无源短延时电路的设计与仿真

论文总字数：25424字

摘 要

超宽带（UWB）技术是一种新型的无线通信技术，它的传输速率高，而功耗较小。相邻天线之间的时间延迟差是相同的。每个通道都需要有一个可变真实时间延迟元件，来实现小的延迟分辨率和大的最大延迟设置。

本文的主要内容是针对3到10GHz频段设计一个无源短延时电路，从长号结构出发搭建电感电容延时电路网络，通过改变延时路径、电容大小、电感值大小的方法，调节无源延时线的延时时间。

最终实现了延时精度精确到6ps 左右，在超宽带内群延时变化小。但是长号结构也存在着选择较长延迟状态或频率更高时损耗过大的问题，所以这一结构更适用于1到15GHz的频段。

关键词：超宽带（UWB），延时线，电感电容网络，无源，群延时

The Design and Simulation of a passive short delay circuit

Abstract

Ultra-wideband (UWB) technology is a new wireless communications technology.It has high transfer rate, while the power consumption is lower.The time delay difference between all adjacent antennas is the same. Each channel requires a variable true time delay element with a small delay resolution and a large maximum delay setting.

The main content of this article is to design a passive short delay circuit for 3 to 10GHz band .Begin with the trombone structure.The delay circuit based on LC network, is to adjust the delay of the passive delay line ,by changing the delay path, the size of the capacitors and the size of the inductances.

The delay precision in the simulation is accurate to about 6ps and the small group delay variation in the ultra-wideband is achieved. One of the inherent drawbacks of the trombone structure is that the delay line loss increases as a longer delay state is selected or the frequency is increased.This trombone structure is more suitable for a 1–15 GHz TTD.

Key words:Ultra Wideband (UWB), delay lines, LC network, passive, group delay

目 录

摘要 ………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………………Ⅱ

第一章 绪论…………………………………………………………………………………1

1.1 引言 ………………………………………………………………………………1

1.2 超宽带（UWB）技术相关知识原理介绍…………………………………………1

1.2.1超宽带（UWB）技术特点 ……………………………………………1

1.2.2超宽带（UWB）技术的应用 ……………………………………………2

第二章 延时线相关现行研究………………………………………………………………5

2.1 延时线性能分析 …………………………………………………………………6

2.2 延时线设计 ………………………………………………………………………7

2.3 延时线硬件架构 ………………………………………………………………9

第三章 电路设计及仿真 …………………………………………………………………13

3.1 设计电路 ……………………………………………………………………13

3.1.1电路结构研究 …………………………………………………………13

3.1.2电路结构选择 …………………………………………………………15

3.2 仿真参数测定 ………………………………………………………………19

结论 ………………………………………………………………………………………25

致谢 ………………………………………………………………………………………27

参考文献（References） …………………………………………………………………29

1. 绪 论

1.1 引言

由于本文主要针对3到10GHz频段设计一个无源短延时电路，所以接下来绪论部分介绍超宽带（UWB）技术的相关特点应用，以及延迟线的相关原理及其应用内容。

1.2 超宽带（UWB）技术相关知识原理介绍

超宽带（UWB）技术是一种新型的无线通信技术，它的传输速率高，而功耗较小。超宽带（UWB）技术从原先的军事领域慢慢地应用到民用领域之中。在某些对功耗和定位精度要求非常高的领域之中，例如在安全系统、无线传感器网络、家庭自动化、医疗监护等低速连接市场，超宽带（UWB）技术具有很大的优势。超宽带（UWB）技术在有关于传统的无线通信技术上解决了传播方面的问题，还有诸如发射信号功率谱密度低、对信道衰落不敏感、系统复杂度低、低截获能力和能提供精确度到数厘米的定位精度等各种特性以及优点。

1.2.1超宽带（UWB）技术特点

超宽带（UWB）是一种新型的无线通信技术，它具有高带宽、低功耗，并且结构相对而言较为简单，它将会把接口卡和接入技术提供给无线局域网LAN和个人局域网PAN。超宽带（UWB）作为新型的一种无线通信技术具有如下的一些特点：

超宽带（UWB）技术第一个特点是传输速率相比于其他通信技术很高，超宽带（UWB）技术使用超级宽频带，能够达到千兆赫兹。在发送信号功率谱的密度相对较低的情况下，超宽带（UWB）技术还能够确保信息传输速率维持在一个较高的速率上。超宽带（UWB）的数据传输速率能够到达上百兆每秒（例如480Mbit/s），相当于蓝牙速率的100倍，而且还可以比IEEE 802.11a以及IEEE 802.11b的速率更高。

通信距离短，由于信号传输会被距离所影响，并且高频信号的强度会相应地衰减非常快，超宽带（UWB）通信的距离也会相应地缩短，所以综上超宽带（UWB）会更加适用于短距离的通信之中。

发射功率低，从理论上而言，在短一些较短距离的通信应用中，超宽带（UWB）发射机的发射功率一般可以限制到1mW以下，超宽带（UWB）信号发出的干扰只会类似于一宽带的白噪声。这一特性将会利于超宽带（UWB）与其他窄带通信的共存，之间的干扰很小，这个特性能够很大地提升无线频谱的利用率，并且也能够缓解现如今无线通信之中无线频谱资源越来越紧张的问题。超宽带（UWB）信号还有较强的隐蔽性，很难被发现和被拦截，所以超宽带（UWB）在保密性方面的性能也非常的良好。

多径分辨率极高，超宽带（UWB）技术运用持续时间非常短的窄脉冲，因此它的分辨率在时间和空间两个方面都表现很好，可以方便定位、测距、跟踪等等的应用，而且相比而言窄脉冲在穿透性方面表现也非常良好，这个特性使得超宽带（UWB）技术也能够应用于红外通信等等。

超宽带（UWB）无线通信技术还具有便携性，当使用此技术进行基带传输时，不需要进行射频调制和解调，所以相对而言功耗都成本都会较低，而且使用起来也特别灵活，很适用于便携型的无线通信。

1.2.2超宽带（UWB）技术的应用

超宽带（UWB：Ultra-wideband）技术是一种新型的无线通信技术。这种技术能够对有很陡的上升以及下降时间的冲激脉冲来进行直接调制，使信号的带宽能够具有GHz量级，这种技术可以在脉冲雷达中、无线传感网络以及成像系统中应用。在时间域内，超短脉冲通过传播一个宽的带宽频谱,因此可以提高雷达以及成像系统的空间分辨率。FCC（美国）和ETSI（欧洲）为短程雷达和成像的应用程序分配了几个超宽频频率谱,包括3.1GHz到10.6 GHz的频段和22GHz到29GHz的频段。由于瞬间的宽频带产生高通道容量，UWB在毫米波频带上也有益于高速无线通信。

因为超宽带（UWB）通信采用了相当宽的带宽，好像使用了整个频谱，因此超宽带得以和其他的应用能够共存，所以超宽带（UWB）可以在现实中的很多领域得到应用，例如在个人局域网、智能交通信息系统、无线传感网，以及成像应用等等。

1.2.2.1、超宽带（UWB）在个人局域网中的应用

超宽带（UWB）技术能够在一个范围内以一个较高的数据传输速率（480Mbit/s）、而通过较低的功率（200μW）传输信息。蓝牙的数据速率是1 Mbit/s，功率是1mW，超宽带（UWB）技术与蓝牙相比较而言有更好的性能。超宽带（UWB）还能够像蓝牙传输技术那样，通过外设的访问，来传输各种文件、视频、音乐等等，所以超宽带（UWB）在个人局域网中有很好的应用前景。利用超宽带（UWB），在家庭环境或者是办公室环境中，可以将所需的视频内容下载到PC端进行编辑，然后再传输到TV端进行观看，能够很好地将各个端口进行无线连接。还可以将手机数据和PC端的数据进行同步，同步游戏、音乐以及视频文件等，通过便捷的传输方式达到PDA个人数字助理。

1.2.2.2、超宽带（UWB）在智能交通信息中的应用

超宽带（UWB）技术也具有定位以及搜索的能力，以这种能力为基础，可以用来制作防障碍物的雷达。这种雷达应用于交通之中，装载在汽车上，可以有效地规避障碍物。汽车的周围遭遇障碍物时，雷达便会对司机进行提示。同时，汽车进行停驶时，这种雷达也能够帮助汽车进行精准地停放。智能交通系统也可以利用超宽带（UWB）进行综合管理，站台装置和车载装置相结合，可以智能地实现交通功能。在不停车的情况下进行对汽车方进行收费、随时对汽车方进行定位测量、获取道路信息和驾驶路线、测量正在行径的汽车速度等等。

1.2.2.3、超宽带（UWB）在传感器联网中的应用

超宽带（UWB）技术功耗较低，传输速率高，所以也可以应用于传感器联网。传感器在很多情形下，应用在一个局域网。传感器使用无线传输的方式会比原先使用有线传输更加有效和方便。超宽带（UWB）应用在传感器网络中，不仅传输速率非常高，而且功耗很低，这样可以避免电池的损耗而频繁更换。超宽带（UWB）技术非常适用于无线通信领域。

1.2.2.4、成像应用

超宽带（UWB）技术具有很好的穿墙能力，所以超宽带（UWB）也可以通过这个特性应用于成像系统。超宽带（UWB）技术还能够被用来制作穿墙雷达和穿透雷达，警察的防暴行动中或者是在战场上，穿墙雷达能够用来对墙后和角落的敌方目标进行定位功能；而在地震等地址灾害以及其他灾难发生之后，可以使用穿透雷达来搜寻幸存者，同时穿透雷达也可以用来探测矿产。超宽带（UWB）还可以应用于医学上的成像系统，从而代替传统X光，减少对人身体的损害。

超宽带（UWB）技术由于他特有的性能，还可应用于智能标识、有线网络的无线延伸、军事方面的超保密的通信系统等等。

第二章 延迟线相关现行研究

超宽带（UWB）技术具有功耗较低，能够抗多径衰落、结构相对不复杂，能够与其他通信系统共存，隐蔽性好等等其他的一些优势得以成为在短距离无线通信中一个理想的接入技术。超宽带（UWB）系统在传统的接收机中使用RAKE接受，来达到多径分集的目的。但是超宽带（UWB）系统的信号持续的时间仅仅为ns级别，使用RAKE接收会导致如下的一些缺陷：第一，要精确地估计出每条电路的信道参数非常困难；第二，延迟抽头的选择问题，数量多了，电路过于复杂，成果过高，而数目过少则会影响接受信号能量不足，影响性能，所以要综合地考虑延迟抽头的数目，从成本、复杂度以及性能几个方面做一个均衡的考量。传输参考接收机具有较为简单的接收机结构，以及在性能表现方面更加良好。上世纪五十年代已经有人提出了TR信号进行传输的方式，在2002年时，Hoctor和Tomlison把TR信号引进了超宽带（UWB）系统之中，基于延迟跳时，提出了一种TR-UWB的接收机结构。TR-UWB电路系统在传输信号时，第一个脉冲为参考脉冲，第二个脉冲为信息脉冲，每一帧信号发送一个脉冲对，发送的数据通过两个脉冲之间的相位差来判断，从而接收机进行解调。这种接收机从本质上来说其实是一种自相关的接收机，因为它不需要一个复杂的信道估计就能够获取所有的信号能量，而且在时间同步方面不需要过于精确，从而使得接收机的架构得到了简化，并且使整个系统的复杂程度得以降低。然而这个系统还存在着一些缺陷，因为需要有一半的脉冲来作为参考信号，所以数据的传输速率相比而言只有二分之一，因为参考信号的噪声因素，系统的检测性能也会有所降低。后来大量的学者为了提高系统的性能从而做出了大量的研究，提出了各种修改意见个改进的版本，在这些不同的方案中几乎无一例外地使用了超宽带延迟线这一模块。

观察TR-UWB的信号格式，需要在接收端将参考脉冲通过使用延迟线延迟半个帧长后再与信号脉冲对齐，之后再对信号进行相关解调。延迟线在理想的条件下最好具有精确的半帧的延迟量，而且对应的输入信号不能发生畸变。简而言之，在系统频带内，延迟线的幅频特性理论上恒为l，群延迟响应应该恒为一个常数，并且常数的值要精确地等于TR-UWB发送信号帧长的二分之一。然而理论上的研究与实际情况不同，不仅是幅频特性，而且群延迟响应的畸变都会产生性能上一定的衰减，在实际情况中，虽然群延时的波动很小，都还是有可能产生严重的误码率，所以在设计时为了减小这些负面作用，延迟线这一模块起到了至关重要的作用。TR-UWB系统的延迟线因为一定要有超宽带特性，如果从幅频特性的角度来看，从根本上说其实延迟线是属于滤波器的一个范畴之内的，具体相关设计时能够参照超宽带（UWB）滤波器的一些标准。然而从现状来看还没有延迟线对应的不理想群延迟响应对应于TR-UWB系统各方面性能产生各种影响的一些研究，就是还缺少在给定的一定信噪比的情况下，一些群延迟响应畸变对应于系统BER性能影响的定量的分析。除此之外，实现在超宽带频段下延迟线达到长延迟量一直以来都十分困难，超宽带（UWB）延迟线几乎很难以达到几十纳秒级的这样一个延迟量级，所以目前针对超宽带（UWB）延迟线的硬件研究具有十分重要的意义。

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