技术资料：《A Novel Picosecond Pulse Generation Circuit Based on SRD and NLTL》

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日期：2025-01-21

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）的皮秒级脉冲生成电路，该电路能够产生130皮秒、3.3伏特的脉冲，适用于需要亚纳秒脉冲的超宽带（UWB）雷达系统。

研究背景

· 研究问题：由于超宽带雷达在医疗成像、无损检测、地下探测、测距、交通控制和安全系统等领域的广泛应用，短脉冲生成技术在UWB系统中受到了广泛关注。为了提高雷达的穿透力和分辨率，需要进一步缩短脉冲宽度，因此研究者们致力于开发新型的皮秒级脉冲生成电路。
· 研究难点：在设计脉冲生成电路时，需要考虑脉冲的峰值功率、上升时间以及波形失真等因素。传统的CMOS集成电路方法虽然灵活，但开发周期长、成本高。其他如雪崩晶体管、隧道二极管、光导开关等方法也存在局限性，如输出脉冲幅度受限、重复频率低等问题。SRD由于其易于制造、成本效益高和能产生具有尖锐过渡边缘的脉冲而被广泛使用，但其产生的窄脉冲宽度受限，无法满足更宽频带的需求。
· 文献综述：先前的研究中，Wang等人基于雪崩晶体管的雪崩效应设计了纳秒级脉冲，但这种方法的重复频率有限，晶体管寿命短。Ruai和Konishi的研究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1伏。SRD由于其易于制造和成本效益，被用作关键的窄脉冲生成组件，但其产生的窄脉冲宽度受限，无法满足进一步的带宽要求。因此，本文提出了一种结合SRD和NLTL的方法，以生成皮秒级脉冲。

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。
· 测量结果：通过Teflon板制作的脉冲发生器原型，其结构紧凑。使用Lecroy Wave Master 8600A 6GHz DSO示波器监测输出波形。测量结果显示，输出脉冲的幅度为3.3V，脉冲宽度为130ps。

结果与分析

· 脉冲宽度和幅度的影响因素：仿真结果表明，较小的激励电感意味着生成的脉冲幅度较小，脉冲宽度较窄。具有小结电容的SRD可以产生窄宽度和高幅度的脉冲。因此，推荐在UWB脉冲生成电路设计中使用适当的电感和具有最小可能结电容的SRD。为了进一步减小窄脉冲的宽度，使用了NLTL电路，能够生成半幅度宽度为130ps、幅度为3.3V的窄脉冲。

· NLTL电路的作用：NLTL电路通过改变肖特基二极管的反偏电压来调节延迟时间，从而缩短脉冲上升时间并延长下降时间。通过在NLTL中的每个肖特基二极管上增加接地电阻，可以进一步陡化脉冲的下降沿。

根据提供的文档内容，关于脉冲生成电路（Pulse-generating circuit）的描述主要集中在以下几个方面：

SRD结构：SRD（Step Recovery Diode）是一种PN结二极管，其杂质分布不均匀。在正向偏置时，PN结两侧注入了大量的少数载流子。当SRD从正向偏置转换为负向偏置时，存储的少数载流子会形成一个强烈的反向电流，当所有少数载流子被提取完毕时，反向电流会突然降低至极低水平，从而切断二极管并形成阶跃电压。
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。在SRD从正向偏置转换为反向偏置的过程中，SRD仍然处于导通状态，直到SRD结上的电荷耗尽。在SRD截止时，可以等效为一个可变电容。电路的时间域响应分析表明，脉冲宽度、幅度和形状在很大程度上取决于激励电感L和Ca的值。
NLTL电路：非线性传输线（NLTL）由多个微带传输线组成，这些传输线之间有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整NLTL的延迟时间。
测量结果和讨论：提出的窄脉冲生成电路基于SRD和NLTL。通过实验，生成的脉冲宽度为130ps，幅度为3.3V。电路使用了Teflon板制作，并通过Lecroy Wave Master 8600A 6GHz DSO示波器监测波形。
结论：基于SRD和NLTL的窄脉冲生成电路能够产生宽度为130ps、幅度为3.3V的窄脉冲，适用于需要亚纳秒脉冲的UWB雷达系统。

总体结论

· 研究发现：提出了一种基于SRD和NLTL的皮秒级脉冲生成电路。该电路能够产生130ps、3.3V的脉冲，适用于需要亚纳秒级脉冲的UWB雷达系统。
· 解释与分析：通过详细分析和仿真验证，确定了影响脉冲波形失真的因素，并提出了减小脉冲宽度和幅度的方法。SRD和NLTL的结合使用，不仅提高了脉冲的峰值功率，还缩短了脉冲的上升时间。
· 研究意义：该研究为UWB雷达系统中短脉冲的生成提供了新的技术方案，有助于提高雷达系统的性能，特别是在需要高分辨率和穿透能力的应用场景中。

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