开关控制L C振荡电路脉冲发射方法

郭利生，王 薪，何金梅

(南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏南京 210016)

无线脉冲对于低传输速率的场合是一个富于前景的技术，其除了提供基本的数据通信功能外，也可用于高精度的测距和定位。无线脉冲在低复杂度、低功耗、低损耗等方面的优点使其在无线传感器网络和个人局域网方面得到广泛应用［1－2］。传统的无线脉冲收发系统通常包含脉冲信号发生器、脉冲信号放大器、脉冲整形电路以及超宽带天线等分立部件。各部件之间都是相互独立的设计，并且需要考虑时域上的短脉冲在频域上的大带宽带来的设计挑战。

近些年，研究者从时域的角度加以研究。文献［3～6］介绍了脉冲发射电路的工作原理，然而这些设计仍然采用振荡电路和天线部件之间的组合来实现脉冲信号的收发。文献［7～12］则提出了一种基于时变匹配网络和电小天线的脉冲生成方法，由于整个设计不存在有源电路，使得最终的输出信号功率较小，不适于作为脉冲发射机。

文中提出了一种更为简单、小型化、高效率的设计。这种设计不同于传统的脉冲收发系统存在系统部件之间的组合，而是将电小天线作为振荡电路的一部分参与到LC脉冲振荡的形成，并通过电小天线向外辐射脉冲信号。最终生成的信号载波频率取决于整个LC电路，脉冲速率取决于控制信号周期。这样设计的好处在于:将电小天线和脉冲振荡电路一体化设计省去了传统脉冲系统的多部件组合;采用等效模型的方法使得天线可以参与时域电路的设计和分析;采用非常规50 Ω的电小天线作为辐射器，可大幅减小电路实际面积。

1 工作原理

文中提出的开关控制LC振荡脉冲发射电路，如图1所示。通过提取环形电小天线的等效电路模型，并将该等效电路作为脉冲振荡参与部件加以设计。脉冲发射电路主要由外接控制电路、负阻生成电路、LC脉冲振荡电路、偏置电路和发射天线构成。在图1所示的基于电小天线的开关LC振荡脉冲发射机中，外接控制电路由晶体管M3和电阻Rb及外接控制电平Vcontrol组成。外接控制信号电平为高电平时晶体管M3导通给信号电流提供回路;外接控制电平为低电平时晶体管M3不导通无法提供电流回路。负阻生成器主要由M1、M2晶体管差分对构成。外接控制电平为高电平时提供的电流回路使得晶体管差分对此时输入阻抗为负值且大于电路的静态电阻值，此时电路网络总体为负阻状态，信号得以按指数规律增长;外接控制电平为低电平时电流回路被阻断，晶体管差分对此时输入阻抗为正值，网络总电阻同样表现为正极性，信号按指数规律衰减。LC脉冲振荡电路中总电感L包含电小天线的等效电感和电路偏置电感，总电容C则由晶体管的寄生电容和C1、C2共同构成。电路的偏置不采用常规的电阻偏置，而是由损耗更小的电感L1、L2和L3构成以提高系统能量的利用率。需指出的是，设计中电小天线作为LC脉冲振荡元件的同时，其还是整个系统的辐射单元，将电路产生的脉冲信号向外辐射。

图1 基于电小天线的开关控制LC振荡脉冲发射电路

文献［3］中传统型脉冲发射电路相比图1所示等效模型，其主要区别在于利用电小天线的等效模型参与到脉冲信号的生成。对于一个环形电小天线，从输入阻抗的变化趋势上看，其可等效为一个电感和电阻的串联结构，但文献［12］给出了更精确的环形电小天线等效模型，如图2所示。

图2 环形电小天线等效模型

2 电路仿真设计与测试结果

图3给出了贴片环形电小天线的设计。其由环形贴片和地两部分组成。图3中环形贴片是一段闭合曲线包围所形成的图形，贴片对应的地在图中表现为阴影部分。微带贴片的外围长宽分别为40 mm和38 mm，贴片缝隙长度L1为11 mm，宽度W1为4 mm，La长度为3．5 mm。为了更好地衔接后端电路，该设计在末端增加了两段长L2为3 mm、宽W2为5 mm的馈线段。

图3 贴片环形电小天线设计图

为了更好地将环形电小天线参与到电路的设计中，首先要提取环形电小天线的电路等效模型。文献［12］提出了一种简化的Foster等效模型，如图2所示。这种简化的Foster等效模型首先接入了一个电感L0和电容C0的并联电路，且此时的LC谐振发生在电阻曲线的第一零点处，然后与一个串联RLC电路并联。对应于图3所示的贴片环形电小天线，其值可取L1=17．8 nH，C1=1 pF，L2=2．6 nH，C2=6．8 pF，Rrad=2 000。图4给出了贴片环形电小天线的输入阻抗HFSS仿真结果与简化Foster等效电路模型的输入阻抗在ADS设计系统中的结果。比较仿真结果发现，简化的Foster等效模型在频率不超过电阻曲线的第一零点前，二者基本吻合。

图4 微带环线等效电路与天线仿真结果

图5则是在此基础上的系统级脉冲发射仿真。脉冲发射电路的外接控制信号高电平幅值为1 V，低电平电压为0 V，控制信号脉冲高电平持续时间为15 ns，脉冲重复周期为100 ns，脉冲发射电路环形电小天线两端生成的脉冲幅值为3 V，脉宽为15 ns，如图5中的V0所示。电小天线辐射电阻两端的脉冲波形如图5中Vrad所示，其幅值为0．13 V，脉冲持续时间为15 ns。根据文献［4］中关于能量利用率的定义，其发射端电路的能量利用率为24．3%。

图5 基于电小天线的开关LC振荡脉冲发射电路仿真

图6是基于电小天线的开关LC振荡脉冲发射系统的物理实现电路图，发射机采用双层电路板加以实现。正面包含环形电小天线、控制电路和差分对电路，电路板背面则包含直流电源和偏置电路。将直流电压和偏置电路与发射端电路分隔，可尽量减小二者之间的相互影响。实验中外接控制信号由RIGOL DG5352信号发生器输出，其电压幅值为1．2 V，周期10 MHz，脉冲占空比10%的归零信号如图7所示。发射电路由直流电源提供的直流偏置电压Vdd大小为1．4 V。使用Agilent DSO9404多通道示波器辅以单端有源探头1 158 A作为测量设备，此时环形电小天线两端的差分电压如图7所示，其峰峰值可为3．8Vpp，脉宽为10 ns，其对应的实测能量发射效率15．9%。图7示意波形为另一端天线接收到辐射脉冲，可观察到接收脉冲信号与噪声电平之间存在显著的区别，从而验证了一体化设计的可行性。

3 结束语

文中提出了一种基于电小天线的开关LC振荡脉冲发射电路。仿真与测试结果表明，将电小天线作为脉冲LC振荡的参与元件可实现大幅度、高效率的脉冲发射。运用等效电路对脉冲发射系统的一体化设计与传统电路设计相比，在不牺牲性能的前提下大幅简化了电路结构、缩小了面积，为脉冲的无线传输提供了一种成本更低的实现方案。

图6 基于电小天线的开关LC振荡脉冲发射系统

图7 基于电小天线的超再生脉冲发射电路测试结果

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