超短波频段脉冲产生器的设计及硬件实现

摘 要:从频域角度考虑了产生脉冲的方法,通过滤波器对单位冲激响应进行频谱整形,达到将脉冲控制在固定频谱范围内的目的。通过ADS和Protel对电路进行仿真设计和硬件实现。测试结果表明,该脉冲产生器输出结果达到了预期要求,实测结果与仿真结果吻合得很好。最终输出脉冲峰峰值为1.17 V,拖尾抑制为-12 dB,具有良好的对称性,频谱基本控制在30~40 MHz之间。

关键词:滤波器;脉冲产生器;超宽带;超短波

中图分类号:TN914.3文献标识码:A

文章编号: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

运用超宽带的概念,在超短波频段上实现超宽带通信,能够满足在复杂电磁环境下抗干扰性能的要求。为了使超宽带技术和现有的超短波通信设备相结合,设计一个合理的超宽带射频前端至关重要。

脉冲形式的超宽带定义是信号能量带宽与中心频率的比值大于0.20~0.25,在此基础上,本文设计出一个能量带宽在30~40 MHz之间,中心频率为35 MHz的超宽带信号,因为相对带宽=(fH-fL)/[(fH+fL)/2]=0.28>0.25,所以这样的信号满足超宽带的定义[1]。而现阶段实现超宽带脉冲的硬件形式主要是利用特殊半导体器件的物理特性,或微带线的反射组合来形成符合要求的UWB信号,这种UWB信号的频谱特性可控度很差,一般是由半导体自身属性来决定的。所以为了精确控制脉冲的频谱特性,脉冲产生器的实现方案必须从信号的频域入手[2]。

在此基础上,本文考虑了基于滤波成型网络的脉冲产生器。这种脉冲产生器的原理是:基带方波信号通过一个微分电路,提取出基带脉冲的上升沿和下降沿,得到单位冲激脉冲,再经过零偏置放大电路,滤除下降沿,并放大上升沿,放大后的单位冲激脉冲通过滤波成型网络进行脉冲整形形成频域有限的宽带信号,最后放大发射。只要合理设计电路中的滤波成型网络,就可以达到不同的设计要求。

1 原理图设计

根据上述思想,该脉冲产生器的原理框图如图1所示。

图1 原理框图

激励信号源为TTL电平的方波信号,高电平3.3 V,低电平0 V。但其上升沿时间和下降沿时间不能太长,应该在1 ns左右。设计要求脉冲的带宽为10 MHz,为了防止码间串扰,信号源的重复频率控制在1.25 MHz。微分网络由电容和电阻构成,实际上是一个时间常数很短的高通电路[3],它的作用是取出方波信号的上升沿和下降沿,以降低信号的占空比。零偏置放大电路放大正向微分信号的同时滤除下降沿形成的反向微分信号。滤波成型网络对微分放大后的信号进行整形以产生所要求的波形形状及频谱,最后脉冲经过宽带放大电路输出到射频端口。激励信号源,微分网络,零偏置放大电路可以看成近似于理想的冲激脉冲发生器[4]。

2 具体电路实现

利用Agilent的ADS2006A对电路进行仿真设计,理想冲激脉冲发生器由激励信号源,微分网络,零偏置放大电路组成,如图2所示。

图2 理想冲激脉冲成型网络

激励信号源为TTL电平的方波信号Vin,上升沿和下降沿均为1 ns,激励信号宽度为400 ns。微分网络由RC时间常数比输入脉冲持续时间少很多的高通电路组成。这种电路用来将加于输入端的方波电压变为正负的尖峰电压输出。因为输出电压表示了输入电压的变化率,所以这个变化过程叫作微分。微分电路设计的两个重点[5]:τt外加/10,以获得良好的冲激响应;对电阻R进行合理的取值以获得足够大的电压幅度。在此设计中,C1=3 pF,R=120 Ω,时间常数τ=RC=3×10-12×120=3.6 ns。

零偏置放大网络采用单级晶体管共射放大电路,BJT采用的是infineon公司的BFP450,因为要使放大电路滤去负脉冲,所以必须使晶体管工作在截止区和放大区的临界点[6]。设计单级晶体管放大电路的步骤是先静态,后动态。通过ADS对BFP450进行直流工作点测试,找到合适的静态工作点。在零偏置放大电路中,R2和微分电路中的R1共同构成了分压式直流通路。

根据BFP450的datasheet得知最大基极电流IBB=10 mA,最大集电结电压为VCE=15 V,所以扫描范围为:IBB=20~100 μA,步进为10 μA。VCE=0~10 V,步进为0.1 V。将BFP450的Spice模型导入ADS中,得到静态工作点扫描结果,如图3所示。

从扫描结果中可以看出,对于IBB

VBB=R1R2+R1VDC

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

RC=(VDC-VCEQ)/ICQ

图3 静态工作点扫描结果

推导出R2=1 kΩ,R4=1 kΩ。再将阻值带回偏置电路中,得到静态工作点为IBB=14.96 μA,IC=23.77 μA,VBE=534.1 mV,VCE=4.976 V。理想冲激脉冲成型网络的各级输出如图4所示。

图4 理想冲激脉冲成型网络输出结果

从输出结果来看,基本达到了预期结果,提取出了正向微分信号,并倒相放大到5 V,拖尾振荡很小。

设计方案中最为重要的就是脉冲成型网络,它决定了输出脉冲的频带范围,时域形状好坏等[7]。所以利用ADS2006A中的SmartComponentchart进行辅助设计。设计指标为:滤波器类型为5阶切比雪夫滤波器,通带平坦度为0.5 dB,范围:30~40 MHz。阻带衰减为50 dB,范围为10 MHz,50 MHz。输入、输出阻抗均为50 Ω。如图5所示。

设计的最后一个环节是宽带放大器。此方案中采用的是共射负反馈静态工作点稳定电路。在零偏置放大电路的基础上加入发射极电阻Re和耦合电容Ce,通过Re的负反馈作用稳定静态工作点,判定标准是:(1+β)ReRb。BJT还是采用BFP450,根据零偏置放大电路的设计方法,加入Re的影响,确定静态工作点为VCE=2 V,VBE=732.2 mV。

图5 滤波器设计

因为单晶体管选定过后,rbb′和Cμ就随之确定,因而增益带宽乘积也就大体确定,所以必须在设计的时候寻找到增益和带宽之间的平衡点,其次宽带放大器的放大频谱范围必须确定在30~40 MHz之间,不能引入新的频率分量。

在设计零偏置放大电路时,已经确定了BFP450的静态工作点,在这级宽带放大电路中引入负反馈来稳定静态工作点。因为是带通信号,所以采用阻容耦合方式连接电路。具体电路如图6所示。

图6 宽带放大器

单管放大电路的频率响应为[8]:

(1) 下限截止频率:

fL=1/[2π(RC+RL)C]

与BJT的自身参数无关,只与输出回路的时间常数有关。

(2) 上限截止频率:

fH=1/(2πRCπ′)

由输入回路和BJT自身参数决定。其中:

Cπ′=Cπ+(1+||)Cμ,R=r′be//(r′bb+Rb//Rs),相当于是输入回路的时间常数。

从BFP的datasheet里已知BJT的截止频率fβ,Cob,rbb′,β,UBEQ可以推出Cπ,,r′be,A。因为滤波成型网络的输出范围为30~40 MHz,所以宽带放大器的放大范围也控制在这个标准。根据单管放大器的频率响应,可以推算出电阻,电容的数值,根据适当的取舍,将其转换为标称值。宽带放大器在30~40 MHz范围内增益为:21.36~22.56 dB。

最终电路如图7所示。

图7 基于滤波成型网络的脉冲产生器电路图

图8是利用ADS仿真基于滤波原理的脉冲产生器最终输出波形时频域图。从图中可知,最终输出脉冲峰峰值为-700~661.6 mV,拖尾抑制为-12 dB,注意主脉冲后的小幅度振荡不是由于电路结构造成的,而是因为频域受限的信号必定是时域无限振荡。除此之外,主脉冲具有良好的对称性,其频谱基本控制在30~40 MHz间。脉冲的重复频率根据所设计的脉宽来确定,理论上最大脉冲重复频率[9]FTRmax=1/T脉宽。仿真波形比较理想,达到了预期的要求。

图8 最终输出时频域图

3 脉冲产生器的制作及测试

脉冲产生器电路制作在FR4环氧玻纤板上,它的介电常数为9.6,厚度为1.2 mm,输入、输出阻抗为50 Ω,整个电路结构紧凑,体积小。

输入的LO信号为1.25 MHz,TTL电平的方波,使用Agilent 54855A,6 GHz,20 Gsa/s示波器测量输出脉冲波形。其脉冲产生器实物及测试结果如图9所示。

输出脉冲峰峰值为1.17 V,脉冲宽度为100 ns,脉冲重复最高可达FTRmax=1/T脉宽,脉冲中心频率为35 MHz,-10 dB带宽为10 MHz,通带平坦度为1 dB,阻带衰减30 dB。通过和仿真结果比较可以看出,测试的脉冲幅度比仿真的脉冲要小,同时在脉冲的前端有高频信号干扰,通过分析得知,高频干扰是理想冲激脉冲发生器所产生的单位冲激脉冲通过滤波成型网络串扰到模拟地所致,可以在下一步设计中优化模拟地的环路结构从而改善脉冲波形。总体来说,产生的脉冲对称性良好,各项指标均达到了预期要求。

图9 脉冲产生器实物及最终输出脉冲波形及频谱

4 结 语

本文通过从频域角度考虑产生脉冲的方法,成功地设计了能够集成在超短波通信设备上的脉冲产生器,从而实现超宽带通信。此脉冲产生器具有结构紧凑、体积小、成本低、易于实现等优点,测试结果与仿真结果一致。突出优点是能够通过改变滤波器的参数产生任意频段的脉冲,而且脉冲的最高重复频率突破了传统开关型脉冲产生器受限于开关器件特性的瓶颈[10],而仅与所产生的脉冲宽度有关,若与后级功放或变压器相连,能够实现高速远距离超宽带通信。

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