超短波频段脉冲产生器的设计及硬件实现

摘要：从频域角度考虑了产生脉冲的方法，通过滤波器对单位冲激响应进行频谱整形，达到将脉冲控制在固定频谱范围内的目的。通过ADS和Protel对电路进行仿真设计和硬件实现。测试结果表明，该脉冲产生器输出结果达到了预期要求，实测结果与仿真结果吻合得很好。最终输出脉冲峰峰值为1．17 V，拖尾抑制为-12 dB，具有良好的对称性，频谱基本控制在30～40 MHz之间。
关键词：滤波器；脉冲产生器；超宽带；超短波

0 引 言
运用超宽带的概念，在超短波频段上实现超宽带通信，能够满足在复杂电磁环境下抗干扰性能的要求。为了使超宽带技术和现有的超短波通信设备相结合，设计一个合理的超宽带射频前端至关重要。
脉冲形式的超宽带定义是信号能量带宽与中心频率的比值大于0．20～0．25，在此基础上，本文设计出一个能量带宽在30～40 MHz之间，中心频率为35 MHz的超宽带信号，因为相对带宽=(fH-fL)／[(fH+fL)／2]=0．28>0．25，所以这样的信号满足超宽带的定义。而现阶段实现超宽带脉冲的硬件形式主要是利用特殊半导体器件的物理特性，或微带线的反射组合来形成符合要求的UWB信号，这种UWB信号的频谱特性可控度很差，一般是由半导体自身属性来决定的。所以为了精确控制脉冲的频谱特性，脉冲产生器的实现方案必须从信号的频域入手。
在此基础上，本文考虑了基于滤波成型网络的脉冲产生器。这种脉冲产生器的原理是：基带方波信号通过一个微分电路，提取出基带脉冲的上升沿和下降沿，得到单位冲激脉冲，再经过零偏置放大电路，滤除下降沿，并放大上升沿，放大后的单位冲激脉冲通过滤波成型网络进行脉冲整形形成频域有限的宽带信号，最后放大发射。只要合理设计电路中的滤波成型网络，就可以达到不同的设计要求。

l 原理图设计
根据上述思想，该脉冲产生器的原理框图如图1所示。

激励信号源为TTL电平的方波信号，高电平3．3 V，低电平0 V。但其上升沿时间和下降沿时问不能太长，应该在1 ns左右。设计要求脉冲的带宽为10 MHz，为了防止码间串扰，信号源的重复频率控制在1．25 MHz。微分网络由电容和电阻构成，实际上是一个时间常数很短的高通电路，它的作用是取出方波信号的上升沿和下降沿，以降低信号的占空比。零偏置放大电路放大正向微分信号的同时滤除下降沿形成的反向微分信号。滤波成型网络对微分放大后的信号进行整形以产生所要求的波形形状及频谱，最后脉冲经过宽带放大电路输出到射频端口。激励信号源，微分网络，零偏置放大电路可以看成近似于理想的冲激脉冲发生器。

2 具体电路实现
利用Agilent的ADS2006A对电路进行仿真设计，理想冲激脉冲发生器由激励信号源，微分网络，零偏置放大电路组成，如图2所示。

激励信号源为TTL电平的方波信号Vin，上升沿和下降沿均为1 ns，激励信号宽度为400 ns。微分网络由RC时间常数比输入脉冲持续时间少很多的高通电路组成。这种电路用来将加于输入端的方波电压变为正负的尖峰电压输出。因为输出电压表示了输入电压的变化率，所以这个变化过程叫作微分。微分电路设计的两个重点：τ＜＜t外加／10，以获得良好的冲激响应；对电阻R进行合理的取值以获得足够大的电压幅度。在此设计中，C1=3 pF，R=120 Ω，时间常数τ=RC=3×10-12×120=3．6 ns。

零偏置放大网络采用单级晶体管共射放大电路，BJT采用的是infineon公司的BFP450，因为要使放大电路滤去负脉冲，所以必须使晶体管工作在截止区和放大区的临界点。设计单级晶体管放大电路的步骤是先静态，后动态。通过ADS对BFP450进行直流工作点测试，找到合适的静态工作点。在零偏置放大电路中，R2和微分电路中的R1共同构成了分压式直流通路。
根据BFP450的datasheet得知最大基极电流IBB=10 mA，最大集电结电压为VCE=15 V，所以扫描范围为：IBB=20～100μA，步进为10μA。VCE=0～10 V，步进为O．1 V。将BFP450的Spice模型导入ADS中，得到静态工作点扫描结果，如图3所示。

从扫描结果中可以看出，对于IBB20μA，都可以认为晶体管进入了截止区。同时在设置静态工作点时，尽量使电路有一个较大范围的线性放大区，这样更有利于脉冲的放大。所以选取的试验条件为：VCE=4～5V，步进0.1V。VCE=500～600mV，步进20mV。在此范围内，根据公式：

推导出R2=1 kΩ，R4=1 kΩ。再将阻值带回偏置电路中，得到静态工作点为IBB=14．96 μA，Ic=23．77μA，VBE=534．1 mV，VCE=4．976 V。理想冲激脉冲成型网络的各级输出如图4所示。

从输出结果来看，基本达到了预期结果，提取出了正向微分信号，并倒相放大到5 V，拖尾振