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(kuò)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(biāo)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(shí)無法得到有效輻射,導(dǎo)致功率損耗。將無載頻脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,得到有載頻脈沖信號(hào),該調(diào)制信號(hào)可以減少天線設(shè)計(jì)復(fù)雜度,降低信號(hào)傳輸時(shí)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(dá)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(shí)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(qiáng)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(jì)方案,采用該方案設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)了一種K頻段超寬帶脈沖發(fā)生器,其載波頻率可達(dá)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(gè)雷達(dá)工作期間始終打開,功耗極大;Schoulten等人[8]在2021年設(shè)計(jì)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(dá)3 ns。上述有載頻脈沖源所產(chǎn)生脈沖信號(hào)峰值較低,電路設(shè)計(jì)采用芯片設(shè)計(jì)方法,成本高,因此,為解決上述問題,本文對(duì)低成本有載頻超寬帶脈沖源進(jìn)行研究。

本文基于分立器件設(shè)計(jì)了一種有載頻脈沖源電路。該脈沖源電路由驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào),經(jīng)由超寬帶調(diào)制器調(diào)制,得到有載頻脈沖信號(hào)。有載頻脈沖中心頻率可調(diào),重復(fù)頻率可達(dá)125 MHz,-10 dB帶寬可達(dá)4.2 GHz,峰-峰值為5.4 V,其結(jié)構(gòu)簡單,成本低。對(duì)其進(jìn)行時(shí)域測量實(shí)驗(yàn)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(jì)實(shí)現(xiàn)簡單,僅需單電源低電壓供電,為脈沖超寬帶信號(hào)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(jì)

在脈沖超寬帶系統(tǒng)中,脈沖源不但是發(fā)射機(jī)核心單元,也是接收機(jī)重要組成部分,脈沖信號(hào)的技術(shù)指標(biāo)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(jì)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(dòng)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(jì)

無載頻脈沖源電路原理如圖2所示。驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘CLK端輸入外部數(shù)據(jù)或時(shí)鐘信號(hào),同相輸出Q端與高速開關(guān)電路相連。當(dāng)CLK端輸入信號(hào)上升沿到來時(shí),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(dòng)電路所產(chǎn)生的納秒級(jí)方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(shí)間分別為15 ns與60 ps,電容C3開始放電時(shí),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(shí)間為幾十皮秒。此時(shí)C3通過D1、D2及負(fù)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(jí)較小,儲(chǔ)能低,能量釋放時(shí)間為亞納秒級(jí)。R4、L2組成衰減的短路傳輸線,可將負(fù)脈沖反向后得到的正脈沖與原始負(fù)脈沖疊加,進(jìn)一步減小脈沖寬度。這樣,便可在負(fù)載端可得到寬度為亞納秒級(jí)的窄脈沖。

1.2 有載頻脈沖源設(shè)計(jì)

無載頻脈沖模型為一階高斯脈沖,其脈沖表達(dá)式為

(2)

對(duì)其進(jìn)行調(diào)制,本振信號(hào)可表示為

s(t)=cos(ω0t)。

(3)

由于調(diào)制原理為時(shí)域相乘,則輸出信號(hào)頻域表達(dá)式為m(t)與s(t)相對(duì)應(yīng)的頻域的卷積,其表達(dá)式為

(4)

式中:*為卷積符號(hào);M(ω)為m(t)的頻譜表達(dá)式;S(ω)為s(t)的頻譜表達(dá)式;δ(ω)為沖激信號(hào)。經(jīng)調(diào)制后輸出信號(hào)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(hào)中心頻率由本振信號(hào)決定。

超寬帶調(diào)制器實(shí)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(fù)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(jìn)設(shè)置的單載波信號(hào)輸入至LO端。無載頻脈沖信號(hào)經(jīng)超寬帶調(diào)制器調(diào)制為有載頻信號(hào),自RF端輸出。超寬帶調(diào)制器采用型號(hào)為HMC6505A芯片,其輸出的有載頻脈沖信號(hào)中心頻率范圍為6.6～8.5 GHz,功率可達(dá)22 dBm;本地振蕩器采用型號(hào)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(shí)現(xiàn)與測試

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

圖4 有載頻脈沖源電路實(shí)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(shí)域波形;(b)為無載頻脈沖串時(shí)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(shí)域波形均采用Agilent公司生產(chǎn)的型號(hào)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(shí)測結(jié)果可知,脈沖源產(chǎn)生的脈沖信號(hào)重復(fù)頻率可達(dá)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(shí),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(shí)域波形;(b)為脈沖串時(shí)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(shí),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(shí),輸出的脈沖信號(hào)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(jì)的有載頻脈沖源與已公開報(bào)道的幾種脈沖源性能對(duì)比如表1所示。由表1可知,本文相較于文獻(xiàn)[4],除峰-峰值外,其他性能均更優(yōu),此外,文獻(xiàn)[4]的供電電源大、成本高;相較于文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[11],本文性能均更優(yōu);相較于文獻(xiàn)[10],本文的帶寬略低,但其他性能更優(yōu);文獻(xiàn)[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(shí)極大地降低了成本。

表1 不同有載頻脈沖源性能比較

3 時(shí)域測量初步實(shí)驗(yàn)

頻域測量需要多次掃頻,當(dāng)進(jìn)行寬帶測量時(shí)測量效率較低,時(shí)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(shí)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(zhǔn)確性。為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的脈沖源電路時(shí)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(shí)域測量系統(tǒng)實(shí)測反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出有載頻脈沖源作為激勵(lì)信號(hào)時(shí),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(shí)域測量系統(tǒng)框圖

3.1 時(shí)域測量測試

3.1.1 窄帶濾波器時(shí)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(hào)時(shí)域波形,然后將產(chǎn)生的脈沖信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)接入濾波器,由示波器測得濾波器響應(yīng)信號(hào)時(shí)域波形,再將激勵(lì)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)時(shí)域波形分別進(jìn)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(jìn)行對(duì)比分析。測量結(jié)果如圖8所示,其中,輸入信號(hào)時(shí)域波形如圖(a)所示,濾波器輸出信號(hào)時(shí)域波形如圖(b)所示,時(shí)域測量與頻域測量結(jié)果對(duì)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(shí)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(xiàng)和環(huán)境誤差。

圖8 濾波器時(shí)域測量結(jié)果

3.1.2 放大器時(shí)域測量

放大器時(shí)域測量方法與濾波器時(shí)域測量方法類似,將濾波器替換為放大器即可。放大器時(shí)域測量結(jié)果如圖9所示,圖(a)為放大器激勵(lì)信號(hào)時(shí)域波形;圖(b)為放大器響應(yīng)信號(hào)時(shí)域波形;將放大器的激勵(lì)信號(hào)、響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域反演,與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測算幅頻曲線進(jìn)行對(duì)比得到圖(c)。由圖(c)可知,在頻率為7.09 GHz時(shí),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(shí)域測量結(jié)果

3.1.3 隔離器時(shí)域測量

隔離器時(shí)域測量方法與濾波器、放大器類似,但需分別進(jìn)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(hào)時(shí)域波形見圖(a),隔離器正向傳輸輸出信號(hào)時(shí)域波形見圖(b),隔離器反向傳輸時(shí)域波形見圖(c)。分別將正向傳輸和反向傳輸?shù)募?lì)與響應(yīng)進(jìn)行時(shí)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(shí),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(shí),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(shí)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(shí)域測量結(jié)果分析

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

(5)

(6)

式中:xi表示時(shí)域反演幅頻特性結(jié)果在各頻率時(shí)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(shí)的值。

濾波器、放大器、隔離器的時(shí)域測量誤差結(jié)果如表2所示。由表2可知,時(shí)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(jìn)行比對(duì),兩者高度吻合,幅頻特性均方根誤差小于0.21 dB,絕對(duì)誤差小于0.27 dB。

表2 誤差分析

由于標(biāo)準(zhǔn)差更能夠計(jì)算時(shí)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(jìn)一步誤差分析,計(jì)算矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀標(biāo)準(zhǔn)差與反演結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差。

反演結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為

(7)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)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(jì)算公式為

σΔ=|σx-σy|。

(9)

表3 標(biāo)準(zhǔn)差分析

4 結(jié) 論

本文利用分立器件設(shè)計(jì)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(jì)電路結(jié)構(gòu)簡單,成本低,性能指標(biāo)高。時(shí)域測量實(shí)驗(yàn)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(jì)的脈沖源可為下一步的時(shí)域矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的開發(fā)、超寬帶高精度時(shí)域測量、雷達(dá)及超寬帶無線通信等研究奠定基礎(chǔ)。