A Novel Picosecond Pulse Generation Circuit Based on SRD and NLTL
作者：
日期：2024-12-28
核心速览
本文介绍了一种基于步进恢复二极管（SRD）和非线性传输线（NLTL）的新型皮秒级脉冲生成电路。
研究背景
· 研究问题：在超宽带（UWB）雷达系统中，为了提高雷达的性能，需要生成具有足够峰值功率和尽可能短上升时间的脉冲。由于UWB雷达在医疗成像、无损检测、地下探测、距离测量、汽车交通控制和安全系统等领域的广泛应用，因此，研究如何生成皮秒级脉冲具有重要意义。
· 研究难点：传统的脉冲生成方法，如雪崩晶体管、隧道二极管、光导开关等，存在脉冲重复频率低、器件寿命短、输出脉冲幅度受限等问题。SRD虽然可以生成具有尖锐过渡边缘的脉冲，但其产生的窄脉冲宽度受到传输时间和载流子寿命的限制，无法满足进一步的带宽要求。
· 文献综述：先前的研究中，Wang等人基于雪崩晶体管设计了超宽带纳秒级脉冲，但这种方法的脉冲重复频率有限，且晶体管寿命短。Ruai和Konishi利用共振隧道二极管产生极短的脉冲，但输出脉冲幅度通常不超过1V。SRD因其易于制造、成本效益高和能生成具有尖锐过渡边缘的脉冲而被广泛用作关键设备。然而，随着电子技术的进步，SRD生成的窄脉冲宽度受到限制，无法满足更宽带宽的要求。因此，本文提出了一种结合SRD和NLTL的方法来生成皮秒级脉冲。
研究方法
· SRD结构：SRD是一种PN结二极管，其杂质分布不均匀，具有特殊的杂质分布，能够在正向偏置时存储大量少数载流子，并在偏置方向反转时形成陡峭的阶跃电压，从而生成窄脉冲。
· 脉冲生成电路设计：SRD脉冲生成电路可以等效为一个小电阻和一个大电容。当SRD从正向偏置转换到反向偏置时，SRD仍然导通，直到SRD结的电荷耗尽。SRD还可以等效为一个可变电容。通过分析电路的时间域响应，可以计算出SRD两侧的电压Vo。
· 电路仿真：为了分析电容Ca、电感L、电容C₁和Ron对Vo的影响，设计了Matlab仿真。仿真结果表明，生成的脉冲宽度、幅度和形状在很大程度上取决于这些参数的值。
结论
本文提出的基于SRD和NLTL的皮秒级脉冲生成电路能够产生130皮秒、3.3伏的脉冲，适用于需要亚纳秒脉冲的UWB雷达系统。通过仿真和实验验证了该电路设计的可行性，并分析了可能引起脉冲波形失真的因素。
研究方法
· SRD结构：研究中使用了特殊的PN结二极管，即步进恢复二极管（SRD），其结构包含高掺杂P+层、低掺杂N型层和高掺杂N*层。SRD在正向偏置时注入大量少数载流子，并在反向偏置时形成陡峭的阶跃电压，从而产生窄脉冲。
· 脉冲生成电路设计：SRD脉冲生成电路等效于一个小电阻和一个大电容。电路设计包括SRD的等效电路，以及在SRD从正向偏置转换到反向偏置时的电路响应分析。通过Matlab仿真分析了电感L、电容Ca、电容C₁和SRD的正向导通电阻Ron对输出电压Vo的影响。
· NLTL电路：非线性传输线（NLTL）由多个微带传输线组成，每段传输线之间是反偏的肖特基二极管。NLTL的延迟与肖特基二极管的结电容有关，通过改变反偏电压可以调节NLTL的延迟时间。
实验设计
· 电路组件选择：SRD脉冲生成电路中使用了型号为mp 4023的SRD，其结电容为0.5pF（最大），传输时间为50ps，载流子寿命为12ns。NLTL模块中使用了四个肖特基二极管，微带传输线长度为3mm，传输线特性阻抗为80Ω。
· 实验过程：实验中首先通过SRD脉冲生成电路产生220ps的窄脉冲，然后通过NLTL进一步将脉冲宽度压缩至130ps，脉冲幅度为3.3V。实验结果通过Teflon板制作的脉冲发生器原型进行测试，并使用Lecroy Wave Master 8600A 6GHz DSO示波器进行监测。
结果与分析
· 仿真结果：仿真结果表明，激励电感L值较小会导致产生的脉冲宽度窄、幅度小，而电容Ca值较小则会导致脉冲宽度窄、幅度大。因此，推荐使用具有最小可能结电容的SRD和适当的电感值用于超宽带脉冲生成电路设计。
· 实验结果：实验中产生的窄脉冲幅度为3.3V，脉冲宽度为130ps。通过SRD和NLTL的结合使用，成功生成了具有陡峭上升沿和下降沿的皮秒级窄脉冲，适用于超宽带雷达系统。
总体结论
· 研究发现：本研究提出了一种基于SRD和NLTL的皮秒级窄脉冲生成电路，能够产生130ps、3.3V的窄脉冲，适用于超宽带雷达系统。通过仿真和实验验证了电路设计的有效性，并分析了影响脉冲宽度和幅度的因素。
· 应用意义：该窄脉冲生成电路能够满足超宽带雷达系统对亚纳秒级脉冲的需求，具有重要的应用价值，特别是在需要高分辨率和穿透能力的医学成像、无损检测等领域。
· 未来展望：研究结果表明，通过进一步优化SRD和NLTL的设计参数，有望进一步提高脉冲的性能，为超宽带雷达技术的发展提供新的可能性。
客服咨询
400 093 7005
周一至周日：09:00AM-21:00PM
微信扫码关注
小程序扫码注册