超寬帶脈沖信號接收機研究與設計

李德生 同方電子科技有限公司

引言

超寬帶技術有著較為悠久的發展歷史，在最初主要服務于軍事領域，后來逐漸拓展應用到了航空、公共安全、醫療衛生、消費類服務與產品等諸多領域，其市場發展前景難以估量。伴隨超寬帶技術的不斷發展，越來越多超寬帶產品必將會陸續進入市場，為人們的生產和生活做出更大的貢獻。面對如此重要的超寬帶技術，國內外諸多研究機構和學者就超寬帶脈沖信號接收機展開了研究，我國在這方面也取得了一定的研究成果，但是相比于國外還是存在著一定的差距，希望本文的研究能夠對國內超寬帶技術的發展起到一定促進作用。

1 超寬帶脈沖信號接收機介紹

1.1 相干型超寬帶脈沖信號接收機

如果超寬帶脈沖信號接收機的接收方式采取的是相干檢測，則稱之為相干型超寬帶脈沖信號接收機，其主要由天線、濾波放大、乘法器、本振信號源、積分器和基帶處理等部分模塊構成。天線接收到信號以后，首先經過濾波放大將微弱的脈沖信號放大至可檢測的門限，然后與本振信號相乘，再經過積分采樣處理。相干型超寬帶脈沖信號接收機在結構上類似于傳統的窄帶接收機，但由于要求接收信號和本振信號有著非常高的匹配度，所以對兩個信號的同步有著非常高的要求，對具體的電路設計提出很大的挑戰。

1.2 自相干型超寬帶脈沖信號接收機

當接收機需要在多路徑的條件下進行應用時，雖然可以采用多支路的Rake 接收機，但由于其對于信號的同步有著非常高的要求，所以為其實際應用帶來了很大的阻礙，自相干型超寬帶脈沖信號接收機正是在這樣的背景下被研發設計了出來，其主要由天線、濾波放大、乘法器、延時器、積分器和基帶處理等部分模塊構成。自相干型超寬帶脈沖信號接收機與相干型超寬帶脈沖信號接收機最大不同之處是將本振信號用輸入信號延時之后的信號予以代替，從而使得信號同步的要求降低了，但是相應的，對于延時器的設計也有了更高的要求，唯有如此才能更好地確保接收機的性能。

1.3 非相干型超寬帶脈沖信號接收機

非相干型超寬帶脈沖信號接收機無需引入本振信號源或延時器進行同步，主要由天線、濾波放大、平方律檢波、積分器和基帶處理等部分模塊構成。天線接收到信號以后，首先經過濾波放大，然后進行平方律檢波，再通過積分器來累計和提取能量，最后經過基帶處理。非相干型超寬帶脈沖信號接收機由于僅需要根據信號的能力來對脈沖信號進行提取，所以能夠極大地簡化其結構。雖然非相干型超寬帶脈沖信號接收機有著相對簡單的結構，但要想實現在脈沖重頻較高情況下的高速積分也是非常困難的，這也導致非相干型超寬帶脈沖信號接收機的發展與應用極大地受制于積分器的性能。

2 超寬帶脈沖信號接收機設計與驗證

2.1 取樣門電路設計與驗證

本研究選擇更為成熟的橋式封裝二極管HSMS282P[2]來對取樣門電路進行設計，如圖2-1 所示，端口1 和4 分別代表取樣門的信號輸入端口和信號輸出端口，而端口2 和3 代表一對取樣脈沖信號輸入端口。

圖2 -1 取樣門電路設計示意圖

文章采用了ADS 的瞬態仿真功能。通過綜合考慮，在進行性能驗證以及后續驗證所選擇的脈沖重頻為100MHz，輸入信號的寬度為10ns，此時取樣信號的寬度為10.02ns，測試結果發現該設計對脈沖重頻10-100MHz 的信號都有著良好的取樣性能。

2.2 超寬帶脈沖源設計與驗證

本研究選擇采用階躍恢復二極管（SRD）來對UWB 脈沖信號源進行設計。在UWB 脈沖信號源電路中，核心器件是SRD，其他部分都是起一個輔助作用，幫助產生脈沖信號，而脈沖信號波形的寬度將受到外部正負偏置電壓變化的快慢影響。由于正負跳變的速度往往僅有幾十納秒甚至幾納秒，所以文章主要利用三極管來對SRD 進行驅動，三極管有著越好的開關特性，那么就有著越快的開啟速度。經過仿真驗證，能夠得到脈沖信號的波形以及頻譜。脈沖信號的波形寬度大概為500ps，幅度大概為1.5v，波形中未曾出現拖尾現象，而脈沖信號的頻譜寬度大概為4GHz，可以看到效果是非常理想的。但是為了使版圖更加貼近實際電路，有必要在電路中加入微帶線以及更換實際的電感電容模型再次進行仿真驗證。

2.3 巴倫設計與驗證

巴倫相位和幅度平衡特性好，工作頻率帶寬較寬，而且結構簡單、成本低廉以及易于制作，所以本文采用超寬帶巴倫進行缺陷地結構設計，采用上下寬邊耦合結構的三層結構巴倫，電路分為三層結構，下層與中層形成ZOT，中層與上層形成ZOC、ZOE，選用Rogers4350B 基片。經過仿真驗證，本文所設計的的超寬帶巴倫在頻率范圍為1.0-6.0GHz 內的相位不平衡性、幅度不平衡性、端口反射等方面都有著較為理想的性能。

2.4 低噪聲放大器設計與驗證

通過對電路結構、設計難易程度、噪聲系數等方面的綜合考慮，本文將采用電阻負反饋的電路結構來對低噪聲放大器予以設計。雖然負反饋電路會導致放大器的噪聲系數產生一定惡化，也會一定程度降低資用功率增益，然而其也能夠使輸入端和終端的匹配電路在較為寬的頻帶下均具有良好的性能，從而使得電路的穩定性得到進一步的增強，使放大器功率增益平坦度得到優化，而且電路結構相對較為簡單，設計容易，外形較小。在低噪聲放大器設計中，晶體管將選擇高電子遷移率晶體管，因為其在穩定性、噪聲特性、截止頻率等方面有著較為明顯的優勢；電路基片選擇的是R04350B 基片，其優勢在于性價比高，介電常數在溫度變化時候較為穩定。采用ADS 軟件進行仿真驗證，本文所設計的低噪聲放大器在全頻帶內均有著較好的穩定性，尤其是在0.5-6GHz 頻帶內能夠實現絕對穩定。

3 結語

文章先介紹了傳統超寬帶脈沖信號接收機，然后在此基礎上就超寬帶脈沖信號接收機的取樣門電路、超寬帶脈沖源、巴倫結構、低噪聲放大器四個關鍵部分的設計展開了深入的研究，綜合起來即為超寬帶脈沖信號接收機的整體設計方案。希望本文的研究成果能夠給予相關人員一定參考借鑒，能夠為超寬帶脈沖信號接收機技術的發展進步作出一定貢獻。