(57)【要約】      （修正有）【課題】低コストで問題が発生しにくく且つ多方面に使用可能な、短い電気パルスを発生させるための電気パルス発生器及び方法を提供する。【解決手段】短い電気パルスを発生させるための電気パルス発生器において、前記パルス発生器は、制御パルスを発生させる制御装置と、バイポーラトランジスタを有するトランジスタ段と、微分段とを有しており、前記バイポーラトランジスタには制御パルスが供給され、前記トランジスタ段からは、前記バイポーラトランジスタのスナップオフ作用を利用して、急峻なカットオフエッジを有する出力信号が出力され、前記微分段には、前記急峻なカットオフエッジを有する出力信号が供給され、前記微分段から短い一次パルスが出力されるように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
短い電気パルスを発生させるための電気パルス発生器において、
前記パルス発生器は、制御パルスを発生させる制御装置（１）と、バイポーラトランジスタを有するトランジスタ段（２）と、微分段（３）とを有しており、
前記バイポーラトランジスタには制御パルスが供給され、前記トランジスタ段からは、前記バイポーラトランジスタのスナップオフ作用を利用して、急峻なカットオフエッジを有する出力信号が出力され、
前記微分段（３）には、前記急峻なカットオフエッジを有する出力信号が供給され、前記微分段（３）から短い一次パルスが出力されることを特徴とする、短い電気パルスを発生させるための電気パルス発生器。
【請求項２】
前記バイポーラトランジスタはエミッタ回路内に設けられている、請求項１記載の電気パルス発生器。
【請求項３】
クリッピング装置（４）が設けられており、該クリッピング装置（４）には、前記の短い一次パルスが供給され、その際、前記クリッピング装置（４）は前記の短い一次パルスから所定のパルス成分を抽出し、短いパルス信号を出力する、請求項１又は２記載の電気パルス発生器。
【請求項４】
制御パルスとして、数ナノ秒のパルス幅を有する方形パルスが使用される、請求項１から３のいずれか１項記載の電気パルス発生器。
【請求項５】
前記トランジスタ段（２）はバイポーラトランジスタとしてヘテロ構造バイポーラトランジスタを有する、請求項１から４のいずれか１項記載の電気パルス発生器。
【請求項６】
出力されたパルス信号をさらに短縮するために、それぞれ前記クリッピング装置（４）により分離された複数の微分段（３）が設けられている、請求項１から５のいずれか１項記載の電気パルス発生器。
【請求項７】
短い電気パルスを発生させるための方法において、
制御パルスを発生させ、該制御パルスをバイポーラトランジスタに供給し、該バイポーラトランジスタのスナップオフ作用を利用して、前記バイポーラトランジスタにより急峻なカットオフエッジを有する出力信号を出力し、急峻なカットオフエッジを有する該出力信号を微分し、それにより、短い一次パルスを発生させることを特徴とする、短い電気パルスを発生させるための方法。
【請求項８】
エミッタ回路内で前記バイポーラトランジスタを動作させる、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記の短い一次パルスから所定のパルス成分を抽出し、短いパルス信号を形成する、請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
制御パルスとして、数ナノ秒のパルス幅を有する方形パルスを使用する、請求項７から９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
バイポーラトランジスタとして、ヘテロ構造バイポーラトランジスタを使用する、請求項７から１０のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
出力されたパルス信号をさらに短縮するために、複数の微分を行い、ただし、２つの順次する微分の間、そのつど前記の短いパルス信号から所定の成分を抽出する、請求項７から１１のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短い電気パルスを発生させるための電気パルス発生器、及び短い電気パルスを発生させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
短い電気パルスを発生させるための公知の電気パルス発生器及び方法のほとんどは、いわゆるステップリカバリダイオード（略記してＳＲＤ）の使用に基づいている。ステップリカバリダイオードの急峻なスイッチオフ特性はとりわけ短い電気パルスの発生に利用される。この場合の欠点は、励起信号と発生させた信号との分離が難しく、技術的にも比較的コスト高であることにある。それというのも、ステップリカバリダイオードが２ゲート素子だからである。さらに、受動的なステップリカバリダイオードによっては信号増幅は可能でないため、制御信号のレベルは所望の出力レベルのオーダーでなければならない。その上、ステップリカバリダイオードの技術的応用分野は狭いので、ステップリカバリダイオードの入手は比較的難しく、またそれに相応して高価である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、低コストで問題が発生しにくく且つ多方面に使用可能な、短い電気パルスを発生させるための電気パルス発生器及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題は、短い電気パルスを発生させるための電気パルス発生器において、前記パルス発生器は、制御パルスを発生させる制御装置と、バイポーラトランジスタを有するトランジスタ段と、微分段とを有しており、前記バイポーラトランジスタには制御パルスが供給され、前記トランジスタ段からは、前記バイポーラトランジスタのスナップオフ作用を利用して、急峻なカットオフエッジを有する出力信号が出力され、前記微分段には、前記急峻なカットオフエッジを有する出力信号が供給され、前記微分段から短い一次パルスが出力されるように構成することにより解決される。
【０００５】
また、上記課題は、短い電気パルスを発生させる方法において、制御パルスを発生させ、該制御パルスをバイポーラトランジスタに供給し、該バイポーラトランジスタのスナップオフ作用を利用して、前記バイポーラトランジスタにより急峻なカットオフエッジを有する出力信号を出力し、急峻なカットオフエッジを有する該出力信号を微分し、それにより、短い一次パルスを発生させることにより解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
トランジスタ段に高速高周波数のバイポーラトランジスタを使用する場合、明らかに１ｓ未満〜９０ｐｓ未満のパルス幅を有する短いパルスが数ボルトの振幅で達成可能である。ここで、バイポーラトランジスタのスナップオフ作用の利用のためには、以下のことが適用される。
【０００７】
有利にはエミッタ回路内で動作する高速バイポーラトランジスタは、まず短時間のあいだ適切な制御信号により飽和状態に制御され、それによりベース−エミッタ−ダイオードもベース−コレクタ−ダイオードも導通状態となる。このようにして少数キャリアが過多になり、したがってまた低抵抗となったベース−コレクタ空間電荷帯は、トランジスタ入力信号の遮断の際、つまり、ここでは制御パルスの遮断の際、短い遅延時間の後に高抵抗となり、これによりコレクタ電圧の急激な上昇がもたらされる。制御回路により発生されるトランジスタ入力信号に関しては、トランジスタ入力信号のカットオフエッジは明らかに急峻となっており、急峻になったカットオフエッジの極性は、使用するトランジスタのタイプ（ＮＰＮ又はＰＮＰ）、トランジスタの基礎回路、及び制御信号の相応する極性に依存する。
【０００８】
ここでは大きな電流増幅のゆえに好適な、トランジスタ段のバイポーラトランジスタのためのエミッタ回路の他に、バイポーラトランジスタのコレクタ回路又はベース回路も可能である。
【０００９】
上述の本発明による電気パルス発生器によれば、一般的に双極性成分を有する電気パルスが発生される。しかしながら、しばしば、専ら単極性成分を有するパルスが要望されることがあるので、本発明の１つの有利な発展形態によれば、微分段に後置接続されたクリッピング装置が設けられている。このクリッピング装置には、短い一次パルスが供給され、この短い一次パルスから所定のパルス成分が抽出され、短いパルス信号が出力される。特に、単極性の短いパル信号を出力するようなクリッピング装置を設けてもよい。
【００１０】
クリッピング装置の構造に関しては、多数の可能性が存在する。例えば、本発明の１つの有利な発展形態によれば、線路に直列に挿入されたショットキーダイオード、有利にはハウジング容量の低いショットキーダイオードが使用される。さらに、クリッピング装置内で、トランジスタ、有利にはＨＦトランジスタを使用してもよい。
【００１１】
制御パルスとしては、さまざまなパルス形式をもったパルスが使用可能である。しかし、本発明の１つの有利な発展形態によれば、制御パルスとして、実質的に方形パルスに相当し、かつ有利にはナノ秒領域のパルス幅を有するパルスが使用される。
【００１２】
微分段では、原則的に公知のすべての微分技術を使用することができる。しかし、本発明の１つの有利な発展形態によれば、微分段は平面回路構造、有利にはストリップ線路技術による平面回路構造を有している。さらに、微分段の機能は、微分の他に入力信号の相回転、したがって反転も行うようにすることで拡張することができる。その際、特に、極性反転を生じさせるような平面回路構造を設けてもよい。
【００１３】
これに代わって、本発明の１つの有利な発展形態によれば、微分段は変成器回路を有しいてもよい。その際、特に、逆の巻方向を有する変成器回路を設けることにより、極性反転を生じさせることも考慮される。
【００１４】
ここで、トランジスタ段において、バイポーラトランジスタとして特にヘテロ構造バイポーラトランジスタを使用することもできることに注意されたい。
【００１５】
最後に、出力されたパルス信号をさらに短縮するために、本発明の１つの有利な発展形態によれば、それぞれクリッピング装置により分離された複数の微分段が設けられている。本発明のこの有利な発展形態を使用すれば、パルス幅がさらに減少する。ただし、その際、振幅の減少を覚悟しなければならない。
【００１６】
上で導き出され示された課題を解決する、短い電気パルスを発生させる本発明による方法は、制御パルスを発生させ、この制御パルスをバイポーラトランジスタに供給し、このバイポーラトランジスタのスナップオフ作用を利用して、バイポーラトランジスタにより急峻なカットオフエッジを有する出力信号を出力し、急峻なカットオフエッジを有するこの出力信号を微分し、それにより、短い一次パルスを発生させることを特徴としている。
【００１７】
本発明による方法の有利な発展形態は、本発明による電気パルス発生器の上記の有利な発展形態とのアナロジーから明らかである。
【００１８】
個別的には、短い電気パルスを発生させるための本発明による電気パルス発生器及び本発明による方法を構成し発展させる方策は複数存在する。これに関しては、図面の参照とともに、独立請求項に従属した請求項及び本発明の有利な実施例の以下の詳細な説明が参照される。
【実施例】
【００１９】
図１からは、本発明の第１の有利な実施例によるパルス発生器の基本回路図が見て取れる。パルス発生器は制御パルスを発生させる制御装置１を有している。なお、制御パルスは実質的に数ナノ秒のパルス幅τを有する方形パルスに相当する。この制御パルスは、エミッタ回路内にＮＰＮバイポーラトランジスタを有するトランジスタ段２に供給される。トランジスタ段２には微分段３が後置接続されており、最後にクリッピング装置４がこの微分段３に続く。
【００２０】
すでに上で述べたように、トランジスタ段２で使用される高速バイポーラトランジスタは、入力信号を出力信号から分離するためにさらに別の予備対策を講じる必要がなければ、３ゲート素子として有利である。このことは、ステップリカバリダイオードを用いたパルス発生に比べて回路コストを格段に低減する。ついでに言うと、本発明のこの有利な実施例に対して同様に可能なコレクタ回路又はベース回路以外には、電流増幅のゆえにエミッタ回路がより適している。
【００２１】
ＮＰＮバイポーラトランジスタのスナップオフ作用を利用するために、このＮＰＮバイポーラトランジスタはまず短時間のあいだ飽和状態に制御され、それにより、ベース−エミッタ−ダイオードもベース−コレクタ−ダイオードも導通状態になる。これにより、ベース−コレクタ空間電荷帯は少数キャリアが過多となり、しがって低抵抗となる。トランジスタ入力信号の遮断の際、つまり、制御装置１から来る制御パルスの遮断の際、今まで低抵抗であったベース−コレクタ空間電荷帯は短い遅延時間の後に急激に再び高抵抗となり、これがコレクタ電圧の非常に急速な上昇をもたらす。トランジスタ内に入来する制御パルスのカットオフエッジと比べて、トランジスタ段２の出力側におけるカットオフエッジは明らかに急峻になる。
【００２２】
いま説明したパルス発生器に対して相補的な、トランジスタ段２内にＰＮＰバイポーラトランジスタを有するパルス発生器の基本回路図が示されている図２との比較が示すように、急峻になったカットオフエッジの極性は、使用するトランジスタのタイプ（ＮＰＮ又はＰＮＰ）に依存している。それ以外には、急峻になったカットオフエッジの極性は、すでに上で示唆したように、使用するトランジスタの基礎回路とトランジスタの制御にも依存している。
【００２３】
図１及び２に見られる本発明の有利な実施例によれば、トランジスタ段２にはそれぞれ１つの微分段３と１つのクリッピング装置４が後置接続されている。微分段３とクリッピング装置４のそれぞれの機能は以下の通りである。
【００２４】
微分段３により、急峻なカットオフエッジを有する、トランジスタ段２から来た出力信号が微分される。このために、微分段３はまず第一に高域通過特性を有していなければならない。図３からは、本発明の有利な実施例に従った、ストリップ線路技術による微分段のさまざまな実施可能性が見て取れる。図３ａ及び３ｃによる回路５及び７とは対照的に、図３ｂ及び３ｄによる回路６及び８は、微分の他に、相反転に相当する、微分された入力信号の１８０°の相回転を行う。図３ｂ、３ｃ及び３ｄによる回路６，７及び８は、この目的にとって最適なケーブルコネクタである。このケーブルコネクタは、所望の結合に応じて、単一のケーブルコネクタ又は複数のケーブルコネクタの並列回路（インターデジタルコネクタ）として実施してもよい。線路インピーダンス、線路長、及び線路の結合に関する回路５，６，７及び８の寸法決定は、結果としてパルス幅及びパルス振幅に影響する。当業者にとっては、さらなる解説なしに、図３ａ〜３ｄに示されている回路５，６，７及び８の構造と機能が得られるので、ここでは詳細な説明はしない。ただ、回路５，６及び８は、部分的に信号アースに対して短絡した線路を有する平面構造を有しており、その一方で回路７ではこれが使用されていないことだけ指摘しておきたい。
【００２５】
微分段３としては、図３に示されている平面構造５，６，７及び８の他に、図４ａ及びｂに示されているような変成器回路９及び１０も適している。この場合、逆の巻方向を有する変成器回路により極反転が引き起こされる。
【００２６】
さらに、特定の用途の場合には、微分段３は同時に方向性結合器として、ないしは送受切換器として解釈される。トランジスタ段２から来る出力信号の微分により生じる２つのパルスは、極性が異なるだけでなく振幅も異なる。これは、トランジスタ段２の出力信号のスイッチオンエッジないしスイッチオフエッジの傾きが異なることに起因する。
【００２７】
それぞれクリッピング装置４を使用すれば、例えば微分段３により出力された一次パルスから１つのパルスだけを抽出することができる。本発明の有利な実施例によれば、クリッピング装置４は線路に直列に挿入されたショットキーダイオードにより実現されている。このショットキーダイオードは、選択された極性に応じて、相応するパルスをクリップする。ショットキーダイオードを選択する際には、クリップされたパルスの容量性クロストークを防ぐために、まず何よりも非常に低いハウジング容量が顧慮されなければならない。高速ＨＦトランジスタ又は高速ＨＦ適合ダイオードに基づいており且つ微分段３の出力線路に直列又は並列に挿入された種々の変種も、クリッピング装置４として適している。
【００２８】
最後に、図５に示されている本発明の有利な実施例から見て取れるように、複数の微分段３とクリッピング装置４をつなげる、つまり、それぞれ１つのクリッピング装置４により分離された複数の微分段３を設けてもよい。複数の微分段３とクリッピング装置４のこのような鎖状連結は、パルス信号の複数回の微分によりパルス幅の減少をもたらす。しかしながら、クリッピング装置４は通常は受動的な装置として実現されるので、このような連鎖回路はパルス振幅の減少も引き起こす。
【００２９】
本発明により実現されるパルスは、通常、定まった反復インピーダンスを有するストリップ線路又は同軸線路のような線路に供給される。それに応じて、出力インピーダンスは線路の反復インピーダンスに整合されなければならない。５０Ωシステムに関しては、９０ｐｓ未満までのパルス幅と数ボルトの振幅が達成可能である。
【００３０】
例えば５Ｖの電圧振幅に関しては、５０Ωシステムでは、１００ｍＡの電流、それとともに５００ｍＷの瞬時電力が得られる。出力電力に応じた制御信号を必要とするステップリカバリダイオードを用いた従来のパルス発生に比べて、ここに記載した本発明によるパルス発生器の制御電力は何倍も低く、したがって、例えば、ＴＴＬ信号を用いた複数のパルス発生器を並列制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の有利な実施例によるＮＰＮバイポーラトランジスタに基づいた電気パルス発生器の基本回路図を示す。
【００３２】
【図２】本発明の第２の有利な実施例によるＰＮＰバイポーラトランジスタに基づいた電気パルス発生器の基本回路図を示す。
【００３３】
【図３】本発明の種々の有利な実施例による微分段のさまざまな平面状実施可能性を示す。
【００３４】
【図４】本発明の種々の有利な実施例による微分段のさまざまな実施可能性を示す。
【００３５】
【図５】本発明の別の有利な実施例に従ってそれぞれ１つのクリッピング装置により分離された複数の微分段を使用した基本回路図を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１  制御装置
２  トランジスタ段
３  微分段
４  クリッピング装置
５  平面構造
６  平面構造
７  平面構造
８  平面構造
９  変成器回路
１０  変成器回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005124180.tif 000006
【図５】
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