傳統(tǒng)數(shù)字通信是通過在信道中發(fā)送包含信息的模擬波形來實現(xiàn)通信的，而超寬帶(UWB)通信是通過發(fā)送和檢測極窄脈沖序列來實現(xiàn)通信,。這種脈沖的脈寬只有1個多ns,，有的甚至小到lns，并目.其帶寬可以達到或者超過3GHz,。
從本質(zhì)上講，產(chǎn)生ns級寬度短脈沖的信號源是UWB技術(shù)的前提條件,。單個無載波窄脈沖信號有兩個特點：是激勵信號" title="激勵信號">激勵信號的波形為具有陡峭前后沿的單個短脈沖,，是激勵信號具有從直流到微波的很寬的頻譜。目前產(chǎn)生脈沖源的兩類方法為：1.光電方法,，基本原理是利用光導開關(guān)的陡峭上升,，下降沿獲得脈沖信號,，是最有發(fā)展前景的一種方法。2.電子方法,，基本原理是利用晶體管P N結(jié)反向加電,，在雪崩狀態(tài)的導通" title="導通">導通瞬間獲得陡峭上升沿，整形后獲得極短脈沖,，這是目前應用最廠一泛的方案,。受晶體管耐壓特性的限制，這種方法一般只能產(chǎn)生幾十V到上百V的脈沖,，脈沖寬度可以達到lns以下,。
階躍" title="階躍">階躍恢復一二極管(SRD)也是一種PN結(jié)二極管，但它在管芯設計和結(jié)構(gòu)工藝上采取了一些特殊的措施,，能夠獲得電流的"階躍",，可以用來產(chǎn)生很窄的脈沖。本文就著重討論使用階躍恢復二極管產(chǎn)生窄脈沖的方法,。
脈沖發(fā)生器的設計與實現(xiàn)
階躍二極管產(chǎn)生極窄脈沖的原理傳統(tǒng)窄脈沖產(chǎn)生的基本原理是通過器件所存儲能量經(jīng)由高速開關(guān)器件快速放電而得到,。提高輸出脈沖性能的途徑有兩個：增加器件存儲的能量，加快器件放電速度,。這兩種方法都依賴于高速開關(guān)器件,，因此，高速開關(guān)器件是超寬帶脈沖信號產(chǎn)生的關(guān)鍵,。
階躍恢復二極管是一種充分利用少子儲存效應的器件,。作為一種PN結(jié)二極管，普通整流管要求正向時管子導通,，反向截至,，因此少子儲存效應對整流器件顯然是不利的。而對階躍二極管,，當加上正向電壓時,，大量少數(shù)載流子注入I層并儲存起來，反向時由于少子基本上被反向電場提取完畢,，器件在極短的階躍時間內(nèi)關(guān)斷,，關(guān)斷瞬間產(chǎn)生了電流跳變，形成一個很窄的脈沖,。
理想的階躍恢復二極管在正向和反向偏置時,，具有兩種阻抗狀態(tài)。正向：
相當于低阻抗短路狀態(tài);反向
為高阻抗狀態(tài),。簡化的脈沖串發(fā)生器電路如圖1所示,。頻率為f，的激勵信號使階躍管正向?qū)?，直至二極管的儲存電荷釋放完為止,，脈沖發(fā)生器的等效電路" title="等效電路">等效電路如圖2所示,。此時輸出電壓維持在階躍管的接觸電勢Φ。與此同時,，激勵電感L中儲存輸人信號的能量,。當輸入信號電壓同階躍管的偏壓大小相等、符號相反,，而儲存電荷又降為零時,，階躍二極管自低阻抗狀態(tài)轉(zhuǎn)為高阻抗狀態(tài)。脈沖發(fā)生器的等效電路如圖3在R'上造成如下形式的阻尼振蕩 所示,，激勵電感釋放其儲存能量,，電壓：而p是阻尼振蕩角頻率
(3)
實際上，在負載R'上能觀察到半周期的僅僅是此阻尼振蕩波形的第一個,，因為電壓超過管子的接觸電勢時,，階躍二極管又重新處于低阻抗狀態(tài)，輸出電壓將維持在Φ,。所以在輸入頻率為f1的連續(xù)信號作用下,，脈沖發(fā)生器的輸出電壓波形將是窄脈沖串，每個脈沖之間的間隔為1/f1,，脈沖根部寬度為
脈沖產(chǎn)生電路及分析
階躍恢復二極管的工作依賴于載流子的復合,，在設計電路時，為了獲得高效率與高輸出功率,，二極管的載流子壽命τ愈長愈好,，階躍時間tst愈短愈好。τ下與tst;,。是一對互相制約的參數(shù),，在選管子時應綜合考慮，τ主要決定階躍二極管的輸入信
階躍時間則決定了二極管高次諧波的上限,，tst越小,，則高次諧波越豐富，倍頻效率越高,。二極管產(chǎn)生諧波的上限頻率以階躍時間的倒數(shù)來定義,，存在以下關(guān)系：
為避免傳輸線對脈沖發(fā)生器過載，在50Ω系統(tǒng)中,，階躍管阻抗的要求為l0(Q)
為避免傳輸線對脈沖發(fā)生器過載,，在50Ω系統(tǒng)中，階躍管阻抗的要求為l0(Q)
電路原理圖
實際的脈沖發(fā)生器電路包括階躍管,、激勵電感,、高頻調(diào)諧電容、阻抗匹配網(wǎng)絡,、偏置電路等,，如圖4所不。
(4)匹配網(wǎng)絡設計
為了使脈沖發(fā)生器的輸入電阻與信號源內(nèi)阻(一般為50Ω)匹配,，較簡便的辦法是采用變阻低通濾波器,。匹配電路的簡化等效電路如圖5所示，該電路可看成是集中參數(shù)半節(jié)Г形阻抗變換器,。對于這種電路,，
(5)偏置電路設計
一般采用自偏置電路。自給偏置的產(chǎn)生過程簡述如下：在外加交流電壓超過二極管的接觸電位差Φ的時間間隔內(nèi),，二極管的正向電阻遠小于R,，信號源通過小的正向電阻向電容c.充電;當外加交流電壓小于D值并使二極管進入反向工作區(qū)域時，二極管呈現(xiàn)很大的電阻(與R比較而言),，電容C1通過電阻R放電,。如果C1R的時間常數(shù)比基波電壓的周期大得多，則放電電流可以認為是一常數(shù);于是在電阻R上就產(chǎn)生一個壓降,，其值為I0R,，并反向地加在二極管上。由于這一偏壓是整流電流引起的,，所以隨著激勵電壓幅度的變化,，偏壓隨之改變，從而可以自動調(diào)節(jié)工作點,。偏壓電阻值可按下式估算：
c3的原理與c1一樣,，但其充放電過程與C1相反。如果電路中去掉c3則電路的輸出端就沒有一個壓降,，所得的脈沖就是一個高斯脈沖" title="高斯脈沖">高斯脈沖波形;如果電路中有C3,，所得脈沖就是一個高斯脈沖的一階導數(shù)。
實驗結(jié)果
上述公式只能對元器件的值進行大概的估算,，還要通過反復實踐進行修正,。筆者在電路調(diào)試過程中，為了得到較窄的脈沖寬度,，反復實踐修正元器件的值,。利用信號發(fā)生器產(chǎn)生31MHz，24dBm的正弦波作為電路的觸發(fā)信號源,，c1和cc可選用幾萬pF的大電容,，偏置電容C3的容值盡可能小。自偏置電阻R為幾十Ω或幾百Ω,，通過對R的微調(diào),，可以改變產(chǎn)生脈沖的重復周期。cm和ct分別為7 8 0 p F和390+45pF。LM和L分別為30nH和70nH的空心電感線圈,。其中微調(diào)激勵電感L的感值對脈沖的波形影響尤為明顯,。圖6是從示波器上觀察到的高斯脈沖的一階導數(shù)波形(有偏置電容c3)，脈寬1.5ns左右,，Vpp為7V,。
實踐表明，有時理論計算的數(shù)值與實際電路的數(shù)值相差頗大,，其可能的原因是：管子參數(shù)的誤差及離散性較大;設計中沒有考慮寄生參量以及輸入回路與輸出回路之間的影響;大信號(特別是過激勵)的理論尚不完善,。