超宽带脉冲信号接收机研究与设计

李德生 同方电子科技有限公司

引言

超宽带技术有着较为悠久的发展历史，在最初主要服务于军事领域，后来逐渐拓展应用到了航空、公共安全、医疗卫生、消费类服务与产品等诸多领域，其市场发展前景难以估量。伴随超宽带技术的不断发展，越来越多超宽带产品必将会陆续进入市场，为人们的生产和生活做出更大的贡献。面对如此重要的超宽带技术，国内外诸多研究机构和学者就超宽带脉冲信号接收机展开了研究，我国在这方面也取得了一定的研究成果，但是相比于国外还是存在着一定的差距，希望本文的研究能够对国内超宽带技术的发展起到一定促进作用。

1 超宽带脉冲信号接收机介绍

1.1 相干型超宽带脉冲信号接收机

如果超宽带脉冲信号接收机的接收方式采取的是相干检测，则称之为相干型超宽带脉冲信号接收机，其主要由天线、滤波放大、乘法器、本振信号源、积分器和基带处理等部分模块构成。天线接收到信号以后，首先经过滤波放大将微弱的脉冲信号放大至可检测的门限，然后与本振信号相乘，再经过积分采样处理。相干型超宽带脉冲信号接收机在结构上类似于传统的窄带接收机，但由于要求接收信号和本振信号有着非常高的匹配度，所以对两个信号的同步有着非常高的要求，对具体的电路设计提出很大的挑战。

1.2 自相干型超宽带脉冲信号接收机

当接收机需要在多路径的条件下进行应用时，虽然可以采用多支路的Rake 接收机，但由于其对于信号的同步有着非常高的要求，所以为其实际应用带来了很大的阻碍，自相干型超宽带脉冲信号接收机正是在这样的背景下被研发设计了出来，其主要由天线、滤波放大、乘法器、延时器、积分器和基带处理等部分模块构成。自相干型超宽带脉冲信号接收机与相干型超宽带脉冲信号接收机最大不同之处是将本振信号用输入信号延时之后的信号予以代替，从而使得信号同步的要求降低了，但是相应的，对于延时器的设计也有了更高的要求，唯有如此才能更好地确保接收机的性能。

1.3 非相干型超宽带脉冲信号接收机

非相干型超宽带脉冲信号接收机无需引入本振信号源或延时器进行同步，主要由天线、滤波放大、平方律检波、积分器和基带处理等部分模块构成。天线接收到信号以后，首先经过滤波放大，然后进行平方律检波，再通过积分器来累计和提取能量，最后经过基带处理。非相干型超宽带脉冲信号接收机由于仅需要根据信号的能力来对脉冲信号进行提取，所以能够极大地简化其结构。虽然非相干型超宽带脉冲信号接收机有着相对简单的结构，但要想实现在脉冲重频较高情况下的高速积分也是非常困难的，这也导致非相干型超宽带脉冲信号接收机的发展与应用极大地受制于积分器的性能。

2 超宽带脉冲信号接收机设计与验证

2.1 取样门电路设计与验证

本研究选择更为成熟的桥式封装二极管HSMS282P[2]来对取样门电路进行设计，如图2-1 所示，端口1 和4 分别代表取样门的信号输入端口和信号输出端口，而端口2 和3 代表一对取样脉冲信号输入端口。

图2 -1 取样门电路设计示意图

文章采用了ADS 的瞬态仿真功能。通过综合考虑，在进行性能验证以及后续验证所选择的脉冲重频为100MHz，输入信号的宽度为10ns，此时取样信号的宽度为10.02ns，测试结果发现该设计对脉冲重频10-100MHz 的信号都有着良好的取样性能。

2.2 超宽带脉冲源设计与验证

本研究选择采用阶跃恢复二极管（SRD）来对UWB 脉冲信号源进行设计。在UWB 脉冲信号源电路中，核心器件是SRD，其他部分都是起一个辅助作用，帮助产生脉冲信号，而脉冲信号波形的宽度将受到外部正负偏置电压变化的快慢影响。由于正负跳变的速度往往仅有几十纳秒甚至几纳秒，所以文章主要利用三极管来对SRD 进行驱动，三极管有着越好的开关特性，那么就有着越快的开启速度。经过仿真验证，能够得到脉冲信号的波形以及频谱。脉冲信号的波形宽度大概为500ps，幅度大概为1.5v，波形中未曾出现拖尾现象，而脉冲信号的频谱宽度大概为4GHz，可以看到效果是非常理想的。但是为了使版图更加贴近实际电路，有必要在电路中加入微带线以及更换实际的电感电容模型再次进行仿真验证。

2.3 巴伦设计与验证

巴伦相位和幅度平衡特性好，工作频率带宽较宽，而且结构简单、成本低廉以及易于制作，所以本文采用超宽带巴伦进行缺陷地结构设计，采用上下宽边耦合结构的三层结构巴伦，电路分为三层结构，下层与中层形成ZOT，中层与上层形成ZOC、ZOE，选用Rogers4350B 基片。经过仿真验证，本文所设计的的超宽带巴伦在频率范围为1.0-6.0GHz 内的相位不平衡性、幅度不平衡性、端口反射等方面都有着较为理想的性能。

2.4 低噪声放大器设计与验证

通过对电路结构、设计难易程度、噪声系数等方面的综合考虑，本文将采用电阻负反馈的电路结构来对低噪声放大器予以设计。虽然负反馈电路会导致放大器的噪声系数产生一定恶化，也会一定程度降低资用功率增益，然而其也能够使输入端和终端的匹配电路在较为宽的频带下均具有良好的性能，从而使得电路的稳定性得到进一步的增强，使放大器功率增益平坦度得到优化，而且电路结构相对较为简单，设计容易，外形较小。在低噪声放大器设计中，晶体管将选择高电子迁移率晶体管，因为其在稳定性、噪声特性、截止频率等方面有着较为明显的优势；电路基片选择的是R04350B 基片，其优势在于性价比高，介电常数在温度变化时候较为稳定。采用ADS 软件进行仿真验证，本文所设计的低噪声放大器在全频带内均有着较好的稳定性，尤其是在0.5-6GHz 频带内能够实现绝对稳定。

3 结语

文章先介绍了传统超宽带脉冲信号接收机，然后在此基础上就超宽带脉冲信号接收机的取样门电路、超宽带脉冲源、巴伦结构、低噪声放大器四个关键部分的设计展开了深入的研究，综合起来即为超宽带脉冲信号接收机的整体设计方案。希望本文的研究成果能够给予相关人员一定参考借鉴，能够为超宽带脉冲信号接收机技术的发展进步作出一定贡献。