畢 煜,謝義方

(1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

近年來,隨著超寬帶技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用范圍逐漸擴展至穿墻探測、高精度定位、高速數(shù)傳等方向。超寬帶脈沖源可以發(fā)射極窄的脈沖序列,以較低的功耗獲得高分辨率和更豐富的目標信息,但大多脈沖源為無載頻脈沖源,頻域跨度大,低頻分量較多。在超寬帶通信系統(tǒng)中,其低頻分量在天線發(fā)射時無法得到有效輻射,導(dǎo)致功率損耗。將無載頻脈沖信號進行調(diào)制,得到有載頻脈沖信號,該調(diào)制信號可以減少天線設(shè)計復(fù)雜度,降低信號傳輸時的功率損耗。

目前,產(chǎn)生無載頻超短脈沖的方法主要有基于射頻三極管和階躍恢復(fù)二極管[1-2](Step Recovery Diode,SRD)的電路、基于雪崩三極管的電路[3-4]和基于數(shù)字門電路[5],其中,基于射頻三極管和SRD的方法重復(fù)頻率高,脈沖寬度窄,可達幾百皮秒;基于雪崩三極管的方法產(chǎn)生的超寬帶脈沖幅度大,但脈沖寬度大且重復(fù)頻率低,不能滿足時域測量和高速通信系統(tǒng)的需求;數(shù)字門電路方法產(chǎn)生的脈沖幅度小且波形有較強拖尾。王肖隆等人[6]于2018年提出了一種利用階躍恢復(fù)二極管和肖特基二極管的超寬帶亞周期微波脈沖電路設(shè)計方案,采用該方案設(shè)計的微波脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生半高寬為 150 ps 的超寬帶亞周期微波脈沖,但重復(fù)頻率低,在脈沖的重復(fù)率為85 MHz時產(chǎn)生的脈沖幅值最大,約為3.7 V。在有載頻脈沖源的研究方面,Seo等人[7]于2020年利用CMOS、壓控振蕩器、有源射頻開關(guān)設(shè)計了一種K頻段超寬帶脈沖發(fā)生器,其載波頻率可達22.3～25.2 GHz,但K頻段壓控振蕩器需要較高的功耗,且需在整個雷達工作期間始終打開,功耗極大;Schoulten等人[8]在2021年設(shè)計出一種利用壓控振蕩器和CMOS的低功耗超寬帶脈沖發(fā)生器,其功耗較低但脈沖幅度過小,僅為0.52 V,且脈沖寬度大,高達3 ns。上述有載頻脈沖源所產(chǎn)生脈沖信號峰值較低,電路設(shè)計采用芯片設(shè)計方法,成本高,因此,為解決上述問題,本文對低成本有載頻超寬帶脈沖源進行研究。

本文基于分立器件設(shè)計了一種有載頻脈沖源電路。該脈沖源電路由驅(qū)動電路、高速開關(guān)電路、整形電路、超寬帶調(diào)制器及振蕩器電路組成。驅(qū)動電路、高速開關(guān)電路和整形電路生成拖尾小的無載頻脈沖信號,經(jīng)由超寬帶調(diào)制器調(diào)制,得到有載頻脈沖信號。有載頻脈沖中心頻率可調(diào),重復(fù)頻率可達125 MHz,-10 dB帶寬可達4.2 GHz,峰-峰值為5.4 V,其結(jié)構(gòu)簡單,成本低。對其進行時域測量實驗反演出系統(tǒng)幅頻特性,反演結(jié)果分析表明,該脈沖源具有良好的傳輸性能。此外,該脈沖源電路設(shè)計實現(xiàn)簡單,僅需單電源低電壓供電,為脈沖超寬帶信號應(yīng)用于航天測控領(lǐng)域提供了更多的選擇。

1 脈沖源電路設(shè)計

在脈沖超寬帶系統(tǒng)中,脈沖源不但是發(fā)射機核心單元,也是接收機重要組成部分,脈沖信號的技術(shù)指標直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能。其中,脈沖的重復(fù)周期通常決定超寬帶通信系統(tǒng)的工作速率及工作效率,脈沖寬度通常決定能否攜帶全頻帶信息及測量的分辨率。本文設(shè)計的有載頻超寬帶脈沖源系統(tǒng)框圖如圖1所示。有載頻脈沖源系統(tǒng)主要由無載頻脈沖源、超寬帶調(diào)制器及本地振蕩器三部分組成。其中無載頻脈沖源電路由驅(qū)動電路、高速開關(guān)電路、脈沖產(chǎn)生與整形電路構(gòu)成。

圖1 有載頻脈沖源系統(tǒng)框圖

1.1 無載頻脈沖源設(shè)計

無載頻脈沖源電路原理如圖2所示。驅(qū)動電路由D觸發(fā)器及其附屬電路構(gòu)成;高速開關(guān)電路由三極管Q1及其附屬電路構(gòu)成;整形電路由二極管D1、D2、D3及其附屬電路構(gòu)成。其中,D觸發(fā)器D端接入高電平+3.3 V,時鐘CLK端輸入外部數(shù)據(jù)或時鐘信號,同相輸出Q端與高速開關(guān)電路相連。當(dāng)CLK端輸入信號上升沿到來時,依據(jù)D觸發(fā)器特性方程

Qn+1=D,

(1)

圖2 無載頻脈沖源電路原理

高速開關(guān)電路在驅(qū)動電路所產(chǎn)生的納秒級方波信號驅(qū)動下迅速由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為開狀態(tài),電容C3通過Q1、L1和D3所構(gòu)成的回路快速放電,D3選用階躍恢復(fù)二極管SMMD840,其載流子壽命與階躍時間分別為15 ns與60 ps,電容C3開始放電時,二極管反向?qū)?數(shù)納秒后快速截止。二極管由反向?qū)ㄞD(zhuǎn)為反向截止的時間為幾十皮秒。此時C3通過D1、D2及負載組成的回路放電,肖特基二極管D1、D2可以消除正極性的振鈴?fù)衔?。由于C3量級較小,儲能低,能量釋放時間為亞納秒級。R4、L2組成衰減的短路傳輸線,可將負脈沖反向后得到的正脈沖與原始負脈沖疊加,進一步減小脈沖寬度。這樣,便可在負載端可得到寬度為亞納秒級的窄脈沖。

1.2 有載頻脈沖源設(shè)計

無載頻脈沖模型為一階高斯脈沖,其脈沖表達式為

(2)

對其進行調(diào)制,本振信號可表示為

s(t)=cos(ω0t)。

(3)

由于調(diào)制原理為時域相乘,則輸出信號頻域表達式為m(t)與s(t)相對應(yīng)的頻域的卷積,其表達式為

(4)

式中:*為卷積符號;M(ω)為m(t)的頻譜表達式;S(ω)為s(t)的頻譜表達式;δ(ω)為沖激信號。經(jīng)調(diào)制后輸出信號的頻譜得到搬移,即將高斯脈沖頻譜搬移至ω0和-ω0處,且輸出信號中心頻率由本振信號決定。

超寬帶調(diào)制器實現(xiàn)將無載頻脈沖調(diào)制到載波上,從而得到有載頻脈沖,其系統(tǒng)框圖如圖3所示。無載頻脈沖電路產(chǎn)生的無載頻負脈沖輸入至超寬帶調(diào)制器中頻IF端,可變頻本地振蕩器產(chǎn)生載波頻率可步進設(shè)置的單載波信號輸入至LO端。無載頻脈沖信號經(jīng)超寬帶調(diào)制器調(diào)制為有載頻信號,自RF端輸出。超寬帶調(diào)制器采用型號為HMC6505A芯片,其輸出的有載頻脈沖信號中心頻率范圍為6.6～8.5 GHz,功率可達22 dBm;本地振蕩器采用型號為ADF5610的寬帶壓控振蕩器,其輸出頻率范圍為57 MHz～14 GHz。

圖3 超寬帶調(diào)制器系統(tǒng)框圖

2 脈沖源電路實現(xiàn)與測試

依據(jù)上述方案,完成有載頻脈沖源設(shè)計、制作、測試,實物如圖4所示,(a)為無載頻脈沖源實物,(b)為超寬帶調(diào)制器實物。

圖4 有載頻脈沖源電路實物

圖5為無載頻脈沖源輸出的測量結(jié)果,(a)所示為無載頻單脈沖時域波形;(b)為無載頻脈沖串時域波形其重復(fù)頻率為125 MHz,(c)為歸一化的脈沖源幅頻特性。下述時域波形均采用Agilent公司生產(chǎn)的型號為DSA-X 91604A示波器測試得到,該示波器帶寬為16 GHz,采樣率為40 Gsample/s。由實測結(jié)果可知,脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號重復(fù)頻率可達125 MHz以上,半寬度為372.5 ps,幅度為-1.326 V,-10 dB帶寬為2.4 GHz。該脈沖源在高重復(fù)頻率時,仍保持穩(wěn)定輸出,且峰-峰值較大,脈沖寬度較窄。

圖5 無載頻脈沖源測試結(jié)果

圖6為有載頻脈沖源輸出的測量結(jié)果,其中,(a)所示為有載頻單脈沖時域波形;(b)為脈沖串時域波形,其重復(fù)頻率為125 MHz,振鈴水平為9%;(c)為歸一化的脈沖源幅頻特性。由測量結(jié)果可知其中心頻率為8 GHz,在重復(fù)頻率為125 MHz時,其-10 dB帶寬為4.2 GHz。經(jīng)調(diào)制后的脈沖峰-峰值為5.4 V。該脈沖源在高重復(fù)頻率時,輸出的脈沖信號拖尾小,峰-峰值高,且頻帶寬,性能較好。

圖6 有載頻脈沖源測試結(jié)果

本文設(shè)計的有載頻脈沖源與已公開報道的幾種脈沖源性能對比如表1所示。由表1可知,本文相較于文獻[4],除峰-峰值外,其他性能均更優(yōu),此外,文獻[4]的供電電源大、成本高;相較于文獻[9]和文獻[11],本文性能均更優(yōu);相較于文獻[10],本文的帶寬略低,但其他性能更優(yōu);文獻[8]的重復(fù)頻率雖高,但其他性能均劣于本文。本文采用分立器件,在提高性能的同時極大地降低了成本。

表1 不同有載頻脈沖源性能比較

3 時域測量初步實驗

頻域測量需要多次掃頻,當(dāng)進行寬帶測量時測量效率較低,時域測量僅需一次測量即可得到待測件、天線或電磁材料的全頻帶信息,環(huán)境要求低且寬頻帶測試速度快、效率高,測量系統(tǒng)框圖如圖7所示。超寬帶脈沖源為時域測量系統(tǒng)中的重要組成部分,其性能關(guān)系到被測器件幅頻特性曲線的準確性。為進一步驗證所設(shè)計的脈沖源電路時域測量所反映的幅頻特性性能,利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果作為理論值,與時域測量系統(tǒng)實測反演結(jié)果進行對比,得出有載頻脈沖源作為激勵信號時,帶通濾波器、放大器及隔離器等不同被測器件的幅頻特性曲線及測量誤差。

圖7 時域測量系統(tǒng)框圖

3.1 時域測量測試

3.1.1 窄帶濾波器時域測量

首先使用示波器測量有載頻脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號時域波形,然后將產(chǎn)生的脈沖信號作為激勵信號接入濾波器,由示波器測得濾波器響應(yīng)信號時域波形,再將激勵信號與響應(yīng)信號時域波形分別進行反演得到各自的幅頻特性,最后將反演結(jié)果與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀頻域測量的幅頻特性進行對比分析。測量結(jié)果如圖8所示,其中,輸入信號時域波形如圖(a)所示,濾波器輸出信號時域波形如圖(b)所示,時域測量與頻域測量結(jié)果對比如圖(c)所示。由圖(c)可知,反演結(jié)果得到濾波器-10 dB帶寬為0.76 GHz,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀頻域測量結(jié)果為0.78 GHz。該濾波器-10 dB帶寬為7.82～8.6 GHz。在7.7～8.7 GHz頻段內(nèi),其最大誤差在8.4 GHz處,為-0.63 dB。由測量結(jié)果可以得出時域測量與頻域測量之間的誤差小、吻合較好,誤差的主要來源為系統(tǒng)自身特性導(dǎo)致的誤差項和環(huán)境誤差。

圖8 濾波器時域測量結(jié)果

3.1.2 放大器時域測量

放大器時域測量方法與濾波器時域測量方法類似,將濾波器替換為放大器即可。放大器時域測量結(jié)果如圖9所示,圖(a)為放大器激勵信號時域波形;圖(b)為放大器響應(yīng)信號時域波形;將放大器的激勵信號、響應(yīng)信號進行時域反演,與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測算幅頻曲線進行對比得到圖(c)。由圖(c)可知,在頻率為7.09 GHz時,其誤差最大,僅為-0.185 dB。此外,在6～0.35 GHz頻段內(nèi),反演結(jié)果與放大器增益曲線一致性較好,幾乎重合。

圖9 放大器時域測量結(jié)果

3.1.3 隔離器時域測量

隔離器時域測量方法與濾波器、放大器類似,但需分別進行正向傳輸測量及反向傳輸測量,測量結(jié)果如圖10所示,輸入信號時域波形見圖(a),隔離器正向傳輸輸出信號時域波形見圖(b),隔離器反向傳輸時域波形見圖(c)。分別將正向傳輸和反向傳輸?shù)募钆c響應(yīng)進行時域反演,得到正向傳輸幅頻特性曲線如圖(d)所示,反向傳輸幅頻特性曲線如圖(e)所示。由圖(d)和(e)可知,當(dāng)頻率為8.85 GHz時,其正向傳輸幅頻特性誤差最大,僅為-0.31 dB;當(dāng)頻率為7.59 GHz時,反向傳輸幅頻特性誤差最大,僅為0.23 dB。圖(d)和(e)中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試曲線與時域反演結(jié)果基本一致。

圖10 隔離器正向反向測量結(jié)果

3.2 時域測量結(jié)果分析

為充分分析和比較不同被測器件時域測量誤差,分別進行均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)和絕對誤差計算,計算公式可分別表示為

(5)

(6)

式中:xi表示時域反演幅頻特性結(jié)果在各頻率時的值;yi表示矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測算幅頻特性結(jié)果在各頻率時的值。

濾波器、放大器、隔離器的時域測量誤差結(jié)果如表2所示。由表2可知,時域測量結(jié)果與相應(yīng)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀頻域測量進行比對,兩者高度吻合,幅頻特性均方根誤差小于0.21 dB,絕對誤差小于0.27 dB。

表2 誤差分析

由于標準差更能夠計算時域反演與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測算幅頻特性的擬合程度,為進一步誤差分析,計算矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀標準差與反演結(jié)果的標準差。

反演結(jié)果標準差計算公式為

(7)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測算結(jié)果標準差計算公式為

(8)

利用σΔ表示反演結(jié)果與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀擬合度,其計算公式為

σΔ=|σx-σy|。

(9)

表3 標準差分析

4 結(jié) 論

本文利用分立器件設(shè)計了一種重復(fù)頻率高、中心頻率可變、寬帶寬的有載頻超寬帶脈沖源。該設(shè)計電路結(jié)構(gòu)簡單,成本低,性能指標高。時域測量實驗表明,該脈沖源產(chǎn)生的脈沖可以保存大部分頻帶信息,測量效率高,反演幅頻特性與頻域測量結(jié)果之間誤差小。本文所設(shè)計的脈沖源可為下一步的時域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的開發(fā)、超寬帶高精度時域測量、雷達及超寬帶無線通信等研究奠定基礎(chǔ)。