陳淅澄,任 強(qiáng),李少龍

(中國電波傳播研究所，山東 青島 266107)

0 引 言

超寬帶探地雷達(dá)是一種利用超寬帶電磁脈沖進(jìn)行地下淺層目標(biāo)探測(cè)的技術(shù)，近年來，超寬帶探地雷達(dá)作為一項(xiàng)無損探測(cè)新技術(shù)，在工程檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。脈沖源是探地雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，脈沖源的性能對(duì)系統(tǒng)的探測(cè)性能起著至關(guān)重要的作用，不僅影響探地雷達(dá)的探測(cè)深度，也影響地下目標(biāo)探測(cè)的分辨率[1-4]。

超寬帶脈沖源的原理是將各種高速器件等效成開關(guān)，利用儲(chǔ)能元件充放電得到持續(xù)時(shí)間很短的脈沖信號(hào)。超寬帶脈沖源的核心是快速開關(guān)，目前可以采用的高速器件主要有隧道二極管、階躍恢復(fù)二極管、雪崩三極管、漂移階躍恢復(fù)二極管等。這些器件產(chǎn)生的脈沖各有特點(diǎn)，隧道二極管可以產(chǎn)生上升時(shí)間幾十皮秒的脈沖，但是抖動(dòng)大、幅度低、一般是毫伏級(jí)。階躍恢復(fù)二極管是利用它的快速恢復(fù)特性來改善輸入脈沖的邊沿，可以產(chǎn)生幅度幾十伏、寬度幾百皮秒的脈沖。雪崩三極管是利用它的雪崩擊穿特性，可以產(chǎn)生幅度幾十伏到上千伏、寬度幾納秒的脈沖。漂移階躍恢復(fù)二極管可以產(chǎn)生達(dá)上千伏的高壓皮秒脈沖，但是現(xiàn)在的市場(chǎng)上還沒有商用的器件銷售廣泛應(yīng)用。

近年來，有多種脈沖發(fā)生電路被提出，其中，利用階躍恢復(fù)二極管、場(chǎng)效應(yīng)管、肖特基二極管以及短路微帶線組成脈沖發(fā)生電路，產(chǎn)生的脈沖的振鈴很?。焕肈觸發(fā)器以及短路微帶線組成的脈沖發(fā)生電路，脈沖幅度較小且脈沖拖尾較大。文獻(xiàn)[5]提出利用微波三極管的開關(guān)特性和階躍二極管的階躍特性以及電容的充放電過程產(chǎn)生高斯脈沖信號(hào)，該電路通過調(diào)節(jié)充放電容值可得到3 V～8 V的幅度可調(diào)的皮秒級(jí)高斯脈沖，脈沖振鈴很小。通過調(diào)節(jié)充放電電容值可得到3 V～8 V的幅度可調(diào)的皮秒級(jí)高斯脈沖。

本文針對(duì)超寬帶探地雷達(dá)對(duì)發(fā)射電路的需求，設(shè)計(jì)了用雪崩三極管產(chǎn)生平衡輸出的納秒級(jí)脈沖信號(hào)，再經(jīng)階躍恢復(fù)二極管整形電路整形后產(chǎn)生正、負(fù)對(duì)稱的皮秒級(jí)脈沖信號(hào)的電路，提高了產(chǎn)生的皮秒級(jí)脈沖的幅度。輸出的脈沖幅度為±26 V，脈沖寬度小于260 ps,重復(fù)頻率可達(dá)200 kHz。

1 平衡輸出皮秒級(jí)脈沖源設(shè)計(jì)

平衡輸出皮秒級(jí)脈沖源電路主要由平衡輸出雪崩三極管電路、階躍恢復(fù)二極管整形電路兩部分組成，如圖1所示。

圖1 平衡輸出皮秒級(jí)脈沖源電路組成

1.1 平衡輸出雪崩三極管電路

雪崩三極管是兼具快速響應(yīng)和很大的脈沖能力的一種開關(guān)器件，很早就被用作放電開關(guān)產(chǎn)生窄脈沖信號(hào)[5-7]。

圖2所示是典型的雪崩三極管電路，Q1是雪崩三極管，Rc是限流電阻，C是儲(chǔ)能電容，Cb是觸發(fā)耦合電容。高壓電源通過電阻Rc給電容C充電，電路處于臨界雪崩狀態(tài)，觸發(fā)脈沖經(jīng)電容Cb觸發(fā)雪崩三極管發(fā)生雪崩導(dǎo)通，電容C存儲(chǔ)的電荷通過雪崩三極管和負(fù)載電阻RL迅速放電，從而產(chǎn)生負(fù)極性快速脈沖信號(hào)。

圖2 典型的雪崩三極管電路

為了產(chǎn)生正、負(fù)對(duì)稱的納秒級(jí)脈沖信號(hào)，在圖2電路基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了圖3所示的平衡輸出雪崩三極管電路。Q1是雪崩三極管，型號(hào)為2N2222，T1是脈沖變壓器，R3是限流電阻，C3是儲(chǔ)能電容，R7、R8是負(fù)載電阻。高壓電源通過電感L1、電阻R2、R3給儲(chǔ)能電容C3充電，電路處于臨界雪崩狀態(tài)，觸發(fā)脈沖經(jīng)電容C1、脈沖變壓器T1觸發(fā)雪崩三極管Q1發(fā)生雪崩導(dǎo)通，C3上存儲(chǔ)的電荷通過雪崩三極管Q1、耦合電容C4和電阻R4、R5、R7、R8迅速放電，在輸出端產(chǎn)生正、負(fù)對(duì)稱的納秒級(jí)脈沖信號(hào)。

圖3 平衡輸出雪崩三極管電路

1.2 階躍恢復(fù)二極管整形電路

階躍恢復(fù)二極管又稱作電荷儲(chǔ)存二極管，簡(jiǎn)稱階躍二極管。利用階躍二極管由導(dǎo)通恢復(fù)到截止時(shí)的電流突變可以產(chǎn)生皮秒級(jí)窄脈沖輸出。階躍二極管與普通PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)稍有不同，采用了P+NN+結(jié)構(gòu)，其中N層的載流子濃度很低。階躍二極管正偏時(shí)，二極管PN結(jié)導(dǎo)通，并在兩邊存儲(chǔ)大量電荷，當(dāng)電壓迅速轉(zhuǎn)為反向時(shí)，階躍二極管不會(huì)馬上截止，直到存儲(chǔ)的電荷消耗完時(shí)，反向電流迅速減小，由導(dǎo)通狀態(tài)迅速進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，形成陡峭的階躍信號(hào)[5-6]。

圖4所示是階躍二極管的階躍特性分析暫態(tài)波形，ui為加在階躍二極管D及串聯(lián)電阻RL的電壓，其電壓波形見圖4(b)。圖4(c)為流經(jīng)階躍二極管的電流變化波形。圖4(d)為階躍二極管PN結(jié)電壓變化波形。ts是階躍二極管的存貯時(shí)間，tt是階躍二極管的階躍恢復(fù)時(shí)間,trr是階躍二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。ts較大，tt很小，是階躍二極管的典型特征。利用階躍二極管的反向恢復(fù)出現(xiàn)的階躍特性可以將較慢的脈沖信號(hào)整形為邊沿較快的脈沖信號(hào)。

圖4 階躍二極管的階躍恢復(fù)特性

本文根據(jù)階躍二極管的階躍恢復(fù)特性，設(shè)計(jì)了圖5所示的階躍二極管整形電路。此電路的特點(diǎn)是可以同時(shí)對(duì)輸入的正、負(fù)極性納秒級(jí)脈沖信號(hào)整形，產(chǎn)生的正、負(fù)極性皮秒級(jí)脈沖信號(hào)寬度可以調(diào)整。階躍二極管型號(hào)為2J5J，它的階躍時(shí)間為150 ps,少數(shù)載流子壽命為30 ns,結(jié)電容為1.1 pF,擊穿電壓為30 V。

圖5 階躍二極管整形電路

階躍二極管D1、D2對(duì)輸入的納秒級(jí)負(fù)脈沖信號(hào)整形，調(diào)整電位器RP1、RP2可以調(diào)整階躍二極管D1、D2的偏置電流，從而調(diào)整輸出的皮秒級(jí)負(fù)脈沖的寬度；階躍二極管D3、D4對(duì)輸入的納秒級(jí)正脈沖信號(hào)整形，調(diào)整電位器RP3、RP4可以調(diào)整階躍二極管D3、D4的偏置電流，從而調(diào)整輸出的皮秒級(jí)正脈沖的寬度。

2 電路測(cè)試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)

2.1 電路測(cè)試結(jié)果

圖6所示為脈沖源電路測(cè)試系統(tǒng)示意圖。測(cè)量?jī)x器使用Agilent的DSO9404A示波器，示波器的帶寬為4 GHz。衰減器型號(hào)為BW-S20W2+，頻率范圍0 GHz～18 GHz，衰減值20 dB。脈沖源電路產(chǎn)生的正、負(fù)極性的脈沖信號(hào)經(jīng)衰減器衰減為1/10后分別送入示波器的通道1和通道2。

圖6 脈沖測(cè)試系統(tǒng)示意圖

雪崩三極管電路產(chǎn)生的納秒級(jí)脈沖信號(hào)波形如圖7所示，正脈沖幅度為39.9 V，寬度為3.9 ns; 負(fù)脈沖幅度為-37.8 V，寬度為3.9 ns。

圖7 雪崩三極管電路輸出波形

經(jīng)階躍二極管整形電路整形后產(chǎn)生的皮秒級(jí)脈沖信號(hào)測(cè)量結(jié)果如圖8、9所示，脈沖幅度為±26.5 V，寬度為253 ps。正、負(fù)脈沖波形基本對(duì)稱，拖尾震蕩較小。脈沖信號(hào)-10 dB帶寬為2 GHz，正、負(fù)脈沖頻譜基本一致。

圖8 脈沖源電路輸出脈沖波形

圖9 脈沖源電路輸出脈沖頻譜圖

2.2 平衡輸出皮秒級(jí)脈沖源應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

將設(shè)計(jì)的平衡輸出皮秒級(jí)脈沖源、天線以及主機(jī)組成了中心頻率為1.5 GHz的探測(cè)系統(tǒng)，探測(cè)目標(biāo)是一種比較難于探測(cè)的72式塑料殼防步兵地雷,地雷直徑為7.8 cm,厚度為4.0 cm，埋深2 cm。探測(cè)時(shí)探地雷達(dá)時(shí)窗為5 ns，天線距離地面5 cm。

探地雷達(dá)接收信號(hào)根據(jù)掃描方向可以表示為三種形式，A-Scan、B-Scan和C-Scan。實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)采集方式如圖10所示，其中xy面表示探測(cè)表面，z軸表示深度。每個(gè)A-Scan波形包含512個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)B-Scan包含50個(gè)A-Scan波形，每個(gè)C-Scan包含30個(gè)B-Scan。相鄰兩個(gè)A-Scan相距1 cm，相鄰兩個(gè)B-Scan也相距1 cm。

圖10 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集方式

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后二維剖面圖如圖11、12所示，圖中可清晰分辨出地雷，可顯示出地雷的輪廓，分辨率比較高，取得了較好的探測(cè)效果。

圖11 地雷目標(biāo)沿深度方向剖面圖

圖12 地雷目標(biāo)沿水平方向剖面圖

3 結(jié) 語

本文分析了平衡輸出皮秒脈沖電路的原理，制作了實(shí)際電路,并進(jìn)行了測(cè)試。該電路產(chǎn)生的皮秒脈沖對(duì)稱性好、頻帶寬、脈沖寬度可調(diào)、與對(duì)稱輸入超寬帶天線匹配良好。由于其在淺層地下目標(biāo)探測(cè)中探測(cè)分辨率高、探測(cè)深度深，探測(cè)效果良好，已在超寬帶探地雷達(dá)發(fā)射機(jī)中得到應(yīng)用。