技术资料:《Mathematical Analysis of the Nanosecond Pulse Generator on Two SRD Diodes Used in UWB Radars》

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日期:2025-01-18

核心速览

本文对使用两个步进恢复二极管(SRD)的纳秒脉冲发生器进行了数学分析,提出了一个包含寄生电容和电感的扩展电路模型,该模型能够实现输出脉冲宽度的宽范围变化,并具有亚纳秒级的上升和下降时间。

研究背景

·  研究问题:在超宽带(UWB)雷达中,形成具有数十至数百皮秒上升沿、约30V幅度和高达数MHz重复频率的短脉冲是一个技术挑战。步进恢复二极管(SRD)是形成此类脉冲的理想选择,因为它们的简单电路设计和输出脉冲宽度的可调性。本文旨在通过数学模型分析SRD脉冲发生器的电路,以优化输出脉冲参数。
·  研究难点:由于电路中存在大量元件和复杂的过渡过程,精确计算二极管的耗散电流变得困难。此外,寄生电容和电感等寄生元件在特定频率下的小值也会显著影响结果。
·  文献综述:文章提到了使用隧道二极管、超高频晶体管、非线性形成器、雪崩晶体管、S型二极管、漂移二极管、气体放电形成器等元件来形成特定脉冲的研究。对于SRD,已有研究显示其在形成具有特定前沿和下降沿的脉冲方面的优势。本文的模型选择基于对单个SRD方案的积极研究结果。

数学分析

·  双SRD脉冲发生器电路:文章详细描述了包含寄生电容和电感的扩展电路,该电路基于两个SRD二极管,能够实现输出脉冲宽度的宽范围变化,同时具有亚纳秒级的上升和下降时间。通过解决微分方程组,分析了电路元件对输出脉冲参数的影响,并选取了最优值。
·  微分方程组的建立与求解:构建了一个包含17个方程的系统,通过数值方法求解,得到了通过第一个二极管的电流i4(t)。利用该电流值,进一步分析了第一个二极管的耗散电荷D1的行为,并确定了二极管D1的开关时间ts1。
·  二极管D2的耗散阶段与开关:在D1二极管切换后,D2二极管的耗散电流开始增加。通过改变系统方程中的动态电阻Rd1(t),求解了第二个系统,得到了通过第二个二极管的电流i9(t)。通过积分电流,得到了耗散电荷Qdis2,并确定了D2二极管的开关时间tS2。

实验验证

·  物理实验与计算结果对比:为了验证计算结果,组装了一个原型板,并使用宽带示波器进行了物理实验。实验结果与计算结果几乎完全一致,仅在初始段和脉冲形成后的区域存在差异。计算中使用的二极管动态电阻值相对较低,导致了电容器的快速放电。



结果与分析

·  输出脉冲形成阶段:在确定了二极管的开关时间后,可以完整地追踪从输入脉冲到输出脉冲形成的全过程。通过求解包含21个方程的最终系统,分析了电路的详细情况,并找到了电路元件的额定值对输出脉冲形状和参数的影响。
·  输出脉冲参数的优化:研究了输出脉冲持续时间的变化、寄生安装电感Lm对脉冲形状的影响、分离电容Cg和Cs的额定值选择,以及电感L1和二极管D2寄生电容对输出脉冲形状的影响。通过实验和计算,确定了在特定频率下获得最大谱密度的输出脉冲持续时间的最优值。

总体结论

·  计算与实验的吻合:计算得到的脉冲与物理实验中得到的脉冲几乎完全一致,这验证了所选SRD模型的正确性以及微分方程描述发生器方案操作的准确性。
·  电路元件参数的影响:通过解决方程系统得到的电流和电压,可以快速找到电路元件额定值对形成输出脉冲的影响,并选择其最优值。

·  研究意义:本研究为分析具有纳秒级脉冲宽度和数百皮秒级前沿的脉冲发生器电路提供了详细的方法,并通过实验验证了模型和计算方法的有效性。


在两SRD脉冲形成器的等效电路中,第一SRD的电荷耗散阶段和其开关过程可以通过以下步骤进行分析:

  1. 当输入脉冲发生时,两个二极管的电荷耗散阶段开始。每个负极性的输入脉冲可以用函数表示为:
    $ U_{in}(t) = A \cdot e^{-(t-t_L)/s_L} \quad \text{for} \quad t_L \leq t \leq t_R $
    其中 $ A $ 是脉冲幅度,$ s_L $ 和 $ s_R $ 分别是脉冲前沿和下降沿的系数,$ t_L $ 和 $ t_R $ 分别是前沿和下降沿的时间位置。通过调整这些值,可以实现物理脉冲与模拟脉冲的良好近似。

  2. 通过适当选择二极管的泵浦电流,可以预期第一个二极管首先切换。这发生在积累的电荷等于零时,相当于积累电荷与耗散电荷 $ Q_{dis} $ 相等。耗散电荷由二极管反向电流的积分确定。

  3. 为了精确找到通过二极管的耗散电流,需要形成方程组并求解。电路中电感和电容上的电压以及通过它们的电流如下:
    $ U_{Lg}(t) = L_g i_1(t) $
    $ U_{Lm}(t) = L_m i_{11}(t) $
    $ i_1(t) = C_g U_{Cg}(t) $
    $ i_2(t) = C_{p1} U_{Cp1}(t) $
    $ i_5(t) = C_s U_{Cs}(t) $
    $ i_{10}(t) = C_{p2} U_{Cp2}(t) $
    其中 $ U_{Lg}(t) $、$ U_{Lm}(t) $、$ U_{Cg}(t) $、$ U_{Cp1}(t) $、$ U_{Cs}(t) $ 和 $ U_{Cp2}(t) $ 分别是电感 $ L_g $、$ L_m $ 和电容 $ C_g $、$ C_{p1} $、$ C_s $、$ C_{p2} $ 上的电压。

  4. 应用基尔霍夫第二定律于各个回路,可以得到一系列方程。例如,对于回路1,方程为:
    $ U_{in}(t) = i_1(t)R_g + U_{Cg}(t) + U_{Lg}(t) + U_{Cp1}(t) $
    对于由回路1和回路2形成的回路,方程为:
    $ U_{in}(t) - U_{ψ1} = i_1(t)R_g + U_{Cg}(t) + U_{Lg}(t) + L_{p1} i_4(t) + i_4(t)R_{d1}(t) $
    其中 $ U_{ψ1} $ 是接触电位,$ R_{d1}(t) $ 是动态电阻。

  5. 通过应用基尔霍夫第一定律于节点,可以得到电流之间的关系。例如,节点1、2、3、4和5的电流关系为:
    $ i_1(t) - i_2(t) - i_3(t) = 0 $
    $ i_3(t) - i_4(t) - i_5(t) - i_6(t) = 0 $
    $ i_6(t) + i_7(t) - i_8(t) = 0 $
    $ i_5(t) - i_7(t) - i_9(t) - i_{10}(t) = 0 $
    $ i_9(t) + i_{10}(t) - i_{11}(t) = 0 $

  6. 将上述17个方程组合成一个系统并求解。由于方程和未知函数的数量太多,无法通过数学软件如Mathematica、Maple或Mathcad找到解析形式的解。因此,我们采用数值方法求解,并得到通过第一个二极管的电流 $ i_4(t) $ 的依赖关系。

  7. 使用这个电流值,我们可以找到耗散电荷 $ D_1 $ 的行为。它表达为:
    $ Q_{dis1} = \int_0^{T_{obs}} i_4(t) , dt $
    其中 $ T_{obs} $ 是观察时间(例如,可以设定为输入脉冲的持续时间,例如15纳秒)。二极管切换时间 $ t_{s1} $ 是耗散电荷 $ Q_{dis1} $ 等于负的积累电荷 $ -Q_{ac1} $ 的时间。

  8. 二极管 $ D_1 $ 切换,其动态电阻急剧增加。二极管 $ D_2 $ 的耗散阶段继续,但其条件发生了变化,因为二极管 $ D_1 $ 已经切换。

以上步骤详细描述了在两SRD脉冲形成器中,第一个SRD的电荷耗散阶段和其开关过程的数学分析方法。

在两SRD脉冲形成器的等效方案中,第二SRD的电荷耗散阶段及其切换过程如下:

  1. 在第一SRD(D1)切换之前,几乎所有的输入电压都被其低电阻绕过,因此第二SRD(D2)的电荷耗散非常缓慢。一旦D1的高电阻恢复,输入电压就会在D2上产生足够的耗散电流。

  2. 这个过渡过程的条件与前一个过程不同。为了找到D2的耗散电流,需要改变系统的方程,将D1的动态电阻从低电阻值RdL更改为高电阻值RdH,这由复合(分段)函数描述。

  3. 因此,第二个系统具有与第一个系统相同的17个方程,但Rd1(t)的值是变化的。解这个系统,我们可以找到通过第二二极管的电流i9(t)的时间依赖性。同时,这也是该二极管积累的电荷的耗散电流。对电流进行积分,我们得到耗散电荷Qdis2。当这个电荷等于积累电荷Qac2时,就是二极管D2切换的开始时间tS2;在时间tt内,其动态电阻从低电阻值RdL急剧过渡到高电阻值RdH。这个过渡可以用函数描述。

  4. 这完成了初步阶段。现在可以找到二极管的切换时间tS1和tS2以及它们对应的电阻函数Rd1(t)和Rd2(t)。