超宽带脉冲雷达发射前端电路技术研究

发布时间：2020-11-19 07:31

　　 超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)技术在短距离高速无线通信、探地雷达、穿墙成像和医疗成像等领域具有广泛应用。其中超宽带脉冲雷达系统在无线感知、非接触式医疗监测和物体的速度与位置探测等领域具有独特的优势,并且相比于传统的连续波雷达具有更强的多径分辨能力,更高的定位精度和更低的功耗。目前,结合CMOS工艺低成本和低功耗特性,单片脉冲雷达系统的研究主要集中于短距离室内定位和姿态识别等应用。然而,为实现穿透探测应用,需要保证一定的输出功率,势必造成系统功耗的增加,CMOS工艺低功耗的优势也将不复存在。其中,窄脉冲波形产生电路和超宽带功率放大器作为超宽带脉冲雷达发射前端系统的关键模块,对其功耗和性能进行研究具有重要意义。论文首先对超宽带脉冲雷达系统的国内外研究现状和发展趋势进行介绍。然后阐述了超宽带脉冲雷达系统整体架构和工作原理,以及目前单片超宽带脉冲雷达系统广泛采用的等效时间采样的量化方法。对比分析了常用超宽带脉冲波形的时域波形、频谱图和电路实现方式,创新性地提出了全数字化超宽带脉冲产生逻辑,能够显著降低电路的复杂度、功耗和面积。同时,针对功率放大器功耗较大的缺点,结合超宽带脉冲雷达工作原理,对功率放大器引入新型的开关控制逻辑,在不影响功率放大器性能条件下,使其只在脉冲发射时间内导通,显著降低整体系统平均功耗。本文首先采用TSMC 65nm 1P9M 1.2V标准CMOS工艺实现了3-10GHz超宽带脉冲雷达发射前端。前仿真结果表明:中心频率能够实现3-10GHz调节范围,脉冲宽度0.4-1.2ns可调节,在4GHz载频处实现1.6GHz的信号带宽和7.78dBm的瞬态发射功率,在10MHz重频周期下,其功耗为55.24mW。由于寄生效应、引线电感和PCB的影响,测试结果表明:中心频率能够实现3-6GHz调节范围,脉冲宽度0.67-1.2ns可调节,在4GHz载频处实现1.7GHz的信号带宽和3.05dBm的瞬态发射功率。针对穿透探测尤其是穿墙探测应用,基于TSMC 65nm 1P9M 1.2V标准CMOS工艺实现了4-6GHz超宽带脉冲雷达发射前端。引入脉冲数目选择逻辑和针对功率放大器功耗优化的开关逻辑。前仿真结果表明:中心频率能够实现3-8.5GHz调节范围,脉冲宽度0.117-1.2ns可调,信号带宽为1.13-4.31GHz,在5.8GHz处实现最大18.46dBm的瞬态发射功率,在10MHz重频周期下,其功耗最低为51.7mW。测试结果表明:中心频率能够实现3-5.7GHz调节范围,脉冲宽度0.28-1.2ns可调,信号带宽为1.05-4.55GHz,在5.698GHz处实现最大17.46dBm的瞬态发射功率。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN958
【部分图文】：

max图3.9 高阶网络匹配示意图图3.10 高阶匹配网络 S11仿真3.3.3 电阻负反馈技术负反馈技术自 1921 年被发现之后成为了模拟电路设计中广泛使用的技术。负反馈技术能够降低增益灵敏度，扩展带宽和改变输入输出端阻抗。其中，在射频应用中，负反馈技术对输入输出端阻抗的影响能够为放大器提供平坦的增益和良好的宽带匹配特性。图 3.11 显示了利用电阻负反馈技术实现的超宽带功率放大器[40]。该放大器使用

西安电子科技大学硕士学位论文34图4.6 脉冲产生逻辑不同工艺角仿真结果在本文中通过延时链逻辑产生窄脉冲与通过改变负载电容的方式一样，都是通过改变输出波形斜率改变延时。但是，输出波形的抖动性能与波形的过零点斜率成反比[44-45]，大的延时同时对应较差的抖动性能。脉冲信号产生电路主要由延时单元、反相器和逻辑门等电路构成，其中延时单元电路决定了整个脉冲信号产生电路的噪声性能，需要对其进行详细分析。图 4.7 显示了延时单元用于噪声分析的原理框图。其中，C 代表输出节点寄生电容。当 Trigger 信号从低电平转换为高电平时，M2管导通

(4-8)图4.10 带反馈电阻共源共栅级输出 Gmax仿真结果同时，从图 4.10 中可以看出，在引入反馈电阻的条件下，单级增益达到 12dB 左右为一个较为合理的值。此外，考虑片内无源匹配网络和失配造成的损耗，为实现20dB 左右的增益，放大器应选择两级共源共栅结构。图 4.11 显示了本次超宽带功率放大器原理图。M1M2M3M4RF1CF1RF2CF2L2L1L3C3C1C2VDDVDDVDDVDDVBIASVBIASR1XY图4.11 本次设计超宽带功率放大器原理图4.4.2 功率输出级为实现 12.5dBm 饱和输出功率，在使用
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本文编号：2889898