超寬帶(Ultra-Wide Band,UWB)技術(shù)在短距離高速無線通信、探地雷達(dá)、穿墻成像和醫(yī)療成像等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。其中超寬帶脈沖雷達(dá)系統(tǒng)在無線感知、非接觸式醫(yī)療監(jiān)測和物體的速度與位置探測等領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢,并且相比于傳統(tǒng)的連續(xù)波雷達(dá)具有更強(qiáng)的多徑分辨能力,更高的定位精度和更低的功耗。目前,結(jié)合CMOS工藝低成本和低功耗特性,單片脈沖雷達(dá)系統(tǒng)的研究主要集中于短距離室內(nèi)定位和姿態(tài)識(shí)別等應(yīng)用。然而,為實(shí)現(xiàn)穿透探測應(yīng)用,需要保證一定的輸出功率,勢必造成系統(tǒng)功耗的增加,CMOS工藝低功耗的優(yōu)勢也將不復(fù)存在。其中,窄脈沖波形產(chǎn)生電路和超寬帶功率放大器作為超寬帶脈沖雷達(dá)發(fā)射前端系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊,對其功耗和性能進(jìn)行研究具有重要意義。論文首先對超寬帶脈沖雷達(dá)系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行介紹。然后闡述了超寬帶脈沖雷達(dá)系統(tǒng)整體架構(gòu)和工作原理,以及目前單片超寬帶脈沖雷達(dá)系統(tǒng)廣泛采用的等效時(shí)間采樣的量化方法。對比分析了常用超寬帶脈沖波形的時(shí)域波形、頻譜圖和電路實(shí)現(xiàn)方式,創(chuàng)新性地提出了全數(shù)字化超寬帶脈沖產(chǎn)生邏輯,能夠顯著降低電路的復(fù)雜度、功耗和面積。同時(shí),針對功率放大器功耗較大的缺點(diǎn),結(jié)合超寬帶脈沖雷達(dá)工作原理,對功率放大器引入新型的開關(guān)控制邏輯,在不影響功率放大器性能條件下,使其只在脈沖發(fā)射時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通,顯著降低整體系統(tǒng)平均功耗。本文首先采用TSMC 65nm 1P9M 1.2V標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了3-10GHz超寬帶脈沖雷達(dá)發(fā)射前端。前仿真結(jié)果表明:中心頻率能夠?qū)崿F(xiàn)3-10GHz調(diào)節(jié)范圍,脈沖寬度0.4-1.2ns可調(diào)節(jié),在4GHz載頻處實(shí)現(xiàn)1.6GHz的信號帶寬和7.78dBm的瞬態(tài)發(fā)射功率,在10MHz重頻周期下,其功耗為55.24mW。由于寄生效應(yīng)、引線電感和PCB的影響,測試結(jié)果表明:中心頻率能夠?qū)崿F(xiàn)3-6GHz調(diào)節(jié)范圍,脈沖寬度0.67-1.2ns可調(diào)節(jié),在4GHz載頻處實(shí)現(xiàn)1.7GHz的信號帶寬和3.05dBm的瞬態(tài)發(fā)射功率。針對穿透探測尤其是穿墻探測應(yīng)用,基于TSMC 65nm 1P9M 1.2V標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了4-6GHz超寬帶脈沖雷達(dá)發(fā)射前端。引入脈沖數(shù)目選擇邏輯和針對功率放大器功耗優(yōu)化的開關(guān)邏輯。前仿真結(jié)果表明:中心頻率能夠?qū)崿F(xiàn)3-8.5GHz調(diào)節(jié)范圍,脈沖寬度0.117-1.2ns可調(diào),信號帶寬為1.13-4.31GHz,在5.8GHz處實(shí)現(xiàn)最大18.46dBm的瞬態(tài)發(fā)射功率,在10MHz重頻周期下,其功耗最低為51.7mW。測試結(jié)果表明:中心頻率能夠?qū)崿F(xiàn)3-5.7GHz調(diào)節(jié)范圍,脈沖寬度0.28-1.2ns可調(diào),信號帶寬為1.05-4.55GHz,在5.698GHz處實(shí)現(xiàn)最大17.46dBm的瞬態(tài)發(fā)射功率。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN958
【部分圖文】：

max圖3.9 高階網(wǎng)絡(luò)匹配示意圖圖3.10 高階匹配網(wǎng)絡(luò) S11仿真3.3.3 電阻負(fù)反饋技術(shù)負(fù)反饋技術(shù)自 1921 年被發(fā)現(xiàn)之后成為了模擬電路設(shè)計(jì)中廣泛使用的技術(shù)。負(fù)反饋技術(shù)能夠降低增益靈敏度，擴(kuò)展帶寬和改變輸入輸出端阻抗。其中，在射頻應(yīng)用中，負(fù)反饋技術(shù)對輸入輸出端阻抗的影響能夠?yàn)榉糯笃魈峁┢教沟脑鲆婧土己玫膶拵ヅ涮匦�。圖 3.11 顯示了利用電阻負(fù)反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)的超寬帶功率放大器[40]。該放大器使用

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文34圖4.6 脈沖產(chǎn)生邏輯不同工藝角仿真結(jié)果在本文中通過延時(shí)鏈邏輯產(chǎn)生窄脈沖與通過改變負(fù)載電容的方式一樣，都是通過改變輸出波形斜率改變延時(shí)。但是，輸出波形的抖動(dòng)性能與波形的過零點(diǎn)斜率成反比[44-45]，大的延時(shí)同時(shí)對應(yīng)較差的抖動(dòng)性能。脈沖信號產(chǎn)生電路主要由延時(shí)單元、反相器和邏輯門等電路構(gòu)成，其中延時(shí)單元電路決定了整個(gè)脈沖信號產(chǎn)生電路的噪聲性能，需要對其進(jìn)行詳細(xì)分析。圖 4.7 顯示了延時(shí)單元用于噪聲分析的原理框圖。其中，C 代表輸出節(jié)點(diǎn)寄生電容。當(dāng) Trigger 信號從低電平轉(zhuǎn)換為高電平時(shí)，M2管導(dǎo)通

(4-8)圖4.10 帶反饋電阻共源共柵級輸出 Gmax仿真結(jié)果同時(shí)，從圖 4.10 中可以看出，在引入反饋電阻的條件下，單級增益達(dá)到 12dB 左右為一個(gè)較為合理的值。此外，考慮片內(nèi)無源匹配網(wǎng)絡(luò)和失配造成的損耗，為實(shí)現(xiàn)20dB 左右的增益，放大器應(yīng)選擇兩級共源共柵結(jié)構(gòu)。圖 4.11 顯示了本次超寬帶功率放大器原理圖。M1M2M3M4RF1CF1RF2CF2L2L1L3C3C1C2VDDVDDVDDVDDVBIASVBIASR1XY圖4.11 本次設(shè)計(jì)超寬帶功率放大器原理圖4.4.2 功率輸出級為實(shí)現(xiàn) 12.5dBm 飽和輸出功率，在使用
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