采用双阶跃恢复二极管的高幅度双极性窄脉冲探地雷达脉冲源的设计

王蕾++冯谞浩++孟庆鹤

摘 要

探地雷达现已广泛应用于各大领域，脉冲发生器的设计是探地雷达设计的核心一环。如何设计高幅度、快前沿的脉冲已成为世界关注的问题。本脉冲源通过整形电路对输入波形进行整形后，利用专用雪崩三极管进行雪崩，产生出对称的双极性脉冲，然后用双阶跃恢复二极管（SRD）进行阶跃以得到高幅度窄脉冲信号，从而既提高了幅度也加快了脉冲前沿，模拟及实际测试结果表明该脉冲发生器能够满足设计要求。该脉冲发生器现已应用于探地雷达产品中，取得了非常理想的探测效果。

【关键词】探地雷达 脉冲发生器 雪崩三极管 阶跃恢复二极管 高幅度 窄脉冲

1 引言

探地雷达技术已经成为一种地球物理界普遍采用的无损检测方法。该方法是脉冲源经宽带天线向地下发射高幅度窄脉冲电磁波，脉冲信号经地下目标反射后由接收机时域取样技术转换为低频信号。该信号经过适当处理，形成检测区域的地下目标波形图。

由于探地雷达发射的电磁波具有超宽带特性，使其具有很强的穿透性和很高的距离分辨率。因此，脉冲源是探地雷达系统设计的核心部件之一。衡量脉冲源性能的优劣主要是幅度和脉宽2个指标，一般来说，前沿越快，系统分辨率越高，越能够分辨出小的目标；幅度越大，探测深度越深。因此，产生前沿快、幅度大且波形良好稳定的脉冲是探地雷达设计的重要问题之一。

本脉冲源设计的主要目的是产生幅度大于30V，前沿小于200ps的脉冲。

目前常用的产生高压的电子器件主要有2类：

（1）电真空器件，以二次电子发射管、放电间隙开关、触发管等为代表；

（2）固体器件，以雪崩三极管、高压MOSFET管、高频BJT晶体管为代表。

由于电真空器件体积庞大，可靠性较低，抖动较大等缺点严重限制其应用范围。而高压MOSFET管和高频BJT晶体管等产生的脉冲幅度偏小。实际上，目前主要采用雪崩技术产生大幅度脉冲，可以用于雪崩的三极管很多，本文采用的是专用的雪崩三极管，其产生脉冲的幅度较高，速度较快，然后利用双阶跃恢复二极管加快前沿，使其能够实现高幅度窄脉冲的设计研制。通过电路的设计更改和调试，最终得到36V，155ps的脉冲。

2 雪崩晶体三极管的基本脉冲电路

利用雪崩晶体三极管进行雪崩的技术已比较成熟，其雪崩效应原理再次不做赘述。利用雪崩效应产生的脉冲幅度略低于供电电压，脉冲宽度从微秒到纳秒量级，有的甚至达到几十皮秒。

图1是雪崩管脉冲形成电路原理图。三极管集电极电压EC对雪崩电容C充电，当输入触发脉冲时，三极管雪崩击穿，致使雪崩电容C上储存的电荷通过负载电阻RL快速放电，从而在负载RL的输出端得到一个高幅度的快速窄脉冲。雪崩结束后，电源EC再次向电容C充电，如此往复。

本文利用雪崩三极管的这个特性从三极管的集电极和射级分别输出正、负脉冲，然后分别进行处理得到理想输出波形。

3 阶跃恢复二极管的工作原理

阶跃恢复二极管（以下简称SRD）的阶跃原理已被熟知，在此也不做赘述。

根据SRD制作高速脉冲的原理，设计阶跃管脉冲发生电路如图2所示。图中，D1为SRD，C1、C2为隔离电容，RW为限流电阻，RL为负载。当输入端送入特定的信号后，经SRD导通与截止状态的转换后，输出信号的上升时间约等于SRD的转变时间tt，而SRD自身的转变时间tt很短，从50ps到300ps不等。

4 脉冲源电路设计

如图3所示，电路设计主要分为脉冲整形电路、雪崩电路和阶跃电路三个部分。

从信号输入到Q101雪崩三极管前的电路组成脉冲整形电路。其对输入的脉冲进行放大、整形后形成适合于雪崩的脉冲波形，该部分对输入脉冲形状要求非常低，无论输入脉冲是单脉冲、TTL方波还是ECL方波，此整形电路均可将输入信号整形成理想输入雪崩波形。该整形电路对输入脉冲的幅度和前沿的要求也很低，幅度可以从几百mV到几V变化，前沿从几纳秒到上百纳秒甚至微秒级的输入脉冲均可实现脉冲整形。

雪崩电路主要是根据电路需求选择合适的雪崩晶体管Q101。根据雪崩晶体管的特性要求，一般情况下可以选取具有较高的BVCBO、较宽的雪崩区宽度、较大的β值、较高的特征频率fT和较低的饱和压降的三极管来实现脉冲形成电路。本文选用的是ZETEX公司的ZTX415专用雪崩三极管。其VCBO和VCEO分别为260V和100V，特征频率40MHz，饱和压降均小于1V，完全可以满足本电路设计的需求。需要注意的是：该雪崩管的集电极需要端接高于260V的高压直流电，以保证该雪崩管正常工作。

阶跃电路部分由单电源供电，经过阶跃限流调节电阻送给阶跃恢复二极管，保证阶跃恢复二极管的正常工作。本文选用的阶跃恢复二极管是ASI公司的ASRD808。该二极管的击穿电压为25V，转变时间为90ps，载流子寿命为30ns。由于阶跃恢复二极管的击穿电压低于雪崩出来的脉冲幅度，为防止击穿和增加阶跃后的脉冲幅度，将两个阶跃恢复二极管串接到电路中以实现输出高幅度脉冲的目的。需要指出的是，由于SRD本身的特性，阶跃出来的脉冲前沿较快，但是后沿却比较慢，因此，需要在RL1和RL2之前加一段短路线进行削波处理，以得到快速窄脉冲信号。短路线的反射系数为-1，它意味着输入脉冲经过短路线后会变成反向脉冲，此反向脉冲与原脉冲叠加形成新的加速后沿的脉冲，从而形成快速窄脉冲。短路线的长度决定了反射脉冲的延迟时间，通过调节短路线的长度能够得到不同宽度的脉冲。事实上，也可以在电路中串联一只快速的肖特基二极管甚至是快速恢复二极管作为削波二极管，作用与削波线相同，只是该二极管正常工作亦需要搭建外围电路，相对比较麻烦，且成本较高。本文采用的是削波线处理方法。

由于雪崩三极管的集电极和发射极得到的是正负双极性脉冲，其幅度相同，极性相反，经后续电路处理后，输出的便是所需要的高幅度、双极性窄脉冲信号，最后经发射机蝶型天线发射出去。

由于输出的信号是高速脉冲信号，其脉冲的质量除了与合理的电路参数设计、雪崩三极管和阶跃恢复二极管的选择有关，还与电路的制作工艺结构（印刷线路板的介质材料、元器件布局、布线走向和屏蔽）有着密切的关系。为此，采取以下措施保证设计指标的实现：

（1） 印制电路板材料选择：选取介电常数好的聚四氟乙烯板材。

（2）印制电路布线：脉冲走向采用高频电路布线技术，使双极性脉冲的元器件对称摆放，布线对称走向；通过大面积接地线覆铜镀银及双层板地线多点漏孔连接消除接地电感影响，正确接地。

（3）屏蔽：探地雷达收发机采用屏蔽盒体消除外部干扰信号影响。

5 测试结果

在ADS2008仿真软件中选择合适的参数，得到该电路可以输出38V，脉冲前沿140ps的高幅度双极性窄脉冲。实际电路测量用的是Agilent DSO90404A示波器，该示波器带宽为4GHz，最高采样速率达20GHz/s，由于其测试电压最高值为5V，故在测试输入时用一个20dB衰减器进行幅度限制，测试结果如图4，其脉冲幅度可以达到36V，前沿155ps。可以看到，电路实际输出脉冲与仿真结果基本吻合。

将该脉冲发生器用于高频探地雷达系统，得到的金属板回波波形如图5所示。图5上图为包含有直达波和金属板反射波的雷达波形，下图为该金属板反射波的峰峰间隔及其峰峰值。从图中可以看出，该脉冲发生器可以发出高幅度双极性窄脉冲，在雷达系统中起到既检测深目标又提高分辨率的作用。目前，该脉冲源已应用于探地雷达实际探测中，探测效果非常理想。

6 结束语

文中利用雪崩三极管能够产生高幅度脉冲和利用阶跃恢复二极管可以加速前沿的技术，结合冲击脉冲探地雷达实际应用要求，提出了一种新的利用两个阶跃恢复二极管串联得到高幅度窄脉冲的设计方法。本脉冲源较普通脉冲源幅度大、前沿快、对称性好，可以高质量输出高频窄带高功率脉冲，既能够保证分辨率又可以提高探测深度，应用于探地雷达系统中具有极大的发展潜力。目前，探地雷达的实际探测效果理想，成功探测了地下目标，是一款具有极其广阔发展前景的脉冲源。

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作者简介

王蕾（1982-），男，山东省威海市人。工学硕士学位。现为中国电波传播研究所工程师，主要研究探地雷达天线的设计。

冯谞浩，男，湖北省襄樊市人。工学硕士学位。现为工业和信息化部电子第五研究所工程师，主要从事电子产品的安全、性能及环境适应性检测工作。

孟庆鹤，男，山东省菏泽市人。工学硕士学位。现为中国电波传播研究所助理工程师，主要探究探地雷达天线的设计。

作者单位

1.中国电波传播研究所 山东省青岛市 266107

2.工业和信息化部电子第五研究所 广东省广州市 510610