摘要：介绍了无载波脉冲探地雷达的现状及雪崩三极管一般工作原理，并且对其雪崩过程提出了一种新的仿真思路。介绍了一种双极性雪崩三极管脉冲产生器电路；电路采用双管并联以增大输出脉冲的幅度，并采用调节电源电压的方法来达到良好的同步触发。从而可以满足深层探地的要求。

关键词： 无载波探地雷达 脉冲源 雪崩三极管 仿真

Abstract: The status in quo of Impulse Ground Penetrating Radar and the general principle of Avalanche Transistor are discussed then a new method for Avalanche simulation is given in this thesis. A bipolar pulse generator with Avalanche Transistor is introduced which uses two paralleled tubes to enhance the amplitude of the output pulse. Meanwhile the power supply voltage can be adjusted, so better synchronous triggering can be performed. So that the requirement of ground deep penetrating can be achieved .

Key Words: Impulse Ground Penetrating Radar, impulse source, Avalanche Transistor, Simulation

一、无载波脉冲探地雷达简介

无载波脉冲探地雷达（ ）是一种用于确定地下介质分布的广谱（ ）电磁技术。其工作原理是利用一个天线发射高频宽带电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，我们根据接收到的波的双程走时、幅度与波形资料，就可推断介质的结构。在探测浅层地下目标时，由于距离短，为了确定反射波位置，必须使发射的脉冲具有很陡的前沿，这就必须使用高速脉冲；此外，由于大地对电磁波的吸收衰减非常厉害，常规雷达所使用的调制脉冲波无法透入地下，而高压脉冲可以有效深入地层，所以现在要求无载波脉冲探地雷达的脉冲源能够产生高压高速脉冲。而衡量脉冲源性能的主要是宽度和幅度这两个指标。一般来说，希望宽度要窄（分辨率才高），幅度要大（探测距离才远）。采用雪崩三极管的脉冲产生器，脉宽可做到 ，幅度可达百伏以上；其性能价格比高，触发抖动小，重复频率可达几兆赫，常被用于无载波脉冲探地雷达的脉冲源。

二、雪崩效应理论

雪崩效应是三极管的一种特殊现象。在晶体三极管集电极与发射极之间加有较高电压时，集电结空间电荷区中的电场随之加强，在强电场的作用下形成电子空穴对；新产生的电子和空穴与原有的电子、空穴一样向相反的方向运动，重新获得足够的能量后，又可通过碰撞再次产生电子空穴对，这种现象称为载流子的“倍增效应”。如此重复上述过程，于是，流过集电结的电流便迅速增长，形成晶体管的雪崩效应。一般把雪崩效应较强的晶体管称为雪崩晶体管，也就是工作点设计在雪崩区的晶体管。对于雪崩晶体管来说当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像发生雪崩一样增加得又多又快，从而使反向电流急剧增大，造成集电结雪崩击穿（一次穿）；由于集电结被击穿，集电极与发射极之间的电阻实际上仅取决于发射结的导电率，对大部分晶体管来说，在击穿的瞬间阻值约为几十欧姆。由于此时结电阻很小，在较高电压作用下，当电流 达到某一数值时，便出现二次击穿。这时，晶体管压降 减小，由于通过了很大的电流，使得 结温度急剧升高，以至造成热击穿。雪崩击穿状态是可逆的，当所加反向电压降低之后，晶体管仍能恢复原有的特性，而热击穿却会造成永久性的损坏。如果能够限制雪崩击穿时的反向电流，使电压和电流的乘积不超过管子允许的耗散功率，就可以让晶体管安全地工作在雪崩状态，多次反复而不会引起损坏【1】。

一般来说雪崩三极管的输出特性有四个区域:线性区、饱和区、截止区与雪崩区。

对 型晶体管，输出特性如图1所示。当基极注入为正值，即 时，基极－射级处于正向，集电极电流 成比例变化的区域是线性区， 显著变化的区域是饱和区， 特性曲线以下的区域是截止区；当基极注入为负值，即 时，发射结处于反向， 随集电极－射级之间电压急剧变化的区域是雪崩区【2】。

三、雪崩三极管的仿真

由上图可知：

通过的计算【4】得到如下图4结果：

下图6是实测与仿真结果波形比较：

由于采用了变雪崩内阻的思想，使得仿真计算的脉冲在幅度和上升时间上较好地符合实际测量波形，缺点在于下降时间末端偏差较大和仿真中出现阶梯状波形，出现这种现象主要是因为软件本身功能限制和所采用的方法所致，在利用 软件进行仿真时，其计算中所采用的步长不够短，设置的步数不够多，导致仿真波形曲线不光滑；还有就是仿真计算中要考虑分布电容带来的影响。崩电路的雪崩过程是一个非常复杂的过程，必须要用到高阶微分方程来逼近雪崩放电形成脉冲的过程。这在以后的工作中可以进一步完善。

四、雪崩三极管双极性脉冲发生器

在无载波脉冲探地雷达中，为了有效地将测试信号从天线上发射出去，需要一对极性相反且对称性较好的高速脉冲，通常采用双管并联工作。电路图如图7所示：

用泰克公司的 型示波器测试该电路，得到如图5.1.3所示结果：

图8 双极性脉冲源波形图

由波形图可以看出这一款电路输出良好，正负脉冲具有较好的一致性，脉冲幅度可达千伏，也获得了同时触发；上升时间较快，过冲及寄生振荡很小，能较好地用作为探测脉冲。

本文作者创新点：通过实验数据和理论分析导出了雪崩三极管的等效模型，特别是提出了非线性变雪崩内阻这一思想；通过与实际测试结果比较，证明了此等效模型基本上反映了晶体管的雪崩过程，能够用于雪崩电路的计算机辅助设计。制作了基于雪崩三极管的双极性无载波脉冲探地雷达脉冲源，并进行了实际测量。