摘  要： 介绍一种利用负阻器件产生超宽带多脉冲信号的射频发射机。该射频发射机可以产生宽度为5ns、重复周期为100MHz、峰-峰值电压可达3.2V的高斯包络正余弦信号，并可通过加置功率放大器来满足特殊场合下的通信需求，功放增益达到20dB。分析讨论了电路原理与设计方法，实际测量结果显示，该发射机产生的脉冲信号具有良好的波形，是一种适合于超宽带通信系统的射频发射机。

　　关键词： 超宽带；射频发射机；振荡器；功率放大器

　　目前，超宽带UWB（Ultra Wideband)技术已经成为国际无线通信技术研究的前沿性热点之一，由于UWB技术的诸多优点，使其成为无线个人局域网络WPAN（Wireless Personal Area Network)的主要技术之一。WPAN的目标是用无线电或者红外线代替传统的有线电缆，以低价格和低功耗在10m范围内实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化信息网络^[1]。因此短距离的高速（100Mb/s）无线通信是UWB技术的主要应用领域。

　　在UWB短距离高速通信系统中，射频发射机的设计与实现历来是整个高效稳定系统的难点之一。从电路设计的角度来看，射频电路的设计既不同于低频电路设计，又区别于微波电路的设计。本文实现的超宽带信号中心频率为3.5GHz，属于射频的范畴。这就要求电路的设计与分析要用射频电路的理论来实现。

　　传统的UWB射频发射机[2-4]产生的UWB信号都是高斯脉冲信号，这种高斯脉冲UWB信号的时域表达式如式(1)所示：

　　利用傅里叶变换可得其频域表达式，如式（2）所示：

式（1）、式（2）中α为脉冲形状因子，A_t、A_f分别为时域、频域幅度归一化因子。

　　这种UWB信号的不足之处在于对传统的高斯窄脉冲无论如何改变α值，都很难满足FCC对UWB信号的频谱限制。更重要的是此种UWB信号为单脉冲信号，其能量分散导致接收端能量检测接收困难，不利于UWB通信系统的整体实现。

　　本文介绍了一种UWB短距离高速通信系统的射频发射机的设计与实现。该射频发射机产生的UWB信号为高斯包络正余弦脉冲，脉冲周期10ns，峰-峰值电压约为3.2V，满足FCC（美国联邦通信委员会）有关UWB发射信号规范^[5]，有效解决了高速UWB信号的粘连现象,且产生的信号为多脉冲信号，能量集中，利于接收端能量检测接收。另外通过加置功率放大器（简称功放）解决了在特殊场合下射频发射机的发射功率不足的问题。此功放具有工作频带宽、电路结构简单等特点。振荡器与功放结合起来最终实现了稳定、实用的UWB高速信号。

UWB短距离高速（100Mb/s）通信系统发射机的设计与实现

　　UWB短距离高速数据传输系统可以实现从PC到PC的10m范围内的高速数据传输，其发射部分简化框图结构如图1所示。

　　PC机上的待传输数据通过USB接口电路传送到基带处理电路，经过卷积、交织、编帧、调制等一系列处理后产生100Mb/s的基带码元信号，此基带码元信号用以控制射频发射机的振荡器工作状态，从而产生高速的UWB信号，这样产生的UWB信号为高斯包络正余弦脉冲^[6]，它的时域表达式如式（3）所示。

　　利用傅里叶变换可得其频域表达式，如式（4）所示：

　　这样产生的UWB信号经天线发射后可以满足一般的通信需求，但为了达到在恶劣的传输环境下实现有效通信的目的，或者为了满足特殊的通信需求，UWB信号可以先经过功率放大器进行功率放大后再通过天线发射出去。

振荡器的设计与实现

　　微波可控振荡器的设计与实现基于负阻效应特性原理^[7]：把等效的负阻元件直接接到谐振回路中，利用负阻效应抵消回路中的损耗，从而产生等幅、稳定的振荡作为UWB脉冲信号的调制载波。同时利用基带信号码元对振荡电路进行触发控制，以产生高斯包络正余弦脉冲的UWB信号。图2是负阻振荡电路的原理框图，图3是负阻振荡器电路的原理图。

　　在图2中，FET栅极和地之间外接正反馈网络来加强电路的负阻效应，从而扩大电路在Smith圆图上的非稳定区域以便电路的起振并建立稳定的振荡；谐振网络控制、协调电路的中心频率和电路的频率稳定度；直流偏置网络为电路提供正常工作点并补偿能量的损耗；输出匹配网络关系到输出功率性能和电路的效率，同时起到滤波的作用；控制网络是实现UWB调制载波信号的重要控制部分，直接影响UWB脉冲信号的性能。

　　以往振荡器存在的主要问题是振荡器起振速度与停振速度较慢，由此导致产生的UWB高速数据会出现波形粘连情况。为了解决高速数据的波形粘连现象，产生高速且无粘连的UWB信号，本文进行了如下设计。

    首先，振荡电路的FET管采用HP公司的具有频带宽、噪声低、可靠性高、截止频率高等特点的GaAS MESFET ATF13786，其特征频率fmax可达到60GHz，最大功耗PT=225mW，最大漏极电流IDSS=100mA。在10GHz频率点处输出功率可达10dBm，典型的低噪声特性为-110dBc/Hz@100kHz。

    在具体的设计中首先采用Aglient公司的电路设计软件ADS(Advanced Design System)2006A对振荡电路进行了仿真设计。系统经过振荡器后的UWB信号仿真结果如图4、图5所示。

    从以上的仿真结果中可以观测出：

    (1)调制脉冲信号的峰值电压约为1.6V，与负阻振荡电压幅度基本相符；

    (2)信号周期10ns，脉冲信号之间间隔约5ns，数据的时间隔离度较高；

    (3)调制脉冲信号的中心频率fc为3.500GHz，处于3.1GHz～10.6GHz频段内，满足UWB信号的要求。输出功率为6.771dBm，-10dB带宽大于500MHz，二次谐波和三次谐波对中心频率的影响可以忽略，满足FCC关于UWB信号的定义要求。

    基于此仿真设计，实现了具体的振荡器电路，实际电路产生的UWB信号实测结果如图6、图7所示。

    从图6可以看出，在常温条件下，实测振荡器的中心频率fc为3.459GHz，峰值输出功率为-16.64dBm。电路实测时域结果如图7所示，脉冲重复周期T为10ns，脉冲信号的单峰值达400mV，调制UWB信号的振荡建立和停振时间小于1ns，调谐速度非常快，而且脉冲信号之间有较大的信号间隔（约4ns），有效解决了信号波形混叠问题，有利于接收机的同步捕获和积分检测工作。

　　硬件电路测试采用的频谱分析仪是Agilent公司的E4443A，仪器的性能指标满足实测要求。而示波器使用Agilent公司的5484bA，它的采样频率为8GHz/s，带宽为2.5GHz，对于3GHz以上的振荡信号已经不能给出真实的时域瞬态波形。

功放的设计与实现

    功放是射频发射机的重要组成部分，目前功放的设计与实现主要有两种方法：一种为基于MESFET的宽带功率放大器的设计与实现；另一种为基于MMIC（微波单片集成电路）的设计与实现。

    本UWB高速传输系统对所设计的功率放大器技术指标要求有：功放的工作频段在3GHz～4GHz，其工作带宽大于500MHz；对UWB脉冲信号放大线性度好，失真较小；采用A类功率放大器设计；其功率增益的要求为20dB左右。

　　功放的设计选用MMIC芯片HMC327来实现。该芯片工作频段为3GHz～4GHz(-3dB带宽)，最大增益24dB，工作频段大于500MHz，工作电压一般为5V。功放的电路原理图如图8所示。

　　此功放具有如下特点：电路结构简单，无须直流偏置电路，易于实现；工作频段较一般的功放芯片宽，可以工作在3GHz～4GHz的频率范围。

　　对实际功放电路进行测试，测试输入信号源为经过中心频率3.38GHz，数据速率为100MHz的UWB窄脉冲信号。

　　图9和图10是对振荡信号放大的前后对照测试图，可以看到UWB窄脉冲信号的功率从-9.58dBm增加到8.34dBm，增益为17.92 dB。考虑到实际测试中的线损约有2～3 dB。实际增益有20dB，工作频带大于500MHz，有效地放大了UWB信号，延长了传输距离，可以满足其在特殊场合应用的需求。

结  论

　　本文介绍了一种结构简单的超宽带高速通信系统射频发射机，此UWB射频发射机可以产生宽度为5ns、重复周期为100MHz、峰-峰值电压可达3.2V的超宽带高斯包络正余弦脉冲信号，满足FCC相关标准，能够有效解决高速UWB数据的波形粘连问题，并且利于接收端能量检测接收。另外此射频发射机通过在振荡器后放置功率放大器，加大发射功率，解决了特殊场合下UWB高速数据信号功率过低的问题。适用于PPM-UWB、OOK-UWB、BPSK-UWB等高速无线射频系统，兼有经济成本低、结构简单、易于实现的特点，可广泛应用于室内通信、抗灾救险等各种场合的短距离高速无线数据传输，具有广阔的应用前景。

参考文献

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