超短波頻段脈沖產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)

摘 要:從頻域角度考慮了產(chǎn)生脈沖的方法，通過濾波器對(duì)單位沖激響應(yīng)進(jìn)行頻譜整形，達(dá)到將脈沖控制在固定頻譜范圍內(nèi)的目的。通過ADS和Protel對(duì)電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和硬件實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明，該脈沖產(chǎn)生器輸出結(jié)果達(dá)到了預(yù)期要求，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合得很好。最終輸出脈沖峰峰值為1.17 V，拖尾抑制為-12 dB，具有良好的對(duì)稱性，頻譜基本控制在30~40 MHz之間。

關(guān)鍵詞:濾波器;脈沖產(chǎn)生器;超寬帶;超短波

中圖分類號(hào):TN914.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)01-031-04

Design and Hardware Implementation of Pulse Generator in Ultrashort Frequency

XUE Feng，GE Lijia，QU Yuan

(Digital Communication and Signal Processing Laboratory，Chongqing Communication Institute，Chongqing，400035，China)

Abstract:A kind of pulse generator from the point of a view in frequency domain is proposed.The spectrum of unit impulse response through the filter to achieve the purpose of controlling impulse in a fixed spectrum framework.The circuit is designed，simulated and implemented by an existing RF software ADS and Protel.The testing results show that the generator has achieved the desired requirements，thus the circuit is verified.The final output pulse has a 1.17 V peak-peak amplitude with -12dB suppression of the tail and good symmetry.Its spectrum is controlled 30~40 MHz.

Keywords:filter;pulse generator;ultra-wideband;ultrashort frequency

0 引 言

運(yùn)用超寬帶的概念，在超短波頻段上實(shí)現(xiàn)超寬帶通信，能夠滿足在復(fù)雜電磁環(huán)境下抗干擾性能的要求。為了使超寬帶技術(shù)和現(xiàn)有的超短波通信設(shè)備相結(jié)合，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的超寬帶射頻前端至關(guān)重要。

脈沖形式的超寬帶定義是信號(hào)能量帶寬與中心頻率的比值大于0.20~0.25，在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)出一個(gè)能量帶寬在30~40 MHz之間，中心頻率為35 MHz的超寬帶信號(hào)，因?yàn)橄鄬?duì)帶寬=(fH-fL)/[(fH+fL)/2]=0.28>0.25，所以這樣的信號(hào)滿足超寬帶的定義[1]。而現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)超寬帶脈沖的硬件形式主要是利用特殊半導(dǎo)體器件的物理特性，或微帶線的反射組合來形成符合要求的UWB信號(hào)，這種UWB信號(hào)的頻譜特性可控度很差，一般是由半導(dǎo)體自身屬性來決定的。所以為了精確控制脈沖的頻譜特性，脈沖產(chǎn)生器的實(shí)現(xiàn)方案必須從信號(hào)的頻域入手[2]。

在此基礎(chǔ)上，本文考慮了基于濾波成型網(wǎng)絡(luò)的脈沖產(chǎn)生器。這種脈沖產(chǎn)生器的原理是:基帶方波信號(hào)通過一個(gè)微分電路，提取出基帶脈沖的上升沿和下降沿，得到單位沖激脈沖，再經(jīng)過零偏置放大電路，濾除下降沿，并放大上升沿，放大后的單位沖激脈沖通過濾波成型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行脈沖整形形成頻域有限的寬帶信號(hào)，最后放大發(fā)射。只要合理設(shè)計(jì)電路中的濾波成型網(wǎng)絡(luò)，就可以達(dá)到不同的設(shè)計(jì)要求。

1 原理圖設(shè)計(jì)

根據(jù)上述思想，該脈沖產(chǎn)生器的原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖

激勵(lì)信號(hào)源為TTL電平的方波信號(hào)，高電平3.3 V，低電平0 V。但其上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間不能太長(zhǎng)，應(yīng)該在1 ns左右。設(shè)計(jì)要求脈沖的帶寬為10 MHz，為了防止碼間串?dāng)_，信號(hào)源的重復(fù)頻率控制在1.25 MHz。微分網(wǎng)絡(luò)由電容和電阻構(gòu)成，實(shí)際上是一個(gè)時(shí)間常數(shù)很短的高通電路[3]，它的作用是取出方波信號(hào)的上升沿和下降沿，以降低信號(hào)的占空比。零偏置放大電路放大正向微分信號(hào)的同時(shí)濾除下降沿形成的反向微分信號(hào)。濾波成型網(wǎng)絡(luò)對(duì)微分放大后的信號(hào)進(jìn)行整形以產(chǎn)生所要求的波形形狀及頻譜，最后脈沖經(jīng)過寬帶放大電路輸出到射頻端口。激勵(lì)信號(hào)源，微分網(wǎng)絡(luò)，零偏置放大電路可以看成近似于理想的沖激脈沖發(fā)生器[4]。

2 具體電路實(shí)現(xiàn)

利用Agilent的ADS2006A對(duì)電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，理想沖激脈沖發(fā)生器由激勵(lì)信號(hào)源，微分網(wǎng)絡(luò)，零偏置放大電路組成，如圖2所示。

圖2 理想沖激脈沖成型網(wǎng)絡(luò)

激勵(lì)信號(hào)源為TTL電平的方波信號(hào)Vin，上升沿和下降沿均為1 ns，激勵(lì)信號(hào)寬度為400 ns。微分網(wǎng)絡(luò)由RC時(shí)間常數(shù)比輸入脈沖持續(xù)時(shí)間少很多的高通電路組成。這種電路用來將加于輸入端的方波電壓變?yōu)檎?fù)的尖峰電壓輸出。因?yàn)檩敵鲭妷罕硎玖溯斎腚妷旱淖兓剩赃@個(gè)變化過程叫作微分。微分電路設(shè)計(jì)的兩個(gè)重點(diǎn)[5]:τt外加/10，以獲得良好的沖激響應(yīng);對(duì)電阻R進(jìn)行合理的取值以獲得足夠大的電壓幅度。在此設(shè)計(jì)中，C1=3 pF，R=120 Ω，時(shí)間常數(shù)τ=RC=3×10-12×120=3.6 ns。

零偏置放大網(wǎng)絡(luò)采用單級(jí)晶體管共射放大電路，BJT采用的是infineon公司的BFP450，因?yàn)橐狗糯箅娐窞V去負(fù)脈沖，所以必須使晶體管工作在截止區(qū)和放大區(qū)的臨界點(diǎn)[6]。設(shè)計(jì)單級(jí)晶體管放大電路的步驟是先靜態(tài)，后動(dòng)態(tài)。通過ADS對(duì)BFP450進(jìn)行直流工作點(diǎn)測(cè)試，找到合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。在零偏置放大電路中，R2和微分電路中的R1共同構(gòu)成了分壓式直流通路。

根據(jù)BFP450的datasheet得知最大基極電流IBB=10 mA，最大集電結(jié)電壓為VCE=15 V，所以掃描范圍為:IBB=20~100 μA，步進(jìn)為10 μA。VCE=0~10 V，步進(jìn)為0.1 V。將BFP450的Spice模型導(dǎo)入ADS中，得到靜態(tài)工作點(diǎn)掃描結(jié)果，如圖3所示。

從掃描結(jié)果中可以看出，對(duì)于IBB<20 μA，都可以認(rèn)為晶體管進(jìn)入了截止區(qū)。同時(shí)在設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，盡量使電路有一個(gè)較大范圍的線性放大區(qū)，這樣更有利于脈沖的放大。所以選取的試驗(yàn)條件為:VCE=4~5 V，步進(jìn)0.1 V。VBE=500~600 mV，步進(jìn)20 mV。在此范圍內(nèi)，根據(jù)公式:

VBB=R1R2+R1VDC

Rb=R1//R2=(VBB-VBEQ)/IBQ

RC=(VDC-VCEQ)/ICQ

圖3 靜態(tài)工作點(diǎn)掃描結(jié)果

推導(dǎo)出R2=1 kΩ，R4=1 kΩ。再將阻值帶回偏置電路中，得到靜態(tài)工作點(diǎn)為IBB=14.96 μA，IC=23.77 μA，VBE=534.1 mV，VCE=4.976 V。理想沖激脈沖成型網(wǎng)絡(luò)的各級(jí)輸出如圖4所示。

圖4 理想沖激脈沖成型網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果

從輸出結(jié)果來看，基本達(dá)到了預(yù)期結(jié)果，提取出了正向微分信號(hào)，并倒相放大到5 V，拖尾振蕩很小。

設(shè)計(jì)方案中最為重要的就是脈沖成型網(wǎng)絡(luò)，它決定了輸出脈沖的頻帶范圍，時(shí)域形狀好壞等[7]。所以利用ADS2006A中的SmartComponentchart進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)指標(biāo)為:濾波器類型為5階切比雪夫?yàn)V波器，通帶平坦度為0.5 dB，范圍:30~40 MHz。阻帶衰減為50 dB，范圍為10 MHz，50 MHz。輸入、輸出阻抗均為50 Ω。如圖5所示。

設(shè)計(jì)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)是寬帶放大器。此方案中采用的是共射負(fù)反饋靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路。在零偏置放大電路的基礎(chǔ)上加入發(fā)射極電阻Re和耦合電容Ce，通過Re的負(fù)反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，判定標(biāo)準(zhǔn)是:(1+β)ReRb。BJT還是采用BFP450，根據(jù)零偏置放大電路的設(shè)計(jì)方法，加入Re的影響，確定靜態(tài)工作點(diǎn)為VCE=2 V，VBE=732.2 mV。

圖5 濾波器設(shè)計(jì)

因?yàn)閱尉w管選定過后，rbb′和Cμ就隨之確定，因而增益帶寬乘積也就大體確定，所以必須在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)ふ业皆鲆婧蛶捴g的平衡點(diǎn)，其次寬帶放大器的放大頻譜范圍必須確定在30~40 MHz之間，不能引入新的頻率分量。

在設(shè)計(jì)零偏置放大電路時(shí)，已經(jīng)確定了BFP450的靜態(tài)工作點(diǎn)，在這級(jí)寬帶放大電路中引入負(fù)反饋來穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。因?yàn)槭菐ㄐ盘?hào)，所以采用阻容耦合方式連接電路。具體電路如圖6所示。

圖6 寬帶放大器

單管放大電路的頻率響應(yīng)為[8]:

(1) 下限截止頻率:

fL=1/[2π(RC+RL)C]

與BJT的自身參數(shù)無關(guān)，只與輸出回路的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。

(2) 上限截止頻率:

fH=1/(2πRCπ′)

由輸入回路和BJT自身參數(shù)決定。其中:

Cπ′=Cπ+(1+||)Cμ，R=r′be//(r′bb+Rb//Rs)，相當(dāng)于是輸入回路的時(shí)間常數(shù)。

從BFP的datasheet里已知BJT的截止頻率fβ，Cob，rbb′，β，UBEQ可以推出Cπ，，r′be，A。因?yàn)闉V波成型網(wǎng)絡(luò)的輸出范圍為30~40 MHz，所以寬帶放大器的放大范圍也控制在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)單管放大器的頻率響應(yīng)，可以推算出電阻，電容的數(shù)值，根據(jù)適當(dāng)?shù)娜∩幔瑢⑵滢D(zhuǎn)換為標(biāo)稱值。寬帶放大器在30~40 MHz范圍內(nèi)增益為:21.36~22.56 dB。

最終電路如圖7所示。

圖7 基于濾波成型網(wǎng)絡(luò)的脈沖產(chǎn)生器電路圖

圖8是利用ADS仿真基于濾波原理的脈沖產(chǎn)生器最終輸出波形時(shí)頻域圖。從圖中可知，最終輸出脈沖峰峰值為-700~661.6 mV，拖尾抑制為-12 dB，注意主脈沖后的小幅度振蕩不是由于電路結(jié)構(gòu)造成的，而是因?yàn)轭l域受限的信號(hào)必定是時(shí)域無限振蕩。除此之外，主脈沖具有良好的對(duì)稱性，其頻譜基本控制在30~40 MHz間。脈沖的重復(fù)頻率根據(jù)所設(shè)計(jì)的脈寬來確定，理論上最大脈沖重復(fù)頻率[9]FTRmax=1/T脈寬。仿真波形比較理想，達(dá)到了預(yù)期的要求。

圖8 最終輸出時(shí)頻域圖

3 脈沖產(chǎn)生器的制作及測(cè)試

脈沖產(chǎn)生器電路制作在FR4環(huán)氧玻纖板上，它的介電常數(shù)為9.6，厚度為1.2 mm，輸入、輸出阻抗為50 Ω，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。

輸入的LO信號(hào)為1.25 MHz，TTL電平的方波，使用Agilent 54855A，6 GHz，20 Gsa/s示波器測(cè)量輸出脈沖波形。其脈沖產(chǎn)生器實(shí)物及測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

輸出脈沖峰峰值為1.17 V，脈沖寬度為100 ns，脈沖重復(fù)最高可達(dá)FTRmax=1/T脈寬，脈沖中心頻率為35 MHz，-10 dB帶寬為10 MHz，通帶平坦度為1 dB，阻帶衰減30 dB。通過和仿真結(jié)果比較可以看出，測(cè)試的脈沖幅度比仿真的脈沖要小，同時(shí)在脈沖的前端有高頻信號(hào)干擾，通過分析得知，高頻干擾是理想沖激脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的單位沖激脈沖通過濾波成型網(wǎng)絡(luò)串?dāng)_到模擬地所致，可以在下一步設(shè)計(jì)中優(yōu)化模擬地的環(huán)路結(jié)構(gòu)從而改善脈沖波形。總體來說，產(chǎn)生的脈沖對(duì)稱性良好，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期要求。

圖9 脈沖產(chǎn)生器實(shí)物及最終輸出脈沖波形及頻譜

4 結(jié) 語

本文通過從頻域角度考慮產(chǎn)生脈沖的方法，成功地設(shè)計(jì)了能夠集成在超短波通信設(shè)備上的脈沖產(chǎn)生器，從而實(shí)現(xiàn)超寬帶通信。此脈沖產(chǎn)生器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、成本低、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致。突出優(yōu)點(diǎn)是能夠通過改變?yōu)V波器的參數(shù)產(chǎn)生任意頻段的脈沖，而且脈沖的最高重復(fù)頻率突破了傳統(tǒng)開關(guān)型脈沖產(chǎn)生器受限于開關(guān)器件特性的瓶頸[10]，而僅與所產(chǎn)生的脈沖寬度有關(guān)，若與后級(jí)功放或變壓器相連，能夠?qū)崿F(xiàn)高速遠(yuǎn)距離超寬帶通信。

參考文獻(xiàn)

[1]Lee Jeong Soo，Nguyen Cam.Novel Low-cost Ultra-wide-band，Ultra-short Pulse Transmitter with MESFET Impulse-shaping Circuitry for Reduced Distortion and Improved Pulse Reprtition Rate[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2001，11(5):208-210.

[2]樊祥寧，畢國(guó)光，歐陽永艷，等.超寬帶無線通信中超高重復(fù)頻率亞納秒窄脈沖的生成方法[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2005，10(2):23-26.

[3]Han J，Nguyen C.On the Development of a Compact Sub-nanosecond Tunable Monocycle Pulse Transmitter for UWB Applications[J].IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques，2006，54(1):285-293.

[4]Andrews J R.UWB Signal Sources，Antennas and Propagation[A].IEEE Topical Conference on Wireless Communication Technology[C].2003，15(17):439-440.

[5]Fontana R J.Recent System Application of Short-pulse Ultra-wideband(UWB) Technology[J].IEEE Trans.on Microwave Theory Tech.2004，52(9):2 087-2 104.

[6]Kim H，Park D，Joo Y.Design of Scholtz′s Monocycle Pulse Generator[A].IEEE Conf.on Ultra Wideband System and Technology[C].Reston，2003:81-85.

[7]Marsden K，Lee H J.Low Power CMOS Re-programmable Pulse Generator for UWB System[A].Int.Conf.on Ultra Wideband Systems and Techologies[C].Reston，2003:443-447.

[8]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2001.

[9]Han Jeongwoo，Nguyen Can.A New Ultra-wideband Ultra-short Monocycle Pulse Generator with Reduce Ringing[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2002，12(6):206-208.

[10]Chen Xiaomin，Kiaei S.Monocycle Shapes for Ultra Wideband System[A].IEEE International Symposium on Circuits and System[C].2002，1(1):597-600.