超寬帶無線電中納秒級脈沖產(chǎn)生研究

相關(guān)專題: 無線

摘要:在分析現(xiàn)超寬帶無線電的載體—窄脈沖產(chǎn)生方法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,提出產(chǎn)生超寬帶納秒級脈沖的邏輯框圖,并由此設(shè)計相應(yīng)的電路原理圖、PCB版圖,經(jīng)實物調(diào)試測出輸出波形,最后指出該電路的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞:超寬帶 超寬帶無線電 納秒級脈沖

  將超寬帶雷達(dá)應(yīng)用于通信是近年來業(yè)界的研究熱點。在傳統(tǒng)的通信技術(shù)中,通常把信號從基帶調(diào)制到正弦或余弦載波上,而超寬帶UWB(Ultra Wide Band)通信則是通過對持續(xù)時間為納秒或亞納秒級窄脈沖進(jìn)行調(diào)制,這樣UWB信號將具GHz量級的帶級。超寬帶技術(shù)相對于連續(xù)波通信系統(tǒng)具有獨到之處,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,如雷達(dá)、通信、探測等。UWB的特點:發(fā)射信號功率譜密度較低,強(qiáng)抗截獲能力;系統(tǒng)復(fù)雜度低;數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點。但是這些性能的獲得都需要依賴于現(xiàn)有技術(shù)和工藝的可行性,特別是集成電路的工藝。UWB應(yīng)用中必不可少的關(guān)鍵之一是如何產(chǎn)生可以控制的UWB窄脈沖,靈活方便是UWB通信所渴望的;產(chǎn)生足夠窄的脈沖和適于信道傳輸?shù)拿}沖形狀也是UWB通信中的熱門研究點和關(guān)鍵所在。為此,本文探討了一種納秒級脈沖發(fā)生電路的原理和設(shè)計,完成了實物制作,給出測得的實際結(jié)果。

1 現(xiàn)有的方法和缺陷

  事實上人們對超寬帶雷達(dá)的研究是非常早的,從上個世紀(jì)六七址年代即已開始,所以目前很熱的UWB并不是什么創(chuàng)新。有許多專利文獻(xiàn)和文章都專門闡述如何產(chǎn)生滿足各種要求的窄脈沖,美國等在這方面的專利有很多。在研究初期,由于器件和工藝的缺乏,主要利用微濾器件(如傳輸線)等效成開關(guān),從而得到短持續(xù)時間的信號,再經(jīng)過脈沖成形網(wǎng)絡(luò)整形成滿足要求的波形和電壓足夠高的脈沖。這些方法造價很高,且器件龐大,更不適于現(xiàn)代應(yīng)用;后來前蘇聯(lián)人發(fā)現(xiàn)二極管上速度極快的良性雪崩應(yīng)能夠使矩形脈沖的上升沿急劇陡峭,從而使得窄脈沖的成形都傾向于利用PN結(jié)的雪崩效應(yīng)。在早期利用雪山崩效應(yīng)的方案中,由于器件的限制,通常需要在二極管或三極管上加2kV~3kV的反偏高壓,同時產(chǎn)生的窄脈沖電壓也非常高,但其高偏壓的提供本身就很困難;此后,隨著器件的發(fā)展,產(chǎn)生雪崩效應(yīng)的電壓都下降100V~130V左右,從而使得制造成本和電路本身都大為簡單,但此時已不太適于雷達(dá)方面的應(yīng)用了。因為脈沖較寬且幅度小,作為通信系統(tǒng)仍然太大;脈沖過寬,且輻射還需滿足FCC等要求。

  針對前人所作的工作和現(xiàn)有的器件,改進(jìn)并設(shè)計了超寬帶納秒級脈沖成形電路,然后完成了具體電路的研制和測試。

圖2 電路原理圖

2 設(shè)計概要和結(jié)果

2.1 基本工作原理

  電路的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示,運用開關(guān)三極管的短暫良性雪崩效應(yīng),讓存儲在三極管集電極端的電容快速放電而產(chǎn)生納秒級脈沖。電源模塊提供足以使三極管產(chǎn)生雪崩的高達(dá)90V的電壓,這時即便斷掉輸入信號,也可以產(chǎn)生自激式納秒級脈沖;調(diào)節(jié)電源模塊的輸出電壓使之剛好在開關(guān)三極管的臨界雪崩電壓處,這時加上PPM信號促使三極管產(chǎn)生雪崩效應(yīng),得到窄脈沖,從而使輸出窄脈沖承載了信息。脈沖整形電路對輸入的PPM信號進(jìn)行延遲和微分,以使之觸發(fā)雪崩效應(yīng)。此外調(diào)節(jié)脈沖生成電路可以得到不同形狀的窄脈沖,滿足對信息不同調(diào)制方式的需求。

2.2 電路設(shè)計

  依據(jù)上述整體構(gòu)思,選擇恰當(dāng)元件并運用相應(yīng)的仿真后,設(shè)計了原理電路圖,如圖2所示。圖2中,開關(guān)三極管Q1的選擇是整個電路關(guān)鍵,它的參數(shù)和性能決定了輸出脈沖的極限性能。在這里選用Motorola金屬管殼封裝的2N2369A,它的開關(guān)時間和轉(zhuǎn)換時間在同類產(chǎn)品中是一流的,大多數(shù)類似的應(yīng)用都采用這種管子。以模塊為核心的電路構(gòu)成了開關(guān)電源,產(chǎn)生使三極管雪崩的電壓,這一部分也可以采用別的電路替代。開關(guān)三極管集電極端2PF的小電容起存儲電荷的作用,它的大小對脈沖幅度和持續(xù)時間都有決定性影響,同時脈沖幅度和持續(xù)時間都有決定性影響,同時脈沖幅度和持續(xù)時間也是一對矛盾的量,需要折中考慮。電路的設(shè)計需要考慮分布參數(shù)和接口匹配:分布參數(shù),尤其是三極管集電極端到開關(guān)電源的分布參數(shù),在電路設(shè)計不當(dāng)時,其分布電容可高達(dá)十幾波法;接口匹配應(yīng)用輸入信號和輸出脈沖能夠有盡可能小的損耗和失真,以便于測試和輻射。

2.3 實測結(jié)果

  對電源部分的調(diào)試結(jié)果如表1所示。選擇第二組輸出電壓加到三極管集電極,并調(diào)節(jié)可變電阻使三極管處于臨界雪崩狀態(tài),此時加入TTL電平的激勵信號,測得輸出窄脈沖波形。其中所用示波器為HP的54503A,帶寬500MHz,測試結(jié)果稍有失真。

表1 調(diào)試結(jié)果

  三極管集電極電容在雪崩狀態(tài)下通過三極管發(fā)射極的電感放電時,得到如圖3所和4所示的近似高斯脈沖一階微分形波形,其重復(fù)頻率為60kHz,最高可達(dá)200kHz;當(dāng)把電感換成電阻時,可得到單極性近似高斯脈沖型的波形,脈寬可小至1.5ns。由圖3和圖4測得脈沖持續(xù)時間為5ns,峰峰值10V,測試所得波形非常穩(wěn)定;改變放大電容、電感或電阻的大小可以得到不同幅度和持續(xù)時間的納秒級脈沖。

  整塊電路的結(jié)構(gòu)緊湊,布線講究,整體電路比一元硬幣稍大,封裝后可作為一個獨立的小型模塊使用;另外電路是輸入方波上升沿觸發(fā)的,因此很適合應(yīng)用到跳時脈沖位置調(diào)制的超寬通信系統(tǒng)中。但為滿足現(xiàn)代通信的需求,特別考慮集成時,系統(tǒng)在很多方面都需要大大改善和提高。

作者:歐陽永艷 樊祥寧 張德琨 來源:電子技術(shù)應(yīng)用


微信掃描分享本文到朋友圈
掃碼關(guān)注5G通信官方公眾號,免費領(lǐng)取以下5G精品資料
  • 1、回復(fù)“YD5GAI”免費領(lǐng)取《中國移動:5G網(wǎng)絡(luò)AI應(yīng)用典型場景技術(shù)解決方案白皮書
  • 2、回復(fù)“5G6G”免費領(lǐng)取《5G_6G毫米波測試技術(shù)白皮書-2022_03-21
  • 3、回復(fù)“YD6G”免費領(lǐng)取《中國移動:6G至簡無線接入網(wǎng)白皮書
  • 4、回復(fù)“LTBPS”免費領(lǐng)取《《中國聯(lián)通5G終端白皮書》
  • 5、回復(fù)“ZGDX”免費領(lǐng)取《中國電信5GNTN技術(shù)白皮書
  • 6、回復(fù)“TXSB”免費領(lǐng)取《通信設(shè)備安裝工程施工工藝圖解
  • 7、回復(fù)“YDSL”免費領(lǐng)取《中國移動算力并網(wǎng)白皮書
  • 8、回復(fù)“5GX3”免費領(lǐng)取《R1623501-g605G的系統(tǒng)架構(gòu)1
  • 本周熱點本月熱點

     

      最熱通信招聘

    業(yè)界最新資訊


      最新招聘信息