在低工作电压下的雪崩特性来设计的双极性窄脉冲信号发生器。

2.2 雪崩三极管的击穿机理

在晶体管的集电结空间电荷区加上很强的电场，集电结的载流子被电场加速，这些被加速的载流子与晶格发生碰撞，产生新的电子-空穴对，这些新的电子-空穴对又被电场加速，并和晶格发生碰撞，再次产生新的电子-空穴对，如此重复上述过程。于是流过集电结的电流便迅速增长，形成晶体管的雪崩效应。把雪崩效应较强的晶体管称为雪崩晶体管[5]。

当基极注入电流为正值，即IB＞0时，发射结处于正向偏置，集电极电流IC随基极电流IB的变化而变化。IC随IB的变化成比例的区域为线性区，IC不随IB明显不变化的区域为饱和区，IB=0以下的区域为截止区。当基极注入电流为负值，IB＜0时，发射结处于反偏，一般情况下，集电极电流IC接近于0。如果在集电极与发射极之间加上很高的电压VCE，集电极电流IC会随基极电流IB和集射电压VCE剧烈变化，所以，此区域称为雪崩区[8]如图2所示。

晶体管输出特性如图2所示，它是一组基极电流IB为常数时集电极电流IC与集电极到发射极电压VCE的关系曲线。如果IB＞0保持不变，随着电压VCE的增大，集电极电流IC开始缓慢增大，当VCE接近BVCEO时，集电极电流IC剧烈增大，此时晶体管被击穿。如果IB＜0且保持不变，随着电压VCE的增大，集电极电流IC开始缓慢增大，当VCE接近和超过BVCEO时，集电极电流IC依然很小，随着电压VCE继续增大，一旦VCE增大到某一定值，使得晶体管的工作点移动到Q点，IC开始剧烈增大。此后即使VCE减小，IC仍然急剧增大，此时晶体管呈现负阻抗特性。从图2中可以看出，对于不同的基极电流IB，临界点Q的位置不同，反向基极电流越小，其Q点越靠近BVCEO直线，但是无论多大，Q点也不能越过BVCEO直线。

图2 晶体管的输出特性曲线

3 电路图和仿真结果

3.1 典型的雪崩三极管脉冲产生电路

典型的雪崩三极管脉冲产生电路如图3所示，当触发脉冲尚未到达时，晶体管截止，处于反向偏置，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上充电得到的电压约等于电源电压VCC。而当触发脉冲到来之后，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，并由击穿前的高阻区转为击穿后的负阻区，并产生骤然增大的雪崩电流。此时，电容C上储存的电荷在该电流的作用下，将通过晶体管向负载电阻RL放电，从而产生脉冲。此后，电容C两端电压很快降低，当电容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，上升时间较长，所以三极管将进入饱和状态。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通过限流电阻RC和负载电阻RL向C充电，经过大约(3～5)个(RC+RL)C的恢复时间后，储能电容C即进入稳态，两端电压近似为VCC，从而为下一次触发再做准备。可以看出，由于三极管的雪崩效应，储能电容C的放电过程非常快，因而可在负载电阻RL上形成一个很窄的负极性脉冲输出[9]。

图3 典型的雪崩三极管脉冲产生电路

3.2 改进后的双极性脉冲产生电路

采用RF-BJT三极管MRF5812，设计了的脉冲产生电路如图4所示，该电路由微分整形电路，负极性脉冲产生电路和双极性脉冲产生电路3部分组成，C1、R2构成微分整形电路，R3、R4、R6、Q1、C2、D1及C3形成负脉冲，R5、R7、R8、Q2、C4构成的负反馈电路将负脉冲进一步转换为双极性脉冲。

图4 双极性脉冲发生电路

一般情况下，普遍采用高斯函数的一阶导函数波形[10]，如图5所示。

图5 高斯函数的一阶导函数波形

3.3 电路的仿真结果

图4中双极性脉冲产生电路的输入触发脉冲采用幅值为5 V，频率10 MHz的方波激励，电源电压VCC为30 V，对该电路中元器件进行估值并通过Multisim仿真且反复调试，最终获得峰值电压为2 V，宽度为956 ps的双极性脉冲，如图6所示。将图6与图5理想的高斯一阶导函数波形相比较，有拖尾现象，但应用于人体生命信号探测较为理想。

图6 仿真结果

4 结束语

提出了一种人体生命信号探测系统的脉冲发生器。电路是由RF三极管BJTMRF5812为核心器件、辅助器件电阻、电容构成的，适合于生命信号的探测。通过仿真调试，可得到峰值电压为2 V，脉冲宽度为956 ps的时域脉冲波形，通过适当改变C4，可改变输出的脉冲幅度和宽度。从理论上结合仿真结果分析，该脉冲完全适合穿墙生命信号的探测，而且波形理想，电路简单，易于实现。

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