超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)研究與設(shè)計(jì)

李德生 同方電子科技有限公司

引言

超寬帶技術(shù)有著較為悠久的發(fā)展歷史，在最初主要服務(wù)于軍事領(lǐng)域，后來逐漸拓展應(yīng)用到了航空、公共安全、醫(yī)療衛(wèi)生、消費(fèi)類服務(wù)與產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域，其市場(chǎng)發(fā)展前景難以估量。伴隨超寬帶技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多超寬帶產(chǎn)品必將會(huì)陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng)，為人們的生產(chǎn)和生活做出更大的貢獻(xiàn)。面對(duì)如此重要的超寬帶技術(shù)，國(guó)內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者就超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)展開了研究，我國(guó)在這方面也取得了一定的研究成果，但是相比于國(guó)外還是存在著一定的差距，希望本文的研究能夠?qū)?guó)內(nèi)超寬帶技術(shù)的發(fā)展起到一定促進(jìn)作用。

1 超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)介紹

1.1 相干型超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)

如果超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)的接收方式采取的是相干檢測(cè)，則稱之為相干型超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)，其主要由天線、濾波放大、乘法器、本振信號(hào)源、積分器和基帶處理等部分模塊構(gòu)成。天線接收到信號(hào)以后，首先經(jīng)過濾波放大將微弱的脈沖信號(hào)放大至可檢測(cè)的門限，然后與本振信號(hào)相乘，再經(jīng)過積分采樣處理。相干型超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似于傳統(tǒng)的窄帶接收機(jī)，但由于要求接收信號(hào)和本振信號(hào)有著非常高的匹配度，所以對(duì)兩個(gè)信號(hào)的同步有著非常高的要求，對(duì)具體的電路設(shè)計(jì)提出很大的挑戰(zhàn)。

1.2 自相干型超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)

當(dāng)接收機(jī)需要在多路徑的條件下進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，雖然可以采用多支路的Rake 接收機(jī)，但由于其對(duì)于信號(hào)的同步有著非常高的要求，所以為其實(shí)際應(yīng)用帶來了很大的阻礙，自相干型超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)正是在這樣的背景下被研發(fā)設(shè)計(jì)了出來，其主要由天線、濾波放大、乘法器、延時(shí)器、積分器和基帶處理等部分模塊構(gòu)成。自相干型超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)與相干型超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)最大不同之處是將本振信號(hào)用輸入信號(hào)延時(shí)之后的信號(hào)予以代替，從而使得信號(hào)同步的要求降低了，但是相應(yīng)的，對(duì)于延時(shí)器的設(shè)計(jì)也有了更高的要求，唯有如此才能更好地確保接收機(jī)的性能。

1.3 非相干型超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)

非相干型超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)無(wú)需引入本振信號(hào)源或延時(shí)器進(jìn)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(gòu)成。天線接收到信號(hào)以后，首先經(jīng)過濾波放大，然后進(jìn)行平方律檢波，再通過積分器來累計(jì)和提取能量，最后經(jīng)過基帶處理。非相干型超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)由于僅需要根據(jù)信號(hào)的能力來對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行提取，所以能夠極大地簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)。雖然非相干型超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)有著相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但要想實(shí)現(xiàn)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(dǎo)致非相干型超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用極大地受制于積分器的性能。

2 超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 取樣門電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

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

圖2 -1 取樣門電路設(shè)計(jì)示意圖

文章采用了ADS 的瞬態(tài)仿真功能。通過綜合考慮，在進(jìn)行性能驗(yàn)證以及后續(xù)驗(yàn)證所選擇的脈沖重頻為100MHz，輸入信號(hào)的寬度為10ns，此時(shí)取樣信號(hào)的寬度為10.02ns，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)對(duì)脈沖重頻10-100MHz 的信號(hào)都有著良好的取樣性能。

2.2 超寬帶脈沖源設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

本研究選擇采用階躍恢復(fù)二極管（SRD）來對(duì)UWB 脈沖信號(hào)源進(jìn)行設(shè)計(jì)。在UWB 脈沖信號(hào)源電路中，核心器件是SRD，其他部分都是起一個(gè)輔助作用，幫助產(chǎn)生脈沖信號(hào)，而脈沖信號(hào)波形的寬度將受到外部正負(fù)偏置電壓變化的快慢影響。由于正負(fù)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(duì)SRD 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，三極管有著越好的開關(guān)特性，那么就有著越快的開啟速度。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，能夠得到脈沖信號(hào)的波形以及頻譜。脈沖信號(hào)的波形寬度大概為500ps，幅度大概為1.5v，波形中未曾出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，而脈沖信號(hào)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(shí)際電路，有必要在電路中加入微帶線以及更換實(shí)際的電感電容模型再次進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2.3 巴倫設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

巴倫相位和幅度平衡特性好，工作頻率帶寬較寬，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉以及易于制作，所以本文采用超寬帶巴倫進(jìn)行缺陷地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用上下寬邊耦合結(jié)構(gòu)的三層結(jié)構(gòu)巴倫，電路分為三層結(jié)構(gòu)，下層與中層形成ZOT，中層與上層形成ZOC、ZOE，選用Rogers4350B 基片。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)的的超寬帶巴倫在頻率范圍為1.0-6.0GHz 內(nèi)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(shè)計(jì)與驗(yàn)證

通過對(duì)電路結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)難易程度、噪聲系數(shù)等方面的綜合考慮，本文將采用電阻負(fù)反饋的電路結(jié)構(gòu)來對(duì)低噪聲放大器予以設(shè)計(jì)。雖然負(fù)反饋電路會(huì)導(dǎo)致放大器的噪聲系數(shù)產(chǎn)生一定惡化，也會(huì)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(wěn)定性得到進(jìn)一步的增強(qiáng)，使放大器功率增益平坦度得到優(yōu)化，而且電路結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)容易，外形較小。在低噪聲放大器設(shè)計(jì)中，晶體管將選擇高電子遷移率晶體管，因?yàn)槠湓诜€(wěn)定性、噪聲特性、截止頻率等方面有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)；電路基片選擇的是R04350B 基片，其優(yōu)勢(shì)在于性價(jià)比高，介電常數(shù)在溫度變化時(shí)候較為穩(wěn)定。采用ADS 軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器在全頻帶內(nèi)均有著較好的穩(wěn)定性，尤其是在0.5-6GHz 頻帶內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

文章先介紹了傳統(tǒng)超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)，然后在此基礎(chǔ)上就超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)的取樣門電路、超寬帶脈沖源、巴倫結(jié)構(gòu)、低噪聲放大器四個(gè)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)展開了深入的研究，綜合起來即為超寬帶脈沖信號(hào)接收機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案。希望本文的研究成果能夠給予相關(guān)人員一定參考借鑒，能夠?yàn)槌瑢拵}沖信號(hào)接收機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步作出一定貢獻(xiàn)。