超寬帶(Ultra-Wide Band,UWB)技術在短距離高速無線通信、探地雷達、穿墻成像和醫(yī)療成像等領域具有廣泛應用。其中超寬帶脈沖雷達系統(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域具有獨特的優(yōu)勢,并且相比于傳統(tǒng)的連續(xù)波雷達具有更強的多徑分辨能力,更高的定位精度和更低的功耗。目前,結合CMOS工藝低成本和低功耗特性,單片脈沖雷達系統(tǒng)的研究主要集中于短距離室內(nèi)定位和姿態(tài)識別等應用。然而,為實現(xiàn)穿透探測應用,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發(fā)射前端系統(tǒng)的關鍵模塊,對其功耗和性能進行研究具有重要意義。論文首先對超寬帶脈沖雷達系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行介紹。然后闡述了超寬帶脈沖雷達系統(tǒng)整體架構和工作原理,以及目前單片超寬帶脈沖雷達系統(tǒng)廣泛采用的等效時間采樣的量化方法。對比分析了常用超寬帶脈沖波形的時域波形、頻譜圖和電路實現(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雜度、功耗和面積。同時,針對功率放大器功耗較大的缺點,結合超寬帶脈沖雷達工作原理,對功率放大器引入新型的開關控制邏輯,在不影響功率放大器性能條件下,使其只在脈沖發(fā)射時間內(nèi)導通,顯著降低整體系統(tǒng)平均功耗。本文首先采用TSMC 65nm 1P9M 1.2V標準CMOS工藝實現(xiàn)了3-10GHz超寬帶脈沖雷達發(fā)射前端。前仿真結果表明:中心頻率能夠實現(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、引線電感和PCB的影響,測試結果表明:中心頻率能夠實現(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用,基于TSMC 65nm 1P9M 1.2V標準CMOS工藝實現(xiàn)了4-6GHz超寬帶脈沖雷達發(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)化的開關邏輯。前仿真結果表明:中心頻率能夠實現(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。測試結果表明:中心頻率能夠實現(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處實現(xiàn)最大17.46dBm的瞬態(tài)發(fā)射功率。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN958
【部分圖文】：

max圖3.9 高階網(wǎng)絡匹配示意圖圖3.10 高階匹配網(wǎng)絡 S11仿真3.3.3 電阻負反饋技術負反饋技術自 1921 年被發(fā)現(xiàn)之后成為了模擬電路設計中廣泛使用的技術。負反饋技術能夠降低增益靈敏度，擴展帶寬和改變輸入輸出端阻抗。其中，在射頻應用中，負反饋技術對輸入輸出端阻抗的影響能夠為放大器提供平坦的增益和良好的寬帶匹配特性。圖 3.11 顯示了利用電阻負反饋技術實現(xiàn)的超寬帶功率放大器[40]。該放大器使用

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

(4-8)圖4.10 帶反饋電阻共源共柵級輸出 Gmax仿真結果同時，從圖 4.10 中可以看出，在引入反饋電阻的條件下，單級增益達到 12dB 左右為一個較為合理的值。此外，考慮片內(nèi)無源匹配網(wǎng)絡和失配造成的損耗，為實現(xiàn)20dB 左右的增益，放大器應選擇兩級共源共柵結構。圖 4.11 顯示了本次超寬帶功率放大器原理圖。M1M2M3M4RF1CF1RF2CF2L2L1L3C3C1C2VDDVDDVDDVDDVBIASVBIASR1XY圖4.11 本次設計超寬帶功率放大器原理圖4.4.2 功率輸出級為實現(xiàn) 12.5dBm 飽和輸出功率，在使用
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本文編號：2889898