超短波頻段脈沖產生器的設計及硬件實現

概述：從頻域角度考慮了產生脈沖的方法，通過濾波器對單位沖激響應進行頻譜整形，達到將脈沖控制在固定頻譜范圍內的目的。通過ADS和Protel對電路進行仿真設計和硬件實現。測試結果表明，該脈沖產生器輸出結果達到了預期要求，實測結果與仿真結果吻合得很好。最終輸出脈沖峰峰值為1．17 V，拖尾抑制為-12 dB，具有良好的對稱性，頻譜基本控制在30～40 MHz之間。

??? 運用超寬帶的概念，在超短波頻段上實現超寬帶通信，能夠滿足在復雜電磁環境下抗干擾性能的要求。為了使超寬帶技術和現有的超短波通信設備相結合，設計一個合理的超寬帶射頻前端至關重要。
??? 脈沖形式的超寬帶定義是信號能量帶寬與中心頻率的比值大于0．20～0．25，在此基礎上，本文設計出一個能量帶寬在30～40 MHz之間，中心頻率為35 MHz的超寬帶信號，因為相對帶寬=(fH-fL)／[(fH+fL)／2]=0．28>0．25，所以這樣的信號滿足超寬帶的定義。而現階段實現超寬帶脈沖的硬件形式主要是利用特殊半導體器件的物理特性，或微帶線的反射組合來形成符合要求的UWB信號，這種UWB信號的頻譜特性可控度很差，一般是由半導體自身屬性來決定的。所以為了精確控制脈沖的頻譜特性，脈沖產生器的實現方案必須從信號的頻域入手。
??? 在此基礎上，本文考慮了基于濾波成型網絡的脈沖產生器。這種脈沖產生器的原理是：基帶方波信號通過一個微分電路，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絡進行脈沖整形形成頻域有限的寬帶信號，最后放大發射。只要合理設計電路中的濾波成型網絡，就可以達到不同的設計要求。

l 原理圖設計
??? 根據上述思想，該脈沖產生器的原理框圖如圖1所示。

??? 激勵信號源為TTL電平的方波信號，高電平3．3 V，低電平0 V。但其上升沿時間和下降沿時問不能太長，應該在1 ns左右。設計要求脈沖的帶寬為10 MHz，為了防止碼間串擾，信號源的重復頻率控制在1．25 MHz。微分網絡由電容和電阻構成，實際上是一個時間常數很短的高通電路，它的作用是取出方波信號的上升沿和下降沿，以降低信號的占空比。零偏置放大電路放大正向微分信號的同時濾除下降沿形成的反向微分信號。濾波成型網絡對微分放大后的信號進行整形以產生所要求的波形形狀及頻譜，最后脈沖經過寬帶放大電路輸出到射頻端口。激勵信號源，微分網絡，零偏置放大電路可以看成近似于理想的沖激脈沖發生器。

2 具體電路實現
??? 利用Agilent的ADS2006A對電路進行仿真設計，理想沖激脈沖發生器由激勵信號源，微分網絡，零偏置放大電路組成，如圖2所示。

??? 激勵信號源為TTL電平的方波信號Vin，上升沿和下降沿均為1 ns，激勵信號寬度為400 ns。微分網絡由RC時間常數比輸入脈沖持續時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為正負的尖峰電壓輸出。因為輸出電壓表示了輸入電壓的變化率，所以這個變化過程叫作微分。微分電路設計的兩個重點：τ＜＜t外加／10，以獲得良好的沖激響應；對電阻R進行合理的取值以獲得足夠大的電壓幅度。在此設計中，C1=3 pF，R=120 Ω，時間常數τ=RC=3×10-12×120=3．6 ns。

??? 零偏置放大網絡采用單級晶體管共射放大電路，BJT采用的是infineon公司的BFP450，因為要使放大電路濾去負脈沖，所以必須使晶體管工作在截止區和放大區的臨界點。設計單級晶體管放大電路的步驟是先靜態，后動態。通過ADS對BFP450進行直流工作點測試，找到合適的靜態工作點。在零偏置放大電路中，R2和微分電路中的R1共同構成了分壓式直流通路。
??? 根據BFP450的datasheet得知最大基極電流IBB=10 mA，最大集電結電壓為VCE=15 V，所以掃描范圍為：IBB=20～100μA，步進為10μA。VCE=0～10 V，步進為O．1 V。將BFP450的Spice模型導入ADS中，得到靜態工作點掃描結果，如圖3所示。

??? 從掃描結果中可以看出，對于IBB<20μA，都可以認為晶體管進入了截止區。同時在設置靜態工作點時，盡量使電路有一個較大范圍的線性放大區，這樣更有利于脈沖的放大。所以選取的試驗條件為：VCE=4～5V，步進0.1V。VCE=500～600mV，步進20mV。在此范圍內，根據公式：

??? 推導出R2=1 kΩ，R4=1 kΩ。再將阻值帶回偏置電路中，得到靜態工作點為IBB=14．96 μA，Ic=23．77μA，VBE=534．1 mV，VCE=4．976 V。理想沖激脈沖成型網絡的各級輸出如圖4所示。

??? 從輸出結果來看，基本達到了預期結果，提取出了正向微分信號，并倒相放大到5 V，拖尾振蕩很小。設計方案中最為重要的就是脈沖成型網絡，它決定了輸出脈沖的頻帶范圍，時域形狀好壞等。所以利用ADS2006A中的SmartComponentchart進行輔助設計。設計指標為：濾波器類型為5階切比雪夫濾波器，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50Ω。如圖5所示。

??? 設計的最后一個環節是寬帶放大器。此方案中采用的是共射負反饋靜態工作點穩定電路。在零偏置放大電路的基礎上加入發射極電阻Re和耦合電容Ce，通過Re的負反饋作用穩定靜態工作點，判定標準是：(1+β)Re＞＞Rb。BJT還是采用BFP450，根據零偏置放大電路的設計方法，加入Re的影響，確定靜態工作點為VCE=2 V，VBE=732．2 mV。
??? 因為單晶體管選定過后，rbb’和Cμ就隨之確定，因而增益帶寬乘積也就大體確定，所以必須在設計的時候尋找到增益和帶寬之間的平衡點，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。
??? 在設計零偏置放大電路時，已經確定了BFP450的靜態工作點，在這級寬帶放大電路中引入負反饋來穩定靜態工作點。因為是帶通信號，所以采用阻容耦合方式連接電路。具體電路如圖6所示。

??? 單管放大電路的頻率響應為：
??? (1)下限截止頻率：
???
??? 與BJT的自身參數無關，只與輸出回路的時間常數有關。
??? (2)上限截止頻率：
???
??? 由輸入回路和BJT自身參數決定。其中：，相當于是輸入回路的時間常數。
??? 從BFP的datasheet里已知BJT的截止頻率fβ，可以推出，A。因為濾波成型網絡的輸出范圍為30～40MHz，所以寬帶放大器的放大范圍也控制在這個標準。根據單管放大器的頻率響應，可以推算出電阻，電容的數值，根據適當的取舍，將其轉換為標稱值。寬帶放大器在30～40 MHz范圍內增益為：21．36～22．56 dB。
??? 最終電路如圖7所示。

?圖8是利用ADS仿真基于濾波原理的脈沖產生器最終輸出波形時頻域圖。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構造成的，而是因為頻域受限的信號必定是時域無限振蕩。除此之外，主脈沖具有良好的對稱性，其頻譜基本控制在30～40 MHz間。脈沖的重復頻率根據所設計的脈寬來確定，理論上最大脈沖重復頻率。仿真波形比較理想，達到了預期的要求。

3 脈沖產生器的制作及測試
??? 脈沖產生器電路制作在FR4環氧玻纖板上，它的介電常數為9．6，厚度為1．2 mm，輸入、輸出阻抗為50Ω，整個電路結構緊湊，體積小。
??? 輸入的LO信號為1．25 MHz，TTL電平的方波，使用Agilent 54855A，6 GHz，20 Gsa／s示波器測量輸出脈沖波形。其脈沖產生器實物及測試結果如圖9所示。

??? 輸出脈沖峰峰值為1.17V，脈沖寬度為100ns，脈沖重復最高可達，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。通過和仿真結果比較可以看出，測試的脈沖幅度比仿真的脈沖要小，同時在脈沖的前端有高頻信號干擾，通過分析得知，高頻干擾是理想沖激脈沖發生器所產生的單位沖激脈沖通過濾波成型網絡串擾到模擬地所致，可以在下一步設計中優化模擬地的環路結構從而改善脈沖波形。總體來說，產生的脈沖對稱性良好，各項指標均達到了預期要求。

4 結 語
??? 本文通過從頻域角度考慮產生脈沖的方法，成功地設計了能夠集成在超短波通信設備上的脈沖產生器，從而實現超寬帶通信。此脈沖產生器具有結構緊湊、體積小、成本低、易于實現等優點，測試結果與仿真結果一致。突出優點是能夠通過改變濾波器的參數產生任意頻段的脈沖，而且脈沖的最高重復頻率突破了傳統開關型脈沖產生器受限于開關器件特性的瓶頸，而僅與所產生的脈沖寬度有關，若與后級功放或變壓器相連，能夠實現高速遠距離超寬帶通信。