核心速览

本文介绍了一种基于阶跃恢复二极管（SRD）的皮秒脉冲发生器的设计、分析和测量。该发生器能够产生亚纳秒级的高斯脉冲，适用于需要厘米级分辨率的成像应用，如生物医学成像。

研究背景

·  研究问题：超宽带（UWB）雷达技术依赖于短电磁脉冲来提供高分辨率成像。为了实现这一目标，需要开发能够产生高质量脉冲的脉冲发生器。本文探讨了使用SRD二极管来生成皮秒级高斯脉冲的方法。
·  研究难点：设计一个简单电路配置的脉冲发生器，能够产生具有高幅度和窄脉宽的高斯脉冲，同时避免复杂的直流偏置或非线性传输线等要求。
·  文献综述：UWB雷达技术的发展推动了对高分辨率成像的需求，而脉冲发生器的设计是实现这一目标的关键。已有多种方法被提出用于生成UWB脉冲，包括使用CMOS架构、雪崩晶体管、场效应晶体管（FET）、非线性传输线和SRD二极管等。SRD二极管因其简单性而被选为本研究的基础。

文章内容总结

一、引言

超宽带雷达技术能够提供高分辨率成像，其性能部分取决于UWB脉冲的特性，如脉冲宽度和形状。本文提出了一种基于SRD二极管的简单电路配置，用于生成亚纳秒级高斯脉冲，并通过仿真和测量验证了其性能。

二、电路配置与仿真

A. 电路配置

SRD脉冲发生器可以通过串联、并联或混合配置实现。本文采用串联和并联二极管的组合来将输入的正弦波形整形为高斯脉冲。通过改变输入信号的频率，可以确定脉冲的重复频率。在并联配置中，正向偏置时电荷积累在结点上，而当极性改变时，负电荷开始积累并抵消正电荷，产生脉冲。在串联配置中，反向偏置的二极管在正周期显示高阻抗，在负周期显示低阻抗，从而产生尖锐的脉冲边缘。

B. 仿真

通过ANSYS电子桌面软件进行仿真，使用两个相同的SRD二极管（MMDB 30-Aeroflex），并考虑了寄生效应。仿真结果表明，通过调整输入电压和电感值，可以获得理想的脉冲形状。仿真显示，增加电感和输入电压可以产生幅度更高、宽度更窄的脉冲。

三、制作与测量

制作了脉冲发生器，并使用正弦波信号发生器和采样示波器进行测量。测量结果与仿真结果一致，表明该电路能够产生高质量的高斯脉冲。测量中发现，最佳脉冲宽度从仿真中的168ps增加到286ps，这主要是由于SRD二极管建模的限制和焊接过程中的寄生效应。

四、结论

本文报告了一种基于SRD二极管的皮秒脉冲发生器，该发生器具有简单的电路配置，无需直流偏置，并使用正弦波输入。仿真和测量结果证明了该电路能够产生高质量的高斯脉冲。

致谢

作者感谢NSERC、Killam Trusts和T.Chen Fong奖学金的财务支持，并感谢Dr.Rambabu Karumudi提供时域设备以及Mr.Jeremie Bourqui在测量过程中的帮助。

参考文献

文章引用了多篇相关文献，包括D.Oloumi关于超宽带合成孔径雷达成像的理论与应用的研究，以及K.Chan关于用于实时生命体征监测的无接触传感器的研究等。

电路配置与仿真

·  电路配置：基于SRD二极管的脉冲发生器可以通过串联、并联或两者的组合配置实现。输入信号为正弦波，频率决定了脉冲重复频率。在并联配置中，正向偏置时电荷积累在结点上，当极性改变时，负电荷开始积累并抵消正电荷，通过重组过程，二极管保持正向偏置。在串联配置中，反向偏置时二极管在正周期显示高阻抗，在负周期显示低阻抗，从负周期到正周期的切换产生尖锐的阶跃。
·  仿真：通过ANSYS电子桌面软件进行仿真，使用两个相同的SRD二极管（MMDB 30-Aeroflex），通过调整输入电压和电感值来获得最佳脉冲形状。仿真结果表明，增加电感和输入电压可以得到幅度更高、宽度更窄的脉冲。对于该电路配置，至少需要3V的输入电压以获得二极管的适当响应，超过8V后脉冲宽度变化不大。基于仿真结果，选择了14.7nH的电感和10V的输入电压。

制作与测量

·  制作的脉冲发生器：制作的脉冲发生器如图3(a)所示。测量设置包括脉冲发生器、正弦信号发生器和采样示波器。对不同的电压和电感值进行测量，以评估设计的脉冲发生器的性能。测量结果表明，最佳生成的脉冲是通过14.7nH和10V获得的，这与仿真结果一致。仿真和测量结果的趋势相同，但最佳情况下的脉冲宽度从168ps扩大到286ps。这种差异主要是由于SRD二极管的建模限制和由于焊接产生的寄生效应。

结论

·  脉冲发生器：本文报告了一种基于SRD二极管的皮秒级脉冲发生器，该发生器具有简单的电路配置，无需直流偏置，并使用正弦波输入。仿真和测量结果证明了该电路能够生成高质量的高斯脉冲，适用于成像应用，特别是对分辨率要求较高的生物医学成像。

致谢

·  资金支持：作者感谢NSERC（博士后奖学金和发现计划）、Killam信托和T.Chen Fong奖学金的财务支持。作者还感谢Dr.Rambabu Karumudi提供时域设备以及Mr.Jeremie Bourqui在测量期间的帮助。

参考文献

·  文献引用：文中引用了多篇与UWB雷达技术、脉冲发生器设计、SRD二极管应用相关的文献，包括D.Oloumi的博士论文、K.Chan的博士论文、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques等，这些文献为本研究提供了理论基础和技术参考。

时序变换取样的特点可以总结如下：

1. 取样点的顺序性：时序变换取样中，取样点沿着时间轴的正方向或反方向移动，具有一定的顺序性。

2. 时间刻度的变化：样品所组成的复现信号的时间刻度与原信号相比发生了变化，通常在时间上有所伸长。

3. 同步积累过程：变换取样是一个同步积累的过程，这大大提高了信噪比。

4. 频带宽度要求：变换取样只在取样的局部装置上要求频带宽度，而在样品处理部分则是低频信号，没有更高的频响要求，从而降低了对整个系统的频率特性要求。

5. 取样方式：时序变换取样可以分为步进取样、步退取样和差频取样三种。

6. 取样脉冲与信号频率关系：取样脉冲的频率与被取样信号的频率关系决定了取样方式。例如，当取样脉冲频率低于被取样信号频率若干倍时，复现信号的时间伸长系数更大。

7. 步进和步退的取样效果：步进和步退的取样效果相同，但在相位上相差180度。

8. 变换取样原理：变换取样是通过在周期信号或可重现信号的每一个信号上或每隔整数个信号上取出一个样品，由取出的样品重新组成一个信号，新组成的复现信号形状与原来信号相似，并且在时间刻度上比原信号增长了若干倍。