一種低成本的超寬帶脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

韓艷偉，唐朝云，劉麗珍

(廣州中海達(dá)定位技術(shù)有限公司，廣東 廣州 511400)

超寬帶(UWB)信號(hào)，在頻譜上與噪聲類(lèi)似，有著保密性好、抗多徑干擾、時(shí)間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。2002年， FCC發(fā)布了低功耗UWB頻譜規(guī)范，允許免授權(quán)使用該頻段，頻率覆蓋3.1～10.6 GHz。此后，對(duì)UWB技術(shù)的研究和商業(yè)應(yīng)用大量出現(xiàn)，包括：UWB高速通信、精確定位、無(wú)損檢測(cè)等[1-4]。在很多應(yīng)用場(chǎng)景中，需要采用電池供電或無(wú)電池供電，這必然要求低功耗UWB技術(shù)[5-8]。

UWB脈沖的產(chǎn)生技術(shù)是UWB的核心技術(shù)之一。UWB脈沖的性能參數(shù)包括：脈沖幅度、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率(PRF)、脈沖頻譜帶寬(BW)等。多種器件可以產(chǎn)生UWB脈沖，包括：CMOS邏輯門(mén)電路[9-10]、階躍恢復(fù)二極管[11-12]、雪崩晶體管[13]等。這些方式用于超寬帶低功耗通信都有需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方，如邏輯門(mén)電路輸出幅度較低、雪崩晶體管需要較高的工作電壓，另外，通過(guò)這些方式直接產(chǎn)生的UWB脈沖含有較大的低頻分量，這些低頻分量不宜通過(guò)微波天線輻射出去。

本文設(shè)計(jì)了一種低成本的用于OOK調(diào)制的超寬帶脈沖發(fā)生器。如圖1所示，包括兩個(gè)雙極性晶體管和一些電阻、電感和電容，其中，供電電壓VCC可低至3 V。觸發(fā)脈沖由第一個(gè)晶體管的基極輸入，并經(jīng)過(guò)整形電路變成一個(gè)有正極性和負(fù)極性的窄脈沖，該信號(hào)用于控制由第二級(jí)晶體管振蕩器電路，產(chǎn)生超寬帶窄脈沖。這種產(chǎn)生方式不僅功耗低而且低頻分量少。

1 工作原理

如圖1所示，使用微波晶體管來(lái)設(shè)計(jì)振蕩器，并采用觸發(fā)信號(hào)控制振蕩器的開(kāi)關(guān)，就可以產(chǎn)生載波調(diào)制脈沖，其中，脈沖譜的中心頻率位于振蕩器的振蕩頻率處。對(duì)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行脈沖整形，使振蕩時(shí)間減小至2 ns以內(nèi)，最終輸出的脈沖頻譜將會(huì)非常寬，符合超寬帶的要求。所設(shè)計(jì)的脈沖發(fā)生器包括脈沖整形電路和振蕩器電路兩部分。觸發(fā)脈沖由輸入端進(jìn)入，經(jīng)電容C1微分，在圖1中c點(diǎn)處形成滿足振蕩器控制要求的信號(hào)，在輸出端口處形成UWB脈沖。

脈沖整形電路的輸出端口連接振蕩器的發(fā)射極，且振蕩器的基極接地。當(dāng)脈沖整形電路輸出電壓小于晶體管Q2的開(kāi)啟電壓Von時(shí)，振蕩器開(kāi)始振蕩；當(dāng)大于晶體管Q2的開(kāi)啟電壓Von時(shí)，振蕩器停止振蕩。這樣利用晶體管Q2的開(kāi)啟電壓可以進(jìn)一步減小輸出的超寬帶脈沖的寬度，同時(shí)也降低了功耗。

觸發(fā)控制信號(hào)采用單極性歸零碼(RZ)形式，即對(duì)于碼元值1，在一個(gè)碼元期間只有一段時(shí)間τ為高電平，其余時(shí)間為低電平；對(duì)于碼元值0，在整個(gè)碼元期間都是低電平。對(duì)于低速單片機(jī)控制器件，利用輸入輸出控制端口(即IO口)輸出觸發(fā)信號(hào)，邊沿非常陡峭，可達(dá)1 ns,但時(shí)間τ卻不能做到ns級(jí)，因此需要脈沖整形電路對(duì)觸發(fā)脈沖整形。

圖1 UWB脈沖發(fā)生器原型圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 脈沖整形電路

圖1中脈沖整形電路部分，C1、R1組成的微分電路將輸入的觸發(fā)脈沖微分，得到正、負(fù)脈沖波形，即觸發(fā)脈沖的上升沿通過(guò)微分電路形成正脈沖，而下降沿則形成負(fù)脈沖，同時(shí)調(diào)整C1和R1的值可以調(diào)整饋入晶體管的信號(hào)幅度。

脈沖整形電路的一個(gè)工作周期分析如下：當(dāng)觸發(fā)信號(hào)下降沿到來(lái)時(shí)，a點(diǎn)形成負(fù)脈沖，Q1脫離飽和區(qū)迅速進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，VCC通過(guò)R2向C2充電至Uce=VCC；當(dāng)觸發(fā)信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)，a點(diǎn)形成正脈沖，激勵(lì)集電極電流Ic迅速增加，C2上集聚的電荷開(kāi)始釋放，R2壓降迅速增大，Uce迅速減小，集電極進(jìn)入低壓飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

在脈沖整形電路中，晶體管在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的功耗可忽略不計(jì)。飽和導(dǎo)通時(shí)間較短，集電極導(dǎo)通電壓極低，當(dāng)重復(fù)頻率較低時(shí)，平均功耗很小，當(dāng)重復(fù)頻率升高時(shí)，平均功耗迅速增加，為了脈沖整形電路安全可靠的工作，應(yīng)使得平均功率損耗不超過(guò)晶體管的功率損耗容限Pmax。平均功率損耗的表達(dá)式為

(1)

其中，C為充電電容；Vo為輸出脈沖幅度，f為脈沖重復(fù)頻率。在本設(shè)計(jì)中，要求控制脈沖輸出幅度達(dá)到1.8 V，脈沖重復(fù)頻率要達(dá)到150 MHz。儲(chǔ)能電容C2選擇為10 pF，根據(jù)式(1)可計(jì)算得到晶體管平均功耗P=2.43 mW。

脈沖整形電路的最高重復(fù)頻率受限于集電極電阻R2、儲(chǔ)能電容C2、固定端接負(fù)載R3的充電時(shí)間常數(shù)τ=(R2+R3)C2。R2、C2、R3的選取應(yīng)滿足(3～5)τ<1/f，其中f為脈沖重復(fù)頻率。儲(chǔ)能電容C2的容量主要根據(jù)要選擇的脈沖幅度、寬度及上升沿的快慢來(lái)選擇。選擇R2、R3均為50 Ω，則最高重復(fù)頻率可達(dá)150 MHz。

為獲得更快前沿的脈沖，采用微波晶體管BFP740來(lái)設(shè)計(jì)脈沖整形電路，BFP740的特征頻率fT高達(dá)44 GHz，功率損耗容限為160 mW，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 振蕩器設(shè)計(jì)

振蕩器屬于非線性電路，設(shè)計(jì)通常基于負(fù)阻理論[14-15]。根據(jù)公共端不同，基于雙極性晶體管的振蕩器可分為3種：共基極、共射極和共集電極。采用共基極來(lái)設(shè)計(jì)振蕩器，因?yàn)楣不鶚O配置能夠有效增加晶體管的截止頻率。設(shè)計(jì)振蕩器所采用的晶體管是BFP740，初始設(shè)計(jì)選擇的偏置點(diǎn)是VCC=3.3 V，Ic=15 mA。

振蕩器設(shè)計(jì)仿真流程如圖2所示。首先，在S參數(shù)仿真環(huán)境中，晶體管Q2的基極加入正反饋元件L4，L4為微帶接地電感，選用80 Ω特征阻抗線，調(diào)諧L4的電長(zhǎng)度使得穩(wěn)定系數(shù)K<1，同時(shí)調(diào)諧C4和R5的值，進(jìn)一步增加晶體管的不穩(wěn)定系數(shù)，并使得從輸出端口向晶體管看進(jìn)去的阻抗實(shí)部為負(fù)數(shù)，且絕對(duì)值越大越容易起振。經(jīng)過(guò)調(diào)諧，最終L4電長(zhǎng)度為22.5°，R5=15 Ω，C4=4.5 pF，集電極輸出阻抗Zout實(shí)部約Zout=(-149.9-j111.2)Ω，一般情況下選擇RL=Rout/3=50 Ω，可保證起振。加入電感L3可以抵消Zout的部分容抗，對(duì)振蕩頻率進(jìn)行調(diào)諧。

在瞬態(tài)仿真器中仿真該電路的時(shí)域振蕩情況，包括起振速度、振蕩幅度等。由圖3可見(jiàn)，穩(wěn)定時(shí)振蕩幅度可達(dá)到約1.5 V，但起振速度有些慢，這是由于在仿真中振蕩波形是電路中的噪聲不斷進(jìn)行正反饋放大得到的，本質(zhì)是對(duì)噪聲的選頻和放大，而實(shí)際應(yīng)用中，觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖整形電路的整形輸出波形中，含有極寬的脈沖譜分量，會(huì)促使振蕩器迅速起振。

在諧波平衡仿真器中仿真振蕩器的振蕩頻率、輸出功率以及諧波抑制情況，調(diào)諧諧振元件進(jìn)行調(diào)諧。在圖1中，C5為電源去耦電容，C6為隔直電容，L2為偏置電感，VCC通過(guò)L2加載到晶體管Q2的基極，L3、C4和L1為調(diào)諧元件。

圖2 振蕩器設(shè)計(jì)仿真過(guò)程

圖3 振蕩器起振波形

2.3 聯(lián)合仿真

將脈沖整形電路與振蕩器電路連接在一起，采用瞬態(tài)仿真器進(jìn)行仿真。由于兩部分電路加載在一起，會(huì)發(fā)生中心頻率的偏移，調(diào)諧諧振元件可以調(diào)諧振蕩中心頻率，使之位于所要求的頻率處。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)為周期100 ns，占空比為50%、幅度為 3 V的脈沖時(shí)，輸出脈沖波形如圖4所示。

圖4 脈沖發(fā)生器輸出

3 電路制作與測(cè)試

電路制作在FR4基板上，板厚為1.5 mm。電路板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：關(guān)鍵信號(hào)線兩側(cè)采用覆地的形式進(jìn)行隔離，且緊挨信號(hào)線的接地銅皮上每隔2 mm要打上接地過(guò)孔；微帶電感接地端要打多個(gè)過(guò)孔；旁路電容中的小容值應(yīng)緊貼相關(guān)芯片。

測(cè)試方法如圖5所示，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)板產(chǎn)生UWB基帶信號(hào)，采用單極性歸零碼(RZ)來(lái)表示。其中，導(dǎo)頻部分重復(fù)頻率為15.6 MHz，數(shù)據(jù)部分的重復(fù)頻率為120 MHz。觸發(fā)信號(hào)控制UWB脈沖發(fā)生器產(chǎn)生UWB脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)輸出至采樣率為40 GSa的安捷倫示波器。示波器的型號(hào)為DSO81024。

圖5 測(cè)試方法

脈沖頻譜的測(cè)試是利用示波器中的FFT功能進(jìn)行測(cè)量的。圖6中，實(shí)測(cè)脈沖幅度達(dá)到約2.4 V，脈沖尾部的拖尾可能是由于關(guān)斷時(shí)電路中的儲(chǔ)能元件繼續(xù)放電所致。圖7中，脈沖頻譜中心頻率為4 GHz，10 dB帶寬可達(dá)1.1 GHz，亞GHz的頻譜分量比峰值小20 dB以上。圖8為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)部分的超寬帶脈沖波形，其中8個(gè)脈沖表示1比特?cái)?shù)據(jù)，值為1。

在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)脈沖譜中心頻率有一定的偏移，這是由于仿真采用的電容電感均為理想模型，晶體管的SPICE模型與實(shí)際參數(shù)也有一定的出入，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)諧振元件，可將脈沖譜的中心頻率調(diào)諧至4 GHz。

圖6 實(shí)測(cè)單個(gè)脈沖

圖7 實(shí)測(cè)單個(gè)脈沖頻譜

圖8 數(shù)據(jù)部分(重復(fù)頻率120 MHz)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于雙極性晶體管設(shè)計(jì)了一個(gè)UWB脈沖信號(hào)發(fā)生器，輸出脈沖幅度達(dá)到約2.4 V，脈沖帶寬達(dá)到1.1 GHz，實(shí)測(cè)脈沖重復(fù)頻率可達(dá)120 MHz，可應(yīng)用于超寬帶通信與定位應(yīng)用中。與CMOS邏輯門(mén)電路、階躍恢復(fù)二極管、雪崩晶體管等產(chǎn)生UWB脈沖的方式相比，本設(shè)計(jì)有成本低、功耗小、低電源電壓供電、輸出幅度大、帶寬寬，低頻分量少的優(yōu)點(diǎn)。