小型化高平坦度窄步進(jìn)梳狀譜源研究

舒安剛，秦巍巍

(電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川成都 610054)

梳狀譜發(fā)生器在現(xiàn)代微波系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，通過其倍頻作用可制成毫米波頻率源，在儀器設(shè)備中也是展寬頻帶的關(guān)鍵，常應(yīng)用于微波通信、EMC(Electro Magnetic Compatibility)測試、微波電子戰(zhàn)等方面［1］。近年來通信行業(yè)的快速發(fā)展，高性能的接收機(jī)對高平坦度，窄頻率步進(jìn)的優(yōu)質(zhì)梳狀譜的需求愈加明顯。

經(jīng)典的梳狀譜發(fā)生器通常是以電容或電阻等非線性器件為基礎(chǔ)，電容非線性是利用金屬—半導(dǎo)體結(jié)電容的非線性特征，對輸入信號進(jìn)行非線性變換得到倍頻脈沖，典型的如變?nèi)荻O管等。由于電容非線性器件的結(jié)電容有較大的溫度系數(shù)并對偏置電壓敏感，故需要提供恒溫、恒壓工作條件。電阻非線性是指器件電壓與電流之間具有非線性關(guān)系，雙結(jié)型晶體管(BJT)、場效應(yīng)管(FET)、二極管等倍頻器就是利用它們的非線性電阻效應(yīng)，將正弦波變成電流脈沖，產(chǎn)生梳狀譜［2］。然而高平坦度，窄步進(jìn)這些指標(biāo)是常規(guī)的模擬器件所難以實(shí)現(xiàn)的，且模擬器件一旦確定了輸入輸出參數(shù)，就不易修改，而數(shù)字器件可通過編寫新的程序方便靈活地進(jìn)行操作，基于此，提出了基于數(shù)字器件產(chǎn)生梳狀波的新思路。

1 數(shù)字器件產(chǎn)生梳狀波機(jī)理

以傳統(tǒng)的SRD倍頻器件為例，SRD的工作依賴于電荷復(fù)合。如果儲存的電荷在器件內(nèi)保持一段比射頻周期長的時間，則將產(chǎn)生復(fù)合，且降低器件效率。此因素決定頻率的下限，在該頻率，預(yù)期給定器件工作于一個令人滿意的模式。頻率下限以電荷壽命的倒數(shù)來定義［3］

由于電荷壽命的限制，SRD等模擬器件不適于產(chǎn)生低頻的倍頻信號。

和倍頻器類似，梳狀譜是由基頻的諧波構(gòu)成的等間隔頻率信號。不管模擬器件或是數(shù)字器件，要產(chǎn)生具有豐富諧波的信號，就需要得到優(yōu)質(zhì)的周期性脈沖信號。由于文中所研究的梳狀脈沖信號由脈沖電流產(chǎn)生，故先分析脈沖信號。

假設(shè)周期矩形脈沖信號f(t)的脈沖寬度為τ;脈沖幅度為E;重復(fù)周期為T，如圖1所示。

圖1 周期方波信號

這種脈沖信號可表示為

對其進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開得到

此等式是三角傅里葉級數(shù)展開式［4］，由此作出單邊譜。

由復(fù)振幅的表達(dá)式可知，頻譜譜線頂點(diǎn)的連線所構(gòu)成的包絡(luò)是抽樣函數(shù)。根據(jù)傅里葉展開式可得頻譜圖如圖2所示。

圖2 周期方波信號頻譜圖像

周期方波信號頻譜特點(diǎn)分析:(1)頻譜是離散的，兩譜線間的距離為基波頻率ω=脈沖周期越大，譜1線越密。(2)各分量的大小與脈幅成正比，與脈寬成正比，與周期成反比。當(dāng)E變大時，τ變大，則各次諧波的幅度越大;T變大，則諧波幅度越小。(3)各譜線的幅度按sin包絡(luò)線變化。(4)主要能量在第一過零點(diǎn)內(nèi)，主帶寬度為

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用Altera的一款CPLD(Complex Programmable Logic Device)作 為 計(jì) 數(shù) 器，該 CPLD 型 號 為EPM240T100C5，具有低功耗、低成本的特點(diǎn)，屬于瞬時接通，非易失性器件，具有掉電保存功能，待機(jī)電流低至25 μA，支持高達(dá)300 MHz的內(nèi)部時鐘，通用IO支持 3.3 V，2.5 V，1.8 V，1.5 V 等多種電平標(biāo)準(zhǔn)［5］，是理想的計(jì)數(shù)器選擇。

集成鎖相環(huán)作為計(jì)數(shù)器輸入時鐘，鎖相環(huán)和計(jì)數(shù)器的控制均由單片機(jī)進(jìn)行操作。在末端用了中心頻率140 MHz，帶寬20 MHz的帶通濾波器截取了所需的梳狀譜帶寬。實(shí)驗(yàn)方案如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)電路方案框圖

用數(shù)字計(jì)數(shù)器產(chǎn)生周期性方波脈沖的原理是利用計(jì)數(shù)器對輸入時鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到文中所需時間時，就產(chǎn)生一個時鐘周期的高電平，即方波信號，然后計(jì)數(shù)器歸零，進(jìn)行重新計(jì)數(shù)。如圖4所示，輸入時鐘信號200 MHz，但時鐘周期為5 ns，要產(chǎn)生500 kHz的周期性方波信號需計(jì)數(shù)200次，且在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到200時，將輸出端口置為高電平，同時將計(jì)數(shù)器清零，這樣就產(chǎn)生了周期性方波信號［6－7］。

圖4 周期方波信號產(chǎn)生原理

經(jīng)過對周期性方波信號的分析，周期性方波信號的能量主要集中在頻譜的第一個零點(diǎn)以內(nèi)，而第一個零點(diǎn)取決于周期性方波信號的τ，即脈寬間隔，針對文中采用的計(jì)數(shù)器方案，就是鎖相環(huán)輸出給計(jì)數(shù)器的時鐘信號。要得到140 MHz的高平坦度梳狀波信號源，選取輸入時鐘應(yīng)＞140 MHz，才能有更富余的頻段選取空間。

在本次試驗(yàn)中分別選取了300 MHz，200 MHz的時鐘頻率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。輸出頻率間隔為500 kHz的梳狀譜信號。在CPLD中寫入如下計(jì)數(shù)器的核心代碼，其中300 MHz計(jì)數(shù)次數(shù)為600次，200 MHz計(jì)數(shù)次數(shù)為400次。

always@(posedge clk_200MHz or posedge rst_n)

if(rst_n)cnt＜ =31＇b0;

else if(cnt==31＇d400)cnt＜ =31＇b0;

else cnt＜ =cnt+1＇b1;

always@(posedge clk_200MHz or posedge rst_n)

if(rst_n)fout_r＜ =1＇b0;

else if(cnt==31＇d400)fout_r＜ =1＇b1;

else fout_r＜ =1＇b0;

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照實(shí)驗(yàn)方案連接好電路，在N9010頻譜儀測得兩組實(shí)驗(yàn)圖像如圖5和圖6所示。

圖5 300 MHz時鐘信號，500 kHz頻率步進(jìn)實(shí)驗(yàn)圖像

圖5展示了輸入時鐘為300 MHz，計(jì)數(shù)產(chǎn)生頻率為500 kHz方波信號的頻譜圖像。圖5(a)為帶寬設(shè)置為400 MHz，可看出頻譜包絡(luò)的第一個零點(diǎn)為300 MHz，符合理論推導(dǎo)譜線的幅度按包絡(luò)線變化，主帶寬度為。圖5(b)的測試帶寬為20 MHz，即圖5(a)的放大，可看出頻率間隔為500 kHz，與文中理論推導(dǎo)結(jié)果相比頻譜是離散的，兩譜線間的距離為基波頻率相一致。

圖6展示了輸入時鐘為200 MHz時的圖像，同樣圖6(a)為帶寬400 MHz，圖6(b)為20 MHz。可以看出，譜線包絡(luò)的第一零點(diǎn)為200 MHz，頻率間隔為500 kHz。同樣較好地驗(yàn)證了理論推導(dǎo)。

圖6 200 MHz時鐘信號，500 kHz頻率步進(jìn)實(shí)驗(yàn)圖像

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看到，周期性方波信號的頻域譜線和經(jīng)傅里葉變換求解得到單邊譜一致，由于頻譜儀只顯示了幅度特性，因此第一個零點(diǎn)和第二個零點(diǎn)之間第二能量區(qū)的負(fù)相位不能得到體現(xiàn)，所有頻點(diǎn)均為正值。文中在300 MHz和200 MHz的時鐘條件下均輸出了500 kHz步進(jìn)的梳狀頻譜，表1為對比平坦度結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平坦度

從表1中可發(fā)現(xiàn)，同樣產(chǎn)生500 kHz的情況下較高的參考頻率在第一零點(diǎn)范圍內(nèi)具有更高的倍頻階數(shù)，300 MHz的參考輸入在第一零點(diǎn)內(nèi)有600次基波倍頻，200 MHz的參考頻率在第一零點(diǎn)內(nèi)只有400次基波倍頻?？梢姼叩膮⒖碱l率能提供更好的梳狀譜選取空間，具有更好的平坦度。實(shí)際工程使用過程中，應(yīng)在數(shù)字器件的工作頻率范圍內(nèi)盡可能地選取較大的參考頻率值。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種新型實(shí)用化的梳狀譜發(fā)生器，該頻率源的核心為數(shù)字計(jì)數(shù)器。產(chǎn)生了140 MHz中心頻率，20 MHz帶寬，頻率步進(jìn)500 kHz，通帶平坦度≤1.8 dB的優(yōu)質(zhì)梳狀譜頻信號。在實(shí)際工程中作為信號源可通過混頻等方式將其搬移到更高的頻段，應(yīng)用前景廣闊。

［1］ 張清．微波全頻段低功耗梳狀譜發(fā)生器研制［D］．成都:電子科技大學(xué)，2009．

［2］ 費(fèi)元春．固態(tài)倍頻器［M］．北京:高等教育出版社，1985．

［3］ 張廣顯，白錫?。A躍二極管高階倍頻器研制［J］．半導(dǎo)體情報(bào)，2000，37(2):50 －52．

［4］ 何子述．信號與系統(tǒng)［M］．北京:高等教育出版社，2007．

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