基于ADS软件的脉冲电路设计

引言
高速窄脉冲技术是超宽带雷达中的关键技术。传统的窄脉冲产生电路的是高速器件，不同的高速器件构成不同性能的高速脉冲产生电路。对于作用距离较短的两线制测距雷达来说，高速器件产生的窄脉冲无疑会带来很大的功耗，这就使两线制的实现遇到了很大的阻力。
本文介绍一种基于电容微分结构的低功耗脉冲产生电路，脉冲宽度可以做到1.5ns，比以往用简单模拟器件产生的窄脉冲在脉冲宽度上有很大程度的提高。利用Agilent公司的电子设计自动化软件ADS对该电路进行了仿真优化，并进行了调试。实测结果与仿真结果基本一致，证明ADS软件在电路建模与仿真方面具有很高的可靠性。

微分电路
无源微分电路结构如图1所示，它实际上就是一种简单的RC充放电回路，当电路的时间常数RC比较小时，有下式。

电路完成微分运算。微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波，此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。而对恒定部分则没有输出。输出的尖脉冲波形的宽度与RC有关(即电路的时间常数)，RC越小，尖脉冲波形越窄，反之则宽。此电路的RC必须远远少于输入波形的宽度，否则就失去了波形变换的作用，变为一般的RC耦合电路了，一般RC少于或等于输入波形宽度的1/10就可以了。

ADS软件介绍
安捷伦设计系统ADS是一套强大的电子设计自动化(EDA)软件，可以模拟整个通信信号通路，完成从电路到系统的各级仿真。它把广泛的经过验证的射频、混合信号和电磁设计工具集成到一个灵活的环境中。本文只简单介绍了ADS软件基本的电路设计仿真方面的应用，读者可以通过这个实例对更的应用进行深入研究。
利用ADS软件设计电路的流程如图2所示，它包括了从原理图到PCB板图的各级仿真。可以看到，当任何仿真结果不理想时，都必须回到原理图中重新进行优化，并进行再次仿真，直到仿真结果满意为止，这样可以保证实际电路与仿真电路的一致性。
脉冲电路设计
基于电容微分结构的脉冲产生电路在ADS软件中的拓扑结构如图3所示。ADS的器件库中有非常丰富的器件模型。本电路中激励源SRC1采用上下延幅度为5V(Vlow=-2.5V，Vhigh=2.5V)，频率为1MHz的方波晶体振荡器。整形二极管D1、D2、D3选用Agilent_HSMS2820，该二极管封装为三个管脚，其中一个管脚无效，呈断开状态并不影响仿真结果。三极管Q1选用Siemens_BFT92W，经过三极管后，周期信号的上升沿变为下降沿。这样使产生的脉冲信号在时间轴上处在每个周期范围的中间。Tran1为仿真模块，该电路仿真模式为TRANSIENT，即瞬态(时域)仿真。终的仿真结果从探测点V_out输出。
对该电路进行仿真并进行多次优化。其中C5和R5的取值对脉冲的幅度和宽度影响较大。当它们取值较大时，则脉冲幅度很高，但相应的脉冲宽度也很宽。可见，脉冲幅度和宽度之间是相互制约的。要在满足脉冲宽度条件下，取合适的C5和R5值，来获得脉冲幅度。仿真结果如图4所示，脉冲周期与激励源相同，为1MHz，脉冲宽度约为1.5ns，脉冲幅度约为3V。
对该电路安装并进行了调试，利用泰克示波器对各项指标进行了测量。需要指出的是，因为脉冲宽度比较窄，相对应的在频域中的频谱就较宽，因此应选用带宽在1GHz以上的示波器才能准确地进行测量。实际测量的结果如图5所示。图中横坐标每格为1.5ns，纵坐标每格为500mV。所设计的脉冲产生电路实际脉冲宽度约为1.5ns。由于一些器件的损耗，脉冲幅度有所降低，约为2.5V。实测结果与仿真结果基本一致。

参考文献:

[1]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.