基于ECL門電路的UWB信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

0 引 言
    超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)在通信時(shí)，不使用載波電路，而是通過(guò)發(fā)送納秒級(jí)脈沖傳輸數(shù)據(jù)的，因此具有發(fā)射和接收電路簡(jiǎn)單，功耗低，多徑分辨能力強(qiáng)，穿透力強(qiáng)，隱蔽性好，系統(tǒng)容量大，定位精度高，對(duì)現(xiàn)存通信系統(tǒng)影響小，傳輸速率快等優(yōu)勢(shì)。由于UWB技術(shù)具有這些優(yōu)良獨(dú)特的技術(shù)特性，該技術(shù)已普遍受到各國(guó)政府的高度重視。
    UWB通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵之一是如何產(chǎn)生高帶寬信號(hào)。由于極窄脈沖含有豐富的頻譜，因而產(chǎn)生足夠窄的脈沖和適于信道傳輸?shù)拿}沖形狀是UWB技術(shù)的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵所在。從國(guó)內(nèi)外對(duì)UWB技術(shù)的研究來(lái)看，目前已有的UWB脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)方式基本上可分為兩大類：一類是利用模擬器件來(lái)產(chǎn)生所需的極窄脈沖信號(hào)；另一類是利用半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)特性實(shí)現(xiàn)。利用模擬器件產(chǎn)生的窄脈沖通常需要較高的偏置電壓并且寄生效應(yīng)較大，脈沖波形不理想，脈沖功率較大，容易對(duì)其他的通信系統(tǒng)產(chǎn)生影響。為了克服模擬器件產(chǎn)生窄脈沖的缺陷，并考慮到UWB通信系統(tǒng)的特殊性，利用開(kāi)關(guān)速度極快的ECL門電路產(chǎn)生窄脈沖相比用模擬器件具有諸多優(yōu)勢(shì)，如脈沖波形好，電路簡(jiǎn)單，便于產(chǎn)品的集成，調(diào)試容易，信號(hào)功率譜密度低，不會(huì)對(duì)別的通信系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響等。

1 UWB信號(hào)的發(fā)生
1．1 發(fā)生信號(hào)形式的選擇
    沖激無(wú)線電超寬帶技術(shù)中不使用載波，是直接發(fā)送和接收極窄脈沖信號(hào)的，所以脈沖信號(hào)波形的選擇對(duì)于UWB通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。不管是采用模擬器件，還是數(shù)字器件，最終發(fā)生信號(hào)的形式必須適合在無(wú)線信道中傳輸。UWB技術(shù)中最基本的信號(hào)單元是高斯脈沖(Gaussian Pulse)，其時(shí)域表達(dá)式為：
   
式中：K表示脈沖信號(hào)幅度；t為時(shí)間；τ是脈沖持續(xù)時(shí)間，它不僅決定了脈沖寬度，還決定了信號(hào)頻譜的中心頻率和帶寬。與其對(duì)應(yīng)的頻域表達(dá)式為：
   
式中：f為頻率；fc=1／τ是脈沖的中心頻率。其時(shí)域、頻域波形如圖1和圖2所示。

    由高斯脈沖的頻譜圖可知，該脈沖含有豐富的低頻和直流分量，不適宜天線輻射。為了有效傳輸，UWB信號(hào)應(yīng)含有盡可能多的高頻分量。高斯脈沖的導(dǎo)數(shù)具備把直流和低頻分量轉(zhuǎn)換成高頻分量的能力。
    高斯單脈沖(Gaussian Monocycle)即一階高斯脈沖，它是由高斯方程的一階倒數(shù)得出的，其時(shí)域表達(dá)式為：

    與上式對(duì)應(yīng)的頻域表達(dá)式為：

    由高斯單脈沖的頻域波形可知，該信號(hào)波形含有的直流和低頻分量很小，適合在無(wú)線信道中傳輸，且中心頻率隨脈沖寬度變窄而升高，帶寬也隨之增加。
1．2 信號(hào)發(fā)生器的方案研究
    基于1．1節(jié)的分析，信號(hào)發(fā)生器的最終輸出信號(hào)形式應(yīng)為高斯單脈沖。為實(shí)現(xiàn)該信號(hào)，UWB信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)成數(shù)字模擬混合電路。ECL門電路是半導(dǎo)體器件中速度最快的開(kāi)關(guān)電路，也是整個(gè)電路的核心，它的主要作用是產(chǎn)生脈沖寬度極窄的高斯脈沖，但ECL門電路直接輸出的信號(hào)不適于信道傳輸，因而在其后接上模擬電路，以對(duì)ECL門電路的輸出信號(hào)進(jìn)行變換，從而獲得UWB通信所需要的高斯單脈沖。圖5是UWB信號(hào)發(fā)生器的邏輯原理框圖。

    該原理框圖由標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘、電平轉(zhuǎn)換電路、延時(shí)器、延時(shí)控制電路、ECL門電路、發(fā)送濾波器和脈沖功率放大電路組成。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生器產(chǎn)生一定重復(fù)周期的矩形脈沖序列。電平轉(zhuǎn)換電路把時(shí)鐘的TTL電平轉(zhuǎn)換成ECL電平。為了精確延時(shí)，延時(shí)器采用ECL電平的延時(shí)芯片，控制電路控制延時(shí)芯片的遲延時(shí)間，使兩路信號(hào)的延時(shí)有一個(gè)極短的時(shí)間差，這樣有時(shí)間差的兩路信號(hào)通過(guò)ECL門電路之后便可產(chǎn)生一個(gè)寬度與時(shí)間差相等的極窄脈沖。ECL門電路是ECL電平的異或門或者與門，它們的反應(yīng)速度要足夠快，通常要求其反應(yīng)時(shí)間不能大于250 ps，且外圍電路和傳輸線都應(yīng)滿足最佳匹配的要求，否則難以得到寬度極窄的理想脈沖。由于ECL門電路的輸入信號(hào)都是矩形脈沖，因而通過(guò)ECL門電路產(chǎn)生的窄脈沖也是矩形脈沖，又因?yàn)檩敵雒}沖的低電平為3．2 V，該脈沖必定含有豐富的直流和低頻分量，不適于無(wú)線傳輸。為了有效傳輸信號(hào)，通過(guò)發(fā)送濾波器對(duì)脈沖形式進(jìn)行變換，變成需要的高斯單脈沖。由于ECL高低電平的最大差值不過(guò)800 mV，通過(guò)ECL門電路得來(lái)的脈沖功率很小，如果要擴(kuò)大傳輸距離，則需增大發(fā)射功率，這時(shí)把已經(jīng)成形了的高斯單脈沖通過(guò)放大電路即可增大發(fā)射功率。
1．3 信號(hào)發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)
    UWB信號(hào)發(fā)生器的實(shí)際電路完全按照1．2節(jié)中的方案設(shè)計(jì)。即整體電路主要分為3大部分。第一部分主要功能是產(chǎn)生極窄脈沖。該部分電路對(duì)制作PCB板的要求很高，ECL門電路的兩路輸入信號(hào)要盡可能對(duì)稱，才會(huì)最大程度地減少誤差，也即輸出的脈沖寬度才會(huì)接近兩路信號(hào)的理論延時(shí)差。此外，ECL門電路對(duì)輸出阻抗有特殊要求，都是50 Ω的特殊阻抗，因而在設(shè)計(jì)傳輸線時(shí)要用微帶線理論去設(shè)計(jì)，以保證輸出特性阻抗是50 Ω，這樣才不會(huì)出現(xiàn)波形較大的失真。
    第二部分主要是對(duì)第一部分輸出的脈沖進(jìn)行成形濾波。該部分需要注意的是，運(yùn)算放大器的速度要足夠快，才能對(duì)極窄脈沖進(jìn)行較好的成形，同時(shí)相應(yīng)的匹配電路要盡可能精確，此外傳輸線都采用微帶線，以保持輸入輸出阻抗匹配，這里的輸入輸出阻抗都是標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω。
    第三部分是對(duì)成形后的高斯單脈沖進(jìn)行放大。該部分的核心是MMIC(單片微波集成電路)，放大電路是可調(diào)的，通過(guò)改變VCC達(dá)到改變放大電流的目的，傳輸線也都采用微帶線，特性阻抗設(shè)計(jì)成50 Ω，目的是要和第二部分的輸出阻抗以及發(fā)射天線的特性阻抗匹配，最大限度地提高發(fā)射效率。圖6是UWB信號(hào)發(fā)生器的實(shí)際電路圖。

2 UWB信號(hào)的測(cè)試
    用Agilent公司的示波器和頻譜儀對(duì)與圖6相對(duì)應(yīng)的印刷電路板測(cè)試。示波器的采樣率為16 GHz，頻譜儀能掃描10 GHz的頻譜，測(cè)試時(shí)兩塊延時(shí)芯片設(shè)置的延時(shí)差為960 ps，輸出端接口采用標(biāo)準(zhǔn)50 Ω阻抗的SMA接頭，示波器和頻譜儀也設(shè)置為50 Ω輸入阻抗，測(cè)試時(shí)采用特性阻抗為50 Ω的傳輸線，測(cè)得的脈沖波形及其頻譜如圖7，圖8所示。

3 結(jié) 語(yǔ)
    從最終輸出的脈沖波形可知，脈沖波形較理想，脈沖寬度為1 ns，略大于預(yù)設(shè)延時(shí)差，這主要是制作PCB板時(shí)有誤差所致，因此要想獲得精確的脈寬，在制作工藝上還有待提高。由于延時(shí)差是可控的，因而通過(guò)該電路可獲得更窄或更寬的脈沖，這是本電路的最大優(yōu)勢(shì)所在。從頻譜圖可知，該信號(hào)的中心頻率為1 GHz，-3 dB帶寬高達(dá)500 MHz，也即分?jǐn)?shù)帶寬為50％，符合超寬帶信號(hào)的要求。此外該信號(hào)雖然帶寬很寬，但功率譜密度很低，根本不會(huì)對(duì)其他通信系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，這利于本電路在實(shí)際中的應(yīng)用。
    UWB通信系統(tǒng)在短距離通信中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但如果要擴(kuò)大傳輸距離，則必須增大發(fā)射功率，這樣就會(huì)對(duì)其他通信系統(tǒng)，甚至對(duì)人體造成影響，這是不允許的，因而如何解決這對(duì)矛盾是當(dāng)今面臨的難題。