时域脉冲取样头的设计

论文摘要

利用示波器进行时域测量是得到信号波形最简单的方法。目前的示波器的测量带宽已经突破100GHz,而且功能强大,足以满足亚纳秒级脉冲的波形测量。但是,如果要实时得到信号的波形,并用于相关的数据处理,示波器是满足不了需要的。要进行数据处理,首先需要将信号转化为数字量。模拟-数字转换器（ADC）就是用来完成这个工作的。目前,10-bit ADC的转换速度已经超过2GSPS,利用高速ADC可以实现纳秒级别脉冲的波形取样。但是对于渡越时间小于1ns的快速脉冲,目前的ADC均难以实现有效的波形采样,因为其采样率仍然是瓶颈。本课题来源于时域脉冲雷达,其探测原理是:向目标发射亚纳秒级的脉冲,通过阵列的方式接收回波信号,分析得到目标的位置信息。显然,示波器和ADC都是不合适的,因为阵列所需的多个通道会导致多台示波器的成本太高,ADC又局限于转换速度。针对信号可以重复出现的特征,时域脉冲雷达使用步进采取技术完成回波信号的波形取样。在没有现成产品地情况下,只有通过购买取样示波器才能获得取样头。而本文研制的取样头作为雷达的接收前端,是完成系统设计所必需的关键部件。所以取样头地研制具有重要的意义。本文从器件的角度研究了取样的物理过程;由于时域脉冲具有很宽的频谱分布,因此本文还分析了取样头的频率响应特性,研究如何提高取样头的带宽;取样效率是取样电路很重要的参数,本文也进行了研究;时域脉冲雷达的目标探测的灵敏度基本上取决于取样头的噪声性能,提高取样头的噪声性能还可以提高探测的动态范围;旁通效应是取样门电路面临的一个问题,本文分析了其原理,并研究了如何减小其对取样结果的影响。本文涉及到取样头的具体设计与实现,包括脉冲发生与整形电路、取样门电路以及缓冲放大器的设计,并制作出能与脉冲雷达连接的取样头。最终设计的取样头达到了2.3GHz的带宽,2mV的噪声,±8V的输入范围。本文所研制的取样头,已经成功地应用于探地雷达系统上,通过替代Tektronix的S-1取样头,提高了时域脉冲雷达的自主研发能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究动态
• 1.2.1 高速示波器法
• 1.2.2 电快脉冲取样法
• 1.2.3 高速模数转换法
• 1.2.4 变换取样法
• 1.3 研究内容和主要工作
• 第二章 取样的原理
• 2.1 取样的分类
• 2.1.1 实时取样
• 2.1.2 变换取样
• 2.2 取样门的输出函数
• 2.3 取样系统的频率特性
• 2.4 取样系统的过渡特性
• 第三章 取样头的设计与仿真
• 3.1 取样头方案的设计
• 3.2 高速取样门的仿真与设计
• 3.2.1 取样门的方案
• 3.2.2 取样门二极管
• 3.2.3 高速取样的仿真
• 3.2.4 取样门的噪声分析与仿真
• 3.3 取样脉冲电路的设计
• 3.3.1 脉冲发生电路的设计
• 3.3.2 脉冲整形电路的仿真与设计
• 3.4 缓冲放大器的仿真与设计
• 3.4.1 运算放大器的选择
• 3.4.2 放大器带宽的确定
• 3.4.3 缓冲放大器的仿真
• 3.5 取样头的整体仿真
• 3.5.1 取样头的噪声
• 3.5.2 取样过程的旁通效应
• 第四章 取样头的制作与调试
• 4.1 取样头硬件的设计
• 4.2 取样头的调试
• 4.2.1 取样脉冲产生电路的调试
• 4.2.2 取样门的调试
• 4.3 取样头的测试
• 4.3.1 步进采样测量系统
• 4.3.2 取样带宽的测量
• 4.3.3 输入端VSWR的测量
• 4.4 输入范围的测量
• 4.5 噪声的测量
• 4.6 雷达的探测成像
• 4.6.1 时域雷达波形的测量
• 4.6.2 探地雷达对金属目标的探测
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果