基于等效采样的超宽带探地雷达窄脉冲接收电路的设计与实现

摘要

超宽带(Ultra-wideband,UWB)探地雷达(Ground penetrating radar,GPR)是利用高频电磁波来探测物体内部结构，它与一般的检测技术相比具有效率快、分辨率高、检测精准、体积小、携带方便等优点。因此在桥梁、道路、地质考察、考古等领域有着广泛的应用。随着无损检测技术在应用领域的不断拓展，人们对超宽带检测技术的要求也越来越高。因此研究超宽带探地雷达具有重要的意义。 本文设计的超宽带探地雷达接收系统包括前置放大器、精密延时电路、取样脉冲、取样门、后级差动放大电路等几个模块组成，重点对取样脉冲和取样门两个关键模块进行研究。分析了满足超宽带脉冲采样的采样率的需求，并给出了超宽带脉冲等效采样的理论依据与系统设计指标，完成前置放大器与后级差动放大电路的设计。然后根据系统的指标对取样脉冲与取样门电路进行研究。设计并实现了极窄取样脉冲与新型的三极管取样门电路。最后完成精密延时电路的编码并将整个系统在介电常数为4.3的PCB板材上进行制作与实测。 本文采用SRD与雪崩三极管结合方式产生窄脉冲信号，将阶跃恢复二极管作为前置锐化电路驱动雪崩三极管。根据ADS仿真结果显示其底部脉冲宽度约为430ps、幅度可达1.5V左右。实测结果显示脉冲底部宽度为800ps，脉冲幅度为1.2V左右的窄脉冲信号，经过直流偏置调节后其有效脉冲宽度约为400ps；在取样门方面，采用射频晶体管设计出了一款新的三极管取样门，该电路利用一只三极管替代复杂的二极管桥电路，不仅结构简单而且可以克服现有桥电路的馈电问题，输出幅度高、毛刺小、稳定性好，最高工作频率可达6GHz；利用10MHz重复频率的正弦信号与10MHz重复频率的纳秒级信号对系统进行实测，测试结果显示该系统可以实现对输入信号的等效采样，纳秒级信号经过该系统后频率降低了约200倍。该系统可利用低速A/D实现对纳秒级信号的采样，大大降低了整个系统的成本。在高速数据采集方面有较高的应用价值。

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