摘? 要： 介紹一種利用負(fù)阻器件產(chǎn)生超寬帶多脈沖信號(hào)的射頻發(fā)射機(jī)。該射頻發(fā)射機(jī)可以產(chǎn)生寬度為5ns、重復(fù)周期為100MHz、峰-峰值電壓可達(dá)3.2V的高斯包絡(luò)正余弦信號(hào)，并可通過加置功率放大器來滿足特殊場(chǎng)合下的通信需求，功放增益達(dá)到20dB。分析討論了電路原理與設(shè)計(jì)方法，實(shí)際測(cè)量結(jié)果顯示，該發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)具有良好的波形，是一種適合于超寬帶通信系統(tǒng)的射頻發(fā)射機(jī)。
關(guān)鍵詞： 超寬帶；射頻發(fā)射機(jī)；振蕩器；功率放大器
目前，超寬帶UWB（Ultra Wideband)技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際無(wú)線通信技術(shù)研究的前沿性熱點(diǎn)之一，由于UWB技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，使其成為無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)WPAN（Wireless Personal Area Network)的主要技術(shù)之一。WPAN的目標(biāo)是用無(wú)線電或者紅外線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線電纜，以低價(jià)格和低功耗在10m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息終端的智能化互聯(lián)，組建個(gè)人化信息網(wǎng)絡(luò)[1]。因此短距離的高速（100Mb/s）無(wú)線通信是UWB技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。
在UWB短距離高速通信系統(tǒng)中，射頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)歷來是整個(gè)高效穩(wěn)定系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。從電路設(shè)計(jì)的角度來看，射頻電路的設(shè)計(jì)既不同于低頻電路設(shè)計(jì)，又區(qū)別于微波電路的設(shè)計(jì)。本文實(shí)現(xiàn)的超寬帶信號(hào)中心頻率為3.5GHz，屬于射頻的范疇。這就要求電路的設(shè)計(jì)與分析要用射頻電路的理論來實(shí)現(xiàn)。
傳統(tǒng)的UWB射頻發(fā)射機(jī)[2-4]產(chǎn)生的UWB信號(hào)都是高斯脈沖信號(hào)，這種高斯脈沖UWB信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式如式(1)所示：
利用傅里葉變換可得其頻域表達(dá)式，如式（2）所示：
式（1）、式（2）中α為脈沖形狀因子，At、Af分別為時(shí)域、頻域幅度歸一化因子。
這種UWB信號(hào)的不足之處在于對(duì)傳統(tǒng)的高斯窄脈沖無(wú)論如何改變?chǔ)林?，都很難滿足FCC對(duì)UWB信號(hào)的頻譜限制。更重要的是此種UWB信號(hào)為單脈沖信號(hào)，其能量分散導(dǎo)致接收端能量檢測(cè)接收困難，不利于UWB通信系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)。
本文介紹了一種UWB短距離高速通信系統(tǒng)的射頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該射頻發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的UWB信號(hào)為高斯包絡(luò)正余弦脈沖，脈沖周期10ns，峰-峰值電壓約為3.2V，滿足FCC（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）有關(guān)UWB發(fā)射信號(hào)規(guī)范[5]，有效解決了高速UWB信號(hào)的粘連現(xiàn)象,且產(chǎn)生的信號(hào)為多脈沖信號(hào)，能量集中，利于接收端能量檢測(cè)接收。另外通過加置功率放大器（簡(jiǎn)稱功放）解決了在特殊場(chǎng)合下射頻發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率不足的問題。此功放具有工作頻帶寬、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。振蕩器與功放結(jié)合起來最終實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、實(shí)用的UWB高速信號(hào)。
UWB短距離高速（100Mb/s）通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
UWB短距離高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從PC到PC的10m范圍內(nèi)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其發(fā)射部分簡(jiǎn)化框圖結(jié)構(gòu)如圖1所示。
PC機(jī)上的待傳輸數(shù)據(jù)通過USB接口電路傳送到基帶處理電路，經(jīng)過卷積、交織、編幀、調(diào)制等一系列處理后產(chǎn)生100Mb/s的基帶碼元信號(hào)，此基帶碼元信號(hào)用以控制射頻發(fā)射機(jī)的振蕩器工作狀態(tài)，從而產(chǎn)生高速的UWB信號(hào)，這樣產(chǎn)生的UWB信號(hào)為高斯包絡(luò)正余弦脈沖[6]，它的時(shí)域表達(dá)式如式（3）所示。
利用傅里葉變換可得其頻域表達(dá)式，如式（4）所示：
這樣產(chǎn)生的UWB信號(hào)經(jīng)天線發(fā)射后可以滿足一般的通信需求，但為了達(dá)到在惡劣的傳輸環(huán)境下實(shí)現(xiàn)有效通信的目的，或者為了滿足特殊的通信需求，UWB信號(hào)可以先經(jīng)過功率放大器進(jìn)行功率放大后再通過天線發(fā)射出去。
振蕩器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
微波可控振蕩器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于負(fù)阻效應(yīng)特性原理[7]：把等效的負(fù)阻元件直接接到諧振回路中，利用負(fù)阻效應(yīng)抵消回路中的損耗，從而產(chǎn)生等幅、穩(wěn)定的振蕩作為UWB脈沖信號(hào)的調(diào)制載波。同時(shí)利用基帶信號(hào)碼元對(duì)振蕩電路進(jìn)行觸發(fā)控制，以產(chǎn)生高斯包絡(luò)正余弦脈沖的UWB信號(hào)。圖2是負(fù)阻振蕩電路的原理框圖，圖3是負(fù)阻振蕩器電路的原理圖。
在圖2中，F(xiàn)ET柵極和地之間外接正反饋網(wǎng)絡(luò)來加強(qiáng)電路的負(fù)阻效應(yīng)，從而擴(kuò)大電路在Smith圓圖上的非穩(wěn)定區(qū)域以便電路的起振并建立穩(wěn)定的振蕩；諧振網(wǎng)絡(luò)控制、協(xié)調(diào)電路的中心頻率和電路的頻率穩(wěn)定度；直流偏置網(wǎng)絡(luò)為電路提供正常工作點(diǎn)并補(bǔ)償能量的損耗；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)關(guān)系到輸出功率性能和電路的效率，同時(shí)起到濾波的作用；控制網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)UWB調(diào)制載波信號(hào)的重要控制部分，直接影響UWB脈沖信號(hào)的性能。
以往振蕩器存在的主要問題是振蕩器起振速度與停振速度較慢，由此導(dǎo)致產(chǎn)生的UWB高速數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)波形粘連情況。為了解決高速數(shù)據(jù)的波形粘連現(xiàn)象，產(chǎn)生高速且無(wú)粘連的UWB信號(hào)，本文進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)。
????首先，振蕩電路的FET管采用HP公司的具有頻帶寬、噪聲低、可靠性高、截止頻率高等特點(diǎn)的GaAS MESFET ATF13786，其特征頻率fmax可達(dá)到60GHz，最大功耗PT=225mW，最大漏極電流IDSS=100mA。在10GHz頻率點(diǎn)處輸出功率可達(dá)10dBm，典型的低噪聲特性為-110dBc/Hz@100kHz。
????在具體的設(shè)計(jì)中首先采用Aglient公司的電路設(shè)計(jì)軟件ADS(Advanced Design System)2006A對(duì)振蕩電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。系統(tǒng)經(jīng)過振蕩器后的UWB信號(hào)仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。
????從以上的仿真結(jié)果中可以觀測(cè)出：
????(1)調(diào)制脈沖信號(hào)的峰值電壓約為1.6V，與負(fù)阻振蕩電壓幅度基本相符；
????(2)信號(hào)周期10ns，脈沖信號(hào)之間間隔約5ns，數(shù)據(jù)的時(shí)間隔離度較高；
????(3)調(diào)制脈沖信號(hào)的中心頻率fc為3.500GHz，處于3.1GHz～10.6GHz頻段內(nèi)，滿足UWB信號(hào)的要求。輸出功率為6.771dBm，-10dB帶寬大于500MHz，二次諧波和三次諧波對(duì)中心頻率的影響可以忽略，滿足FCC關(guān)于UWB信號(hào)的定義要求。
????基于此仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了具體的振蕩器電路，實(shí)際電路產(chǎn)生的UWB信號(hào)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6、圖7所示。
????從圖6可以看出，在常溫條件下，實(shí)測(cè)振蕩器的中心頻率fc為3.459GHz，峰值輸出功率為-16.64dBm。電路實(shí)測(cè)時(shí)域結(jié)果如圖7所示，脈沖重復(fù)周期T為10ns，脈沖信號(hào)的單峰值達(dá)400mV，調(diào)制UWB信號(hào)的振蕩建立和停振時(shí)間小于1ns，調(diào)諧速度非?？欤颐}沖信號(hào)之間有較大的信號(hào)間隔（約4ns），有效解決了信號(hào)波形混疊問題，有利于接收機(jī)的同步捕獲和積分檢測(cè)工作。
硬件電路測(cè)試采用的頻譜分析儀是Agilent公司的E4443A，儀器的性能指標(biāo)滿足實(shí)測(cè)要求。而示波器使用Agilent公司的5484bA，它的采樣頻率為8GHz/s，帶寬為2.5GHz，對(duì)于3GHz以上的振蕩信號(hào)已經(jīng)不能給出真實(shí)的時(shí)域瞬態(tài)波形。
功放的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
????功放是射頻發(fā)射機(jī)的重要組成部分，目前功放的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要有兩種方法：一種為基于MESFET的寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；另一種為基于MMIC（微波單片集成電路）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
????本UWB高速傳輸系統(tǒng)對(duì)所設(shè)計(jì)的功率放大器技術(shù)指標(biāo)要求有：功放的工作頻段在3GHz～4GHz，其工作帶寬大于500MHz；對(duì)UWB脈沖信號(hào)放大線性度好，失真較?。徊捎肁類功率放大器設(shè)計(jì)；其功率增益的要求為20dB左右。
功放的設(shè)計(jì)選用MMIC芯片HMC327來實(shí)現(xiàn)。該芯片工作頻段為3GHz～4GHz(-3dB帶寬)，最大增益24dB，工作頻段大于500MHz，工作電壓一般為5V。功放的電路原理圖如圖8所示。
此功放具有如下特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)須直流偏置電路，易于實(shí)現(xiàn)；工作頻段較一般的功放芯片寬，可以工作在3GHz～4GHz的頻率范圍。
對(duì)實(shí)際功放電路進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試輸入信號(hào)源為經(jīng)過中心頻率3.38GHz，數(shù)據(jù)速率為100MHz的UWB窄脈沖信號(hào)。
圖9和圖10是對(duì)振蕩信號(hào)放大的前后對(duì)照測(cè)試圖，可以看到UWB窄脈沖信號(hào)的功率從-9.58dBm增加到8.34dBm，增益為17.92 dB?？紤]到實(shí)際測(cè)試中的線損約有2～3 dB。實(shí)際增益有20dB，工作頻帶大于500MHz，有效地放大了UWB信號(hào)，延長(zhǎng)了傳輸距離，可以滿足其在特殊場(chǎng)合應(yīng)用的需求。
結(jié)? 論
本文介紹了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的超寬帶高速通信系統(tǒng)射頻發(fā)射機(jī)，此UWB射頻發(fā)射機(jī)可以產(chǎn)生寬度為5ns、重復(fù)周期為100MHz、峰-峰值電壓可達(dá)3.2V的超寬帶高斯包絡(luò)正余弦脈沖信號(hào)，滿足FCC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效解決高速UWB數(shù)據(jù)的波形粘連問題，并且利于接收端能量檢測(cè)接收。另外此射頻發(fā)射機(jī)通過在振蕩器后放置功率放大器，加大發(fā)射功率，解決了特殊場(chǎng)合下UWB高速數(shù)據(jù)信號(hào)功率過低的問題。適用于PPM-UWB、OOK-UWB、BPSK-UWB等高速無(wú)線射頻系統(tǒng)，兼有經(jīng)濟(jì)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)通信、抗災(zāi)救險(xiǎn)等各種場(chǎng)合的短距離高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，具有廣闊的應(yīng)用前景。
?
參考文獻(xiàn)
[1] 劉波.WiMAX技術(shù)與應(yīng)用詳解[M].北京：人民郵電出版社，2007.
[2] 程勇，周月臣，程崇虎.一種超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].通信學(xué)報(bào)，2005，26(10)：112-115.
[3] STOICA L，TIURANIEMI S，RABBACHIN A，et al.Ultra wideband TAG circuit transceiver architecture[A].
IEEE Conf on Ultra Wideband Sys?and Tech[C].Kyoto，Japan，2004：258-262.?
[4] KIM H，PARK D，JOO Y.All-digi-tal low-power COMS pulse generator for UWB system[J].Electronics Let-
ters，2004，25(11)：1534-1535.
[5] FCC.02-48 revision of part 15 of the commission′s rules regarding Ultra-Wideband transmission systems：First report and order[S]. Washington.DC：FCC，F(xiàn)eb.2002.
[6] KAZIMIERZ S，DEBRA M K著.超寬帶無(wú)線電技術(shù)[M].張中兆，沙學(xué)軍譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005：47-55.
[7] LUDWING R.Pavel Bretchko.RF circuit design：Theory and?application[M]，Prentice Hall PTR，
2000.