宽带匹配的低失真单周期超窄脉冲发生器

黄 辉，李楚宝,欧阳缮

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 7100652.西安电子科学大学电子工程学院，陕西 西安 710071)

0 引言

单周期超窄脉冲发生器是高精度冲激脉冲定距超宽带雷达的关键电路，要求所产生脉冲具有较大的发射功率(探测距离)、较窄的脉宽(皮秒级)和高质量的波形即对称性好、振铃低[1-2]。

产生单周期超窄脉冲的方法有两种：延时叠加法和高通滤波法。第一种方法的缺点是微带传输延时线的长度精度设计不当很容易导致波形失真，电路加工精度和分布参数也会给波形的设计和调试带来不确定影响。文献[3-6]得到的单周期超窄脉冲虽然脉宽不大于500 ps，幅度却没有超过2 V，且波形均有较大的振铃和较长的拖尾。第二种方法是将高斯单极性脉冲经过一个高通滤波器对其进行微分处理，单极性高斯脉冲的一阶微分也称为单周期脉冲。文献[7-8]采用RC高通滤波的方法将压制振铃后的单极性高斯脉冲经微分处理后得到单周期窄脉冲，同样其脉冲宽度在300～1 000 ps之间但幅度却仍没超过2 V，振铃电平均超过脉冲振幅的10%，且并没有介绍该脉冲电路的匹配特性。文献[9]采用两个单极性高斯脉冲合并提高其幅度后再做微分的方法实现了高达33 Vpp，脉宽800 ps的单周期窄脉冲设计，其中每个单极性高斯脉冲电路均有一个由两个微波三极管组成的驱动电路、一个恒流源和一个由延迟线组成的脉冲整形电路，可见电路形式较为复杂，且由于该原因使得到的单周期脉冲振铃电平接近脉冲振幅的20%以及较长的拖尾。文献[10]同样使用了RC高通滤波的方法，但由于采用了一个具有宽带匹配特性的衰减器进行振铃压制和宽带匹配，几乎压制了所有振铃及高达6 GHz带宽范围内的阻抗匹配，缺点是大大损失了脉冲幅度。文献[11]得到了幅度7.6 Vpp，脉宽470 ps，且振铃较小的高质量波形，其不足之处是使用了两组不同电压值的正负极性双电源驱动两个对称微波三极管作为开关的工作方式，增加了电路复杂度以及电源供电要求且并没有介绍宽带匹配特性。本文针对传统单周期超窄脉冲发生器存在脉冲振铃大、拖尾长、对称性差以及与天线匹配特性不好导致波形失真而影响系统性能的问题，提出了宽带匹配的单周期超窄脉冲发生器。

1 单周期窄脉冲产生原理及波形失真分析

典型的单周期窄脉冲产生原理框图一般由三部分组成，如图1所示。A部分一般由正弦波或周期性方波作为信号源，经微波三极管驱动产生电流较大的单极性脉冲。此时该脉冲的下降沿仍比较慢。B部分利用SRD的快速阶跃特性对其下降沿进行锐化处理，得到脉宽和波形满足产生单周期窄脉冲要求的单极性高斯脉冲[12]。C部分则利用延时叠加法或者高通滤波法对单极性高斯脉冲进行整形最后得到单周期窄脉冲。脉冲波形由B至C的变化如图2所示。

虽然已有不少文献对单极性高斯脉冲及SRD的特性做了详细研究，但随着单周期脉冲的大量应用，难点是如何将单极性高斯脉冲整形为低失真的单周期脉冲，对系统影响较大的波形失真主要是振铃和拖尾，正如引言中所分析，在实际电路设计及工程应用时，我们很难同时得到脉冲幅度大、脉宽窄、振铃低、无拖尾且对称性好的单周期脉冲。

其主要原因有三点：

1) 首先需要保证单极性高斯脉冲的幅度足够大、脉宽足够窄且没有振铃和拖尾，否则必然不会得到理想的整形处理结果。采用较大电压的驱动电路或雪崩三极管的方式可增加脉冲幅度，但如果电路参数选择不当则会使其波形恶化，引起后续脉冲整形后所得单周期窄脉冲的振铃现象，如图3所示。可见高斯脉冲波形的恶化会引起单周期脉冲的振铃问题，进而影响系统发射信号的频谱位置和发射功率，导致有效工作距离降低，应对图1中B部分的输出进行优化。

2) 由于单极性高斯脉冲脉宽较窄(亚纳秒)，其带宽一般至少在1 GHz以上，这就需要脉冲整形电路具有较宽的阻抗匹配特性，否则会在其输入和输出接口处产生较大的反射现象，这是拖尾产生最重要的原因。若采用延时叠加法对单极性高斯脉冲进行脉冲整形，除满足引言中所提的精确延迟倒向作用外还必须有较好的宽带匹配特性，且受制作精度的影响，相比而言高通滤波法较容易利用微波仿真软件优化设计。图4为因阻抗失配在距单周期脉冲不同位置处因反射引起的拖尾，该问题会使系统的目标识别精度或探测精度降低，应对图1中C部分进行优化。

3) 文献[10]讨论了因SRD器件特性带来的阻抗失配、信号泄漏和重复频率引起波形失真的三个关键因素，一方面很难在仿真中建立其动态模型，另一方面也不容易在实际工程中对SRD的器件封装寄生特性严格控制。图5是对文献[10]中脉冲整形电路部分(相当于图1中的C)的S参数仿真结果(基于文中推荐电路参数)，可见从S21来看这种电路结构虽然可以完成对单极性高斯脉冲的微分作用完成脉冲整形，但实际上从其S11和S22结果来看并没有很好实现宽带匹配，所以尽管通过使用衰减器解决了失真过大的问题，但只是将波形失真与信号幅度等比例压缩，无法完全消除失真。

另外，在使用过程中天线作为整个电路的终端负载与图1中的脉冲整形电路连接，此时天线的匹配特性不好将导致单周期窄脉冲波形失真。为解决这个问题，首先应保证天线设计过程中与单周期窄脉冲发生器电路的匹配，消除天线作为非匹配负载对窄脉冲的反射导致波形失真；其次还应保证所设计单周期窄脉冲发生器输出端口的宽带匹配特性。综合以上波形失真分析原因及设计复杂度，通过对单极性高斯脉冲波形和脉冲整形电路进行优化设计可在避免对SRD器件的复杂建模、大量电路及天线匹配特性调试基础上得到低失真的单周期窄脉冲。

2 宽带匹配的低失真单周期窄脉冲发生器

为得到低失真的单周期窄脉冲，应对图1中B的输出和C部分进行优化。本文采用SRD产生下降沿锐化的高斯脉冲后，首先利用反向的肖特基二极管压制高斯脉冲的振铃，然后通过宽带的微带滤波器对整形后的类高斯脉冲进行微分处理并保证端口的宽带匹配特性以消除拖尾。图6为本文设计单周期窄脉冲电路原理图，由信号源及驱动电路(A)，高斯脉冲产生(B)和脉冲整形(C)三部分组成。其中在B的输

从资金投入方面看，美国政府有两种主要方式来管理使用联邦资金购买的仪器设备：①联邦政府与联邦资助研发中心以签订研发合同的方式委托后者进行 R&D( Research and Development)项目，项目承办单位主要按照联邦政府采购法中的政府资产管理规定进行管理(简称合同采购平台)。②联邦政府以合作协议的方式对符合公共利益的 R&D项目给予资助(简称资助合作类平台)，主要依据《关于对高校、医院及非盈利性机构给予资助的管理规定》。

出接一个反向的肖特基二极管，对单极性高斯脉冲进行整形处理得到类高斯脉冲送入C，C为具有宽带匹配特性的微带高通滤波器。另外，Q1为微波三极管，具有电流驱动作用；C1为去耦电容，C2为隔直电容；Vdc=24V，Ldc用来去除电流中的高频分量，有利于减小振铃，Rdc为限流电阻。本文所选SRD为M-Pulse公司生产MP4023，其电特性参数和串联电阻等参数可通过查阅出厂资料及直流测试得到。

3 仿真和实测验证

图7为本文对C部分微带高通滤波器S参数的优化设计结果。可见相比于图5，不仅其插损(S21)要小了近2 dB，且其端口的匹配特性大大改善(带宽>6 GHz)。

图8为仿真得到的本文设计单周期窄脉冲的时域波形和频谱，其脉冲幅度大约为8.5 Vpp，脉宽大约530 ps，振铃水平为：(0.107 V+0.454 V)/(4.5 V+4.04 V) =6.57%，没有拖尾，波形对称性约为4.04/4.5=90%。其频谱中心频率为1.48 GHz，6 dB带宽范围为500 MHz～2.8 GHz。

为验证图6所示电路设计的有效性，本文采用ADS微波仿真软件分别对三种不同的整形方法对单极性高斯脉冲的整形处理效果进行了仿真，通过最终产生单周期超窄脉冲的波形质量判断所使用整形方法的有效性，比较结果见图9。

图9中三个仿真曲线均使用了相同的图6中的A、B部分，即整形电路输入的高斯脉冲均相同，所不同的是整形方法。

整形方法1：使用文献[10]中的分立式整形电路。

通过曲线1可见所得到的单周期超窄脉冲不仅有拖尾、振铃，其波形的对称性也较差。

通过曲线2可见其拖尾已经消除，但还有一定的振铃。这是因为通过对图4的分析，本文采用微带型高通滤波器并对其S参数(图7)进行优化设计使其具有较好的宽带匹配特性，从而较好地消除了因反射造成的拖尾。但是由于并没有解决高斯脉冲的振荡问题，所以仍然会有振铃存在。

整形方法3：采用图6中微带型高通滤波器并使用肖特基二极管(D1)

通过曲线3可见其拖尾已经消除，压制了振铃，对称性也有所改善。这是由于通过对图3的分析，本文在高斯脉冲产生电路输出端增加反向肖特基二极管对其振荡进行了压制，使其无法通过微带型高通滤波器的微分处理造成振铃。图10为反向肖特基二极管对单极性高斯脉冲波形的优化效果，可见由于图6中L1激励电感的作用，SRD在对高斯脉冲下降沿进行锐化的时候会产生振荡，这会直接导致后面整形后所得单周期窄脉冲振铃的产生，利用反向肖特基二极管对该振荡削波后得到的波形称为类高斯脉冲，进一步微分处理后便可得到图8所示的低振铃单周期窄脉冲。

通过以上三种整形方法的对比，可见本文分别利用反向肖特基二极管压制单极性高斯脉冲振荡以抑制振铃、利用微带型高通滤波器的宽带匹配特性消除拖尾的方法可有效地产生低失真单周期超窄脉冲。

将图6所示电路制作在介电常数为9.6，厚度为0.6 mm的聚四氟乙烯板材上，线宽为0.6 mm，输入输出采用50 Ω微带线及SMA接头，24 V单电源供电。测试仪器采用泰克的DPO70404型高频示波器(4 GHz采样带宽)，为保护仪器电路输出端与示波器输入端之间连接30 dB衰减器。测试时应考虑负载对波形的影响，即应保证所连接衰减器与高频示波器的输入端口在测试带宽范围内(DC～6 GHz)为50 Ω阻抗特性设置。图11为实测的单周期窄脉冲的时域和频域波形。从时域波形可以看到其幅度大约为7.64 V，脉宽约为500 ps，振铃水平为9.5%，对称性为0.113 7/0.128=88.83%，略差于仿真结果的90%。其6 dB频谱范围为：650 MHz ～3.5 GHz。所得实测结果与仿真基本一致。

表1为以上仿真及实测结果的关键指标数据对比。其中振铃电平为振铃峰峰值与脉冲峰峰值之比；拖尾长度为拖尾峰值与脉冲中心的时间距离；拖尾幅度为拖尾的峰值；对称性为正脉冲与负脉冲的比值。表中数据均为以上仿真及实测图中的结果。

表1 超窄脉冲关键指标验证结果对比

Tab.1 Comparison of verification result of Ultra-Short Pulse key index

整形方法脉冲峰峰值/V脉冲宽度/PS振铃/%拖尾长度/ns拖尾幅值/V对称性/%方法19.186017.1100.60.4方法28.77101070.0546.2方法38.55306.57--90实测结果7.645009.5--88.83

由表1可知，所设计发生器能够产生峰峰值为7.64 V，脉宽小于500 ps且无拖尾，振铃小于10%、对称性约90%的单周期超窄脉冲。从而在保证波形质量的前提下提高了脉冲幅度，设计简单、低成本的特点使其具有较高的工程价值。

4 结论

本文提出了宽带匹配的低失真单周期超窄脉冲发生器，该发生器由SRD产生下降沿锐化的高斯脉冲后，利用反向的肖特基二极管压制高斯脉冲的振荡以抑制振铃，采用微带滤波器对整形后的类高斯脉冲完成高通滤波并保证端口的宽带匹配特性以消除拖尾。实测结果表明，本文宽带匹配的低失真单周期超窄脉冲发生器在幅度损失很小的情况下，大大提高了波形质量，脉冲宽度、振铃、拖尾及对称性均优于传统单周期超窄脉冲发生器设计方法。进一

步提升脉冲幅度仍是该领域需要努力的方向。

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