專利名稱：微波脈沖發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)用于產(chǎn)生微波脈沖的微波脈沖發(fā)生器，它的脈沖持續(xù)時(shí)間在納秒范圍，它帶有一個(gè)用于產(chǎn)生控制脈沖的脈沖發(fā)生器和一個(gè)用于產(chǎn)生微波脈沖的微波振蕩器。
這種微波脈沖發(fā)生器常用在雷達(dá)系統(tǒng)，特別是用在脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，應(yīng)用于精確的距離測(cè)量。
它應(yīng)滿足下列要求a)微波脈沖的脈沖持續(xù)時(shí)間必須在納秒范圍之內(nèi)，以便達(dá)到所要求的脈沖雷達(dá)的高分辨率。
b)脈沖雷達(dá)法要求微波脈沖載波頻率和脈沖重復(fù)頻率的高度相干性。為此，必須保證，振蕩器必須一直以相同的初始相位起振。
c)脈沖周期與脈沖持續(xù)時(shí)間的比必須大，以便使下一個(gè)微波脈沖只有當(dāng)所有的目標(biāo)回波的回掃時(shí)間全部完成后才能發(fā)射。
d)在微波脈沖發(fā)生器中的能量必須在脈沖持續(xù)時(shí)間后盡量快地消去，也就是說，從脈沖持續(xù)時(shí)間至脈沖停止的過渡必須很快，以便捕捉到很小的回波。脈沖雷達(dá)的動(dòng)態(tài)范圍一般在約80至100dB。為了達(dá)到這個(gè)數(shù)值，必須使微波脈沖在很短的時(shí)間內(nèi)盡量衰減掉。這就要求確定頻率的諧振器的品質(zhì)因數(shù)較低。
一般的連續(xù)的微波振蕩器不能產(chǎn)生相干的脈沖序列。它在一般情況下具有較高的品質(zhì)因數(shù)(Q＞100)，以便達(dá)到足夠的頻率穩(wěn)定性。這就導(dǎo)致它在啟動(dòng)時(shí)需至少100周才能起振，并且需要至少再100周，才能停振。特種微波脈沖發(fā)生器因此在一般情況下比較復(fù)雜，并且產(chǎn)生很寬的頻譜，因此，必須借助于帶通濾波器通過濾波得到所要求的信號(hào)。這種微波脈沖發(fā)生器的缺點(diǎn)就是效率很差。
DE 4401350C1公開了一種產(chǎn)生微波脈沖的方法，它有一個(gè)相應(yīng)的階躍恢復(fù)二極管(step recovery diode＝SRD)，它能滿足a)至d)的要求，但是，正如以上所描述的，它的效率是很差的。在所描述的裝置中，包含了一個(gè)脈沖發(fā)生器，在其后接裝了一個(gè)脈沖差動(dòng)放大器。接在差動(dòng)放大器后的匹配網(wǎng)絡(luò)將脈沖傳輸至集成在諧振器中的階躍恢復(fù)二極管。諧振器由一個(gè)電容性和一個(gè)電感性TEM導(dǎo)體及階躍恢復(fù)二極管的閉鎖電容共同組成。因此，所形成的頻譜的重心就確定了。用帶通濾波器再次濾波就可得到一個(gè)微波脈沖，它的載波頻率為fT以及脈沖寬度為tp。
本發(fā)明的任務(wù)是，給出一個(gè)微波脈沖發(fā)生器，其器件費(fèi)用低，可以產(chǎn)生脈沖寬度tp在納秒范圍內(nèi)的微波脈沖。另外，與現(xiàn)有的裝置相比，它的效率至少要提高10倍。
此任務(wù)是通過下述方案解決的，微波振蕩器有一個(gè)有源的帶一個(gè)確定頻率的諧振回路并帶一個(gè)歐姆裝置的半導(dǎo)體放大器，歐姆裝置是用于確定地減小諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，使半導(dǎo)體放大器的輸入端子輸入的控制脈沖在微波振蕩器的輸出端子產(chǎn)生一個(gè)可引出的微波振蕩，它的變化過程至少與控制脈沖近似。
從屬權(quán)利要求中給出了本發(fā)明的盡一步改進(jìn)形式。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，通過產(chǎn)生具有適當(dāng)寬度的控制脈沖，用于控制微波振蕩器的電壓供應(yīng)或施加在微波振蕩器的半導(dǎo)體放大器的控制輸入端，可減少回路的費(fèi)用。由此，可省去用昂貴的階躍恢復(fù)二極管。
在納秒范圍的控制脈沖，即用于確定微波脈沖持續(xù)時(shí)間的脈沖，能通過一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖縮短級(jí)來產(chǎn)生。
在一個(gè)擴(kuò)展方案中可通過一個(gè)激勵(lì)級(jí)和/或一個(gè)退耦級(jí)使脈沖縮短級(jí)和諧振器間的耦合得到改善。脈沖縮短級(jí)應(yīng)這樣來構(gòu)造，讓它產(chǎn)生一個(gè)反相輸出信號(hào)，這樣可使它通過一個(gè)反相激勵(lì)級(jí)來補(bǔ)償。退耦級(jí)可優(yōu)先選用所謂的圓柱棒(circular stub)。
另外有優(yōu)點(diǎn)的是，用串聯(lián)諧振回路構(gòu)成諧振器，例如，包含砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體三極管的門-漏段作為電容性元件。通過這種方法可以明顯地改善此裝置的效率。
脈沖縮短級(jí)可以優(yōu)選地用二個(gè)雙極晶體管來構(gòu)成，輸入脈沖信號(hào)導(dǎo)入這兩個(gè)雙極晶體管的基極端子，此時(shí)，第二個(gè)晶體管的集電極-發(fā)射極段與第一個(gè)晶體管的基極-發(fā)射極段相并聯(lián)并且輸入脈沖經(jīng)R-C器件導(dǎo)到第二個(gè)晶體管。
本發(fā)明將按以下四個(gè)圖示進(jìn)一步說明。圖示為

圖1為本發(fā)明裝置的方框圖；圖2為其后接有激勵(lì)級(jí)的脈沖縮短級(jí)的構(gòu)造的舉例；圖3為微波振蕩器的第一實(shí)施例的示意圖；圖4為輸出信號(hào)序列的時(shí)間曲線；圖5為微波振蕩器的第二實(shí)施例的示意圖。
在圖1中1表示一個(gè)脈沖發(fā)生器，它的輸出信號(hào)輸?shù)矫}沖縮短級(jí)2的輸入端。脈沖縮短級(jí)2產(chǎn)生納秒范圍的輸出信號(hào)，這個(gè)信號(hào)導(dǎo)入激勵(lì)級(jí)3的輸入端。由激勵(lì)級(jí)3放大的信號(hào)導(dǎo)入退耦網(wǎng)絡(luò)4，它的輸入端與微波振蕩器5的供電電壓輸入端相連。微波振蕩器5的輸出信號(hào)可在一個(gè)輸出端子24取出。
脈沖發(fā)生器1可用一般的方法構(gòu)成，并可給出預(yù)定脈沖周期的脈沖序列。按照?qǐng)D2所示，后接的脈沖縮短級(jí)2有輸入端子6，它經(jīng)電阻7與一個(gè)npn晶體管11的基極和經(jīng)過電阻8與npn晶體管10的基極相連接。在電阻8和晶體管10的基極之間接入了一個(gè)接地的電容器9。晶體管10的集電極與晶體管11的基極相連和晶體管10的發(fā)射極接地。同樣，晶體管11的發(fā)射極也與地相接。晶體管11的集電極形成脈沖縮短極的輸出回路，并且與激勵(lì)級(jí)3的輸入回路相耦合。在此集電極經(jīng)過串聯(lián)的三個(gè)電阻，即電阻12，13和16，與供電電壓端子17相連。電阻12和13的中間抽頭與一個(gè)pnp晶體管18的基極相接，電阻13和16中間的抽頭與晶體管18的發(fā)射極相連。其集電極與輸出端端子19相連。電阻16的二端分別經(jīng)退耦電容器14和15與地相接。
按照發(fā)明所構(gòu)想的微波振蕩器5可以由以下方法構(gòu)成。按照?qǐng)D3所示，一個(gè)供電端子用20來表示。它是經(jīng)由一個(gè)電阻21與一個(gè)圓柱棒A和一個(gè)λ/4導(dǎo)體B相連接。圓柱棒A和λ/4導(dǎo)體B組成一個(gè)退耦網(wǎng)絡(luò)4。λ/4導(dǎo)體B的另外一端是經(jīng)由晶體管25的負(fù)載段，在此它是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，和一個(gè)與其串聯(lián)的電阻26與地相接。晶體管25形成一個(gè)半導(dǎo)體放大器并且也可以為一個(gè)雙極晶體管。場(chǎng)效應(yīng)晶體管25的漏極經(jīng)由一個(gè)電容器23與輸出端子24相連接。場(chǎng)效應(yīng)晶體管25的門經(jīng)由電感器27與地相接。
激勵(lì)級(jí)3的輸出端子19與供電端子20相接。輸入端子6被導(dǎo)入有預(yù)定脈沖周期的脈沖序列。到達(dá)的由脈沖發(fā)生器1產(chǎn)生的脈沖在脈沖縮短級(jí)2中被縮短到寬度為tp。這個(gè)過程如圖2所示是這樣進(jìn)行的，輸入脈沖的正前沿在超出晶體管11的基極-發(fā)射極電壓時(shí)使它處在導(dǎo)通狀態(tài)。由此，電壓分壓器12，13，16導(dǎo)入電流，在電阻13上有足夠的電壓降，以使晶體管18處于導(dǎo)通狀態(tài)。同時(shí)，輸入脈沖的正前沿經(jīng)由RC器件8，9以使通過它的確定時(shí)間延遲。這個(gè)延遲時(shí)間可以通過快速晶體管的選擇，在幾分之一納秒與輸入脈沖的寬度之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個(gè)延遲時(shí)間過后晶體管10即可導(dǎo)通，使在晶體管11的基極的電壓降減低到晶體管10的飽和電壓。晶體管11因此又返回到高歐姆狀態(tài)并且因此也閉鎖了晶體管18。在輸出端子19因此產(chǎn)生了一個(gè)很短的寬度為tP的脈沖，它可承載低歐姆負(fù)載。由于最終晶體管10，11，18的上升時(shí)間，輸出脈沖具有一個(gè)與Sin2函數(shù)相似的曲線。線路14，15，16最終起到閉鎖工作電壓的作用，這個(gè)電壓是加在供電端子17上的。脈沖縮短級(jí)2和激勵(lì)級(jí)3可為這個(gè)例子補(bǔ)充到這種程度，即這二個(gè)級(jí)使被處理的信號(hào)反相，而在輸出端19可輸出非反相的信號(hào)。
由此得到的其脈沖寬度與微波脈沖相應(yīng)的信號(hào)經(jīng)由端子19和20作為供電電壓傳輸給微波振蕩器。微波振蕩器5包括一個(gè)晶體管25，它在上例中為砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它也可以使用合適的雙極晶體管。例如，電感器27可設(shè)計(jì)為感性的TEM導(dǎo)體。微波振蕩器5的確定頻率的諧振回路可由這個(gè)導(dǎo)體和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的門和漏極間的內(nèi)部晶體管電容或雙極晶體管的基極和集電極間的電容來組成。在此，導(dǎo)體27與晶體管電容組成一個(gè)串聯(lián)諧振回路，它可由導(dǎo)體的長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)。還能由此滿足起振的相位條件。電阻26用于降低諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)快速起振。為限制晶體管25中的電流可在激勵(lì)級(jí)3和退耦網(wǎng)絡(luò)4的輸入端之間加一個(gè)電阻21。電容器23用于閉鎖供電電壓并且輸出微波振蕩器5的輸出信號(hào)。
微波振蕩器5的構(gòu)造是這樣的，在端子20上加上供電電壓時(shí)，以預(yù)定的諧振回路的諧振頻率產(chǎn)生一個(gè)CW信號(hào)。電感27的導(dǎo)體長(zhǎng)度匹配時(shí)，應(yīng)注意電阻26的自感的變換部分應(yīng)與電感27平行。
如已描述的，微波振蕩器5的電壓供應(yīng)是通過寬度為tp的脈沖實(shí)現(xiàn)的。該脈沖為了脈沖縮短級(jí)和后接激勵(lì)級(jí)3的退耦經(jīng)由退耦網(wǎng)絡(luò)4，它由圓柱棒A和λ/4導(dǎo)體B組成，傳輸?shù)轿⒉ㄕ袷幤?的供電端子20。脈沖的寬度因此確定了微波脈沖的寬度。圓柱棒A對(duì)于載波頻率fT形成一個(gè)短路，它經(jīng)由一個(gè)λ/4導(dǎo)體B變換為無(wú)載。因此，從微波振蕩器5就沒有高頻給激勵(lì)級(jí)3。
為了達(dá)到一個(gè)快速的起振和退振，源極必須經(jīng)由電阻26與地相接。這個(gè)電阻26可減少諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，使微波振蕩的振幅與供電脈沖的振幅相適應(yīng)(圖4)。
微波振蕩的相干性可用下述方法實(shí)現(xiàn)，約為納秒寬的脈沖用于微波振蕩器5的供電并具有小的上升時(shí)間，它的范圍約為250 ps，因此，在微波振蕩器5中的諧振頻率耦合一個(gè)頻譜的能量部分。因此，微波信號(hào)的初始相位就確定了。
在微波振蕩器5的輸出端子24上經(jīng)過電容器23耦合輸出微波脈沖。在此微波脈沖與縮短的脈沖是疊加的，但是，可以用高通濾波器把縮短的脈沖濾掉。如果把所形成的微波脈沖導(dǎo)入一個(gè)波導(dǎo)管，就可省掉高通濾波器，因?yàn)椴▽?dǎo)管與它的作用相同。
圖4表示二個(gè)微波脈沖序列11和12的時(shí)間曲線。在二個(gè)脈沖11和12之間有一個(gè)附加的回波E，它可以用于距離的測(cè)量。振蕩周期用fT表示，并且脈沖持續(xù)時(shí)間用tp表示。
圖5是微波振蕩器5的第二實(shí)施例的示意圖。來自脈沖縮短級(jí)2的脈沖在這個(gè)例子中經(jīng)由半導(dǎo)體放大器25的控制極按與圖3所示微波振蕩器5的工作電壓相反的脈沖形式供給微波振蕩器5。微波振蕩器5又包括一個(gè)晶體管25，它可以是砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管(簡(jiǎn)稱GaAs FET)。在GaAs-FET 25的門極有一個(gè)電感性的TEM-導(dǎo)體，以用于形成一個(gè)電感器27(如，一個(gè)開口的微帶導(dǎo)體，其長(zhǎng)度為λ/4或λ/2)。此外，GaAs-FET 25門處連接由一個(gè)λ/4導(dǎo)體C和一個(gè)圓柱棒D組成的退耦網(wǎng)絡(luò)的輸出端。該退耦網(wǎng)絡(luò)的輸入端經(jīng)由一個(gè)電阻31與微波振蕩器5的輸入端子32相連。GaAs-FET的漏極以相似的方法經(jīng)由一個(gè)退耦網(wǎng)絡(luò)，它是由一個(gè)λ/4導(dǎo)體E和一個(gè)圓柱棒F組成，及電阻33與供電端子34相連接。在該供電端子34上可施加恒壓UB。此外在GaAs-FET 25的漏極處微波信號(hào)經(jīng)過一個(gè)耦電容23與輸出端子24相耦合。GaAs-FET 25的源極經(jīng)過電阻26與地相接。
這種微波振蕩器5的功能如下，假如控制脈沖的形狀如同圖5左邊所示的那樣，則它的形狀近似Sin2函數(shù)，它的最大值為0伏并以UP為起點(diǎn)，又降至這個(gè)電壓UP。只要在微波振蕩器5控制輸入端處，即在輸入端子32處，存在量值大于夾斷電壓UP的負(fù)電壓，則GaAs-FET25處于閉鎖狀態(tài)。在輸入端子32處由于脈沖電壓上升到0伏時(shí)，則微波振蕩器5以串聯(lián)諧振電路的諧振頻率振蕩，該串聯(lián)諧振回路由電感性TEM導(dǎo)體27和漏極和門之間的晶體管內(nèi)電容形成。頻率調(diào)節(jié)通過在門處導(dǎo)體的長(zhǎng)度變化來進(jìn)行是可能的。對(duì)于振蕩條件必要的相移同樣可受到影響。電阻26限制振蕩線路的品質(zhì)因數(shù)，使微波振蕩器的快速起振和停振是可能的。
在脈沖工作狀態(tài)，在控制輸入端電平是交變的，即在輸入端子32電壓在0伏和一個(gè)負(fù)壓之間交變。通過使諧振回路有一個(gè)小的品質(zhì)因數(shù)，微波振蕩的包絡(luò)線的形狀可與控制脈沖的形狀相同。微波振蕩的相干性可用下面的方法實(shí)現(xiàn)，控制脈沖的陡峭的沿是微波振蕩器5中的頻譜能量的部分。這樣，初始相位總是相同的。通過一個(gè)短的，有陡峭的沿的控制脈沖在微波振蕩器5的輸出端子24上可以輸出基本上與控制脈沖一樣短的、鎖相的微波脈沖。這種情況比現(xiàn)有的微波脈沖發(fā)生器具有優(yōu)越性，尤其是它的效率是很高的。
權(quán)利要求
1.用于產(chǎn)生微波脈沖的微波脈沖發(fā)生器，其脈沖持續(xù)時(shí)間在納秒范圍，帶有一個(gè)用于產(chǎn)生控制脈沖的脈沖發(fā)生器并帶有一個(gè)產(chǎn)生微波振蕩的微波振蕩器，其特征在于，微波振蕩器(5)有一個(gè)帶確定頻率的諧振回路(27)和一個(gè)歐姆裝置(26)的有源半導(dǎo)體放大器(25)，在此，歐姆裝置(26)用于降低諧振回路(27)的品質(zhì)因數(shù)，使在半導(dǎo)體放大器(5)輸入端子(20，32)導(dǎo)入的由脈沖發(fā)生器(2)產(chǎn)生的控制脈沖能夠在微波振蕩器(5)的輸出端子(24)產(chǎn)生可輸出的微波振蕩，它形狀與控制脈沖至少要近似。
2.如權(quán)利要求1所述的微波脈沖發(fā)生器，其特征在于，歐姆裝置(26)是一個(gè)電阻，它連接在基準(zhǔn)電位和半導(dǎo)體放大器(25)的輸出端子之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的微波脈沖發(fā)生器，其特征在于，半導(dǎo)體放大器(25)是由一個(gè)晶體管構(gòu)成的，確定頻率的諧振回路(27)由晶體管內(nèi)電容和一個(gè)接在晶體管(25)的控制端的電感(27)構(gòu)成的。
4.如權(quán)利要求3所述的微波脈沖發(fā)生器，其特征在于，電感是以電感性的TEM-導(dǎo)體構(gòu)成的。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的微波脈沖發(fā)生器，其特征在于，控制脈沖的輸入端子(20，32)耦合至半導(dǎo)體放大器(25)的控制輸入端子或半導(dǎo)體放大器(25)的輸出端。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的微波脈沖發(fā)生器，其特征在于，在脈沖發(fā)生器(2)和微波振蕩器(5)之間接了一個(gè)激勵(lì)級(jí)(3)。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的微波脈沖發(fā)生器，其特征在于，在脈沖發(fā)生器(2)和微波振蕩器(5)之間接了一個(gè)退耦級(jí)(4)。
8.如權(quán)利要求7所述的微波脈沖發(fā)生器，其特征在于，退耦級(jí)包括一個(gè)圓柱棒(A)。
9.如以上任一權(quán)利要求所述的微波脈沖發(fā)生器，其特征在于，微波振蕩器(5)包括一個(gè)帶電感器(27)和一個(gè)晶體管的門極/基極-漏極/集電極段(25)的串聯(lián)諧振回路。
10.如權(quán)利要求9所述的微波脈沖發(fā)生器，其特征在于，在晶體管(25)的源極/發(fā)射極端耦合輸出微波脈沖。
11.如權(quán)利要求9或10所述的微波脈沖發(fā)生器，其特征在于，晶體管(25)是一個(gè)砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管或一個(gè)雙極晶體管。
12.如以上任一權(quán)利要求所述的微波脈沖發(fā)生器，其特征在于，脈沖發(fā)生器(2)-具有第一晶體管(11)，它的控制端導(dǎo)入恒定脈寬的脈沖，并且經(jīng)由其負(fù)載段耦合出輸出脈沖，-具有第二晶體管(10)，其負(fù)載段在第一晶體管(11)的控制端和基準(zhǔn)電位間連接，其控制端通過延遲器件(8，9)接入恒定脈沖寬度的脈沖。
13.如權(quán)利要求12所述的微波脈沖器，其特征在于，第一個(gè)晶體管(11)的負(fù)載段一方面與基準(zhǔn)電位相連，另一方面經(jīng)由電阻分壓器(12，13)與供電電壓端子(17)相連接，并且電阻分壓器(12，13)的一個(gè)電阻(13)與第三個(gè)晶體管(18)的發(fā)射-基極段并聯(lián)，并在第三個(gè)晶體管(18)的集電極可取出輸出脈沖。
全文摘要
用于產(chǎn)生脈沖持續(xù)時(shí)間在納秒范圍的微波脈沖發(fā)生器,它有一個(gè)用于產(chǎn)生脈沖寬度恒定的控制脈沖的脈沖發(fā)生器,并且還有一個(gè)用于產(chǎn)生微波振蕩的微波振蕩器。微波振蕩器有一個(gè)連接有確定頻率的諧振回路和一個(gè)用于減小諧振回路的品質(zhì)因數(shù)的裝置的半導(dǎo)體放大器,使半導(dǎo)體放大器輸入端導(dǎo)入的由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的控制脈沖能夠在微波振蕩器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)可取出的微波脈沖,該微波脈沖與控制脈沖的形狀至少要相近。
文檔編號(hào)G01S7/28GK1242884SQ98801593
公開日2000年1月26日 申請(qǐng)日期1998年1月12日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月23日
發(fā)明者約瑟夫·費(fèi)倫巴科, 格雷戈?duì)枴に雇衅? 丹尼爾·舒爾特海斯 申請(qǐng)人:Vega格里沙貝兩合公司