一种脉冲无线电信号产生和发射系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开一种脉冲无线电信号产生和发射系统，包括数字控制后端、第一开关、第二开关、激励单元、初级谐振单元、耦合单元和次级谐振单元，次级谐振单元包含天线单元，数字控制后端通过第一开关与激励单元相连，数字控制后端通过第二开关与耦合单元相连，激励单元初级谐振单元、耦合单元和次级谐振单元依次电性相连，数字控制后端控制第一开关和第二开关的通断使系统在隔离状态和耦合状态下进行切换工作，实现脉冲信号的发射；本发明还公开了所述脉冲无线电信号产生和发射系统的控制方法。本发明无需复杂的半导体电子器件和电路，降低了系统功耗和系统复杂度，电路简单，构思巧妙，值得推广应用。
【专利说明】一种脉冲无线电信号产生和发射系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于脉冲无线电领域，特别涉及一种脉冲无线电信号产生和发射系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]脉冲无线电技术具有系统结构简单、成本低、功耗低等一系列独特的优点，在雷达探测、近距离无线通信、无线传感以及射频识别等领域有诸多应用。脉冲无线电技术的应用场景对成本、功耗和体积都较为敏感，所以系统的低功耗、低复杂度及小型化一直是工业界和学术界的研究热点。
[0003]目前脉冲信号生成的方法主要有两大类:光电方法和电子方法。光电方法可以得到皮秒(PS)级宽度的脉冲，并且一致性好，但转换效率低，目前还未能进入实用阶段。电子方法利用半导体PN结反向雪崩良性击穿特性以及高速数字组合逻辑电路产生Ins以下超宽带脉冲，因其电路结构较为简单而得到广泛的研究与应用。电子方法主要又可以分三种:第一种是利用高速CMOS逻辑门电路的竞争现象产生UWB脉冲，这种方式能产生近似各阶微分高斯脉冲，但输出脉冲幅度低，通常为几百mV，电路静态功耗较大。第二种是传统的基于BJT的雪崩击穿导通控制电容放电形成UWB脉冲。这类脉冲发生器输出脉冲幅度大、电路静态功耗接近零、脉冲宽度小且容易控制，但一般只能产生近似高斯脉冲，且频谱直流分量大，需要经过严格的波形成型才能符合FCC辐射掩蔽标准。第三种是利用各种高速电子器件，如隧道二极管、阶跃恢复二极管、脉冲放电管、砷化稼场效应管逻辑电路等集成电路。电子方法所设计的脉冲发生器电路结构都较为复杂，集成化有着一定的困难。对于系统小型化的要求，将电小天线合理应用于脉冲发射系统也一直是一个研究趋势。电小天线指天线尺寸远小于波长的天线，其特点是辐射电阻小、输入电抗高、辐射效率低、方向性弱、结构简单、其性能对其结构不敏感。电小天线的传输函数是类似线性的，这一点符合时域脉冲波形不失真的要求，但因辐射电阻小，辐射效率很低，通常很难应用于脉冲信号的发送，这也是本发明着力解决的问题之一。
在体系结构上，传统的脉冲发射系统是由脉冲发生、整形、放大和发射天线等多个单元级联而成，所以设计过程中需要对各部分进行单独设计与调试，增加了设计实现的复杂度。例如，针对高速率通信的应用，通常需要采用脉冲整形、混频调制、宽带功放等多个单元，功耗和成本较大。针对低速率应用，可采用基于传输线延时的脉冲综合技术产生脉冲，成本和功耗较低，但对延时单元的精确度有较高要求，设计实现较为复杂。
【发明内容】
[0004]本发明针对【背景技术】的缺陷，提出了一种脉冲无线电信号产生和发射系统及其控制方法，无需复杂的半导体电子器件和电路，通过开关协调各单元之间的工作，产生和发射脉冲无线电信号，降低了系统功耗和系统复杂度，电路简单，构思巧妙，值得推广应用。
[0005]为了解决上述问题，本发明的技术方案如下； 一种脉冲无线电信号产生和发射系统，包括数字控制后端、第一开关、第二开关、激励单元、初级谐振单元、耦合单元和次级谐振单元，次级谐振单元包含天线单元，激励单元、第一开关、初级谐振单元、第二开关、耦合单元和次级谐振单元依次电性相连，数字控制后端分别与第一开关和第二开关连接，并控制其通断。
[0006]本发明还公开了所述脉冲无线电信号产生和发射系统的控制方法，具体如下:在数字控制后端的控制下，通过第一、第二开关控制系统在隔离状态和耦合状态这两种工作状态下进行切换工作:
隔离状态:数字控制后端控制第一开关闭合和第二开关断开，激励单元与初级谐振单元连通，激励单元提供给初级谐振单元非零储能，次级谐振单元储能为零，初级谐振单元与次级谐振单元之间没有能量交换；
耦合状态:数字控制后端控制第一开关断开和第二开关闭合，激励单元与初级谐振单元断开连接，耦合单元工作，初级谐振单元和次级谐振单元的储能来回交换，初级谐振单元储能达到最大时，次级谐振单元储能达到最小，当初级谐振单元储能最小时，次级谐振单元储能达到最大，在此过程中形成脉冲信号发射；
脉冲信号发射后，剩余的能量转移至初级谐振单元，此时，数字控制后端控制第二开关断开，关断耦合单元，切换到隔离状态，完成脉冲信号的发射过程。
[0007]作为本发明的进一步优化方案，所述的激励单元采用直流电压源或者单频正弦激励。
[0008]作为本发明的进一步优化方案，所述的耦合单元采用LC并联支路、小孔或者微带线耦合方式。
[0009]作为本发明的进一步优化方案，所述的初级谐振单元和次级谐振单元采用互感线圈、金属、介质或传输线谐振腔。
[0010]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
第一、本发明与传统的脉冲无线发射体系结构相比，可大幅度降低系统复杂度；
第二、本发明的脉冲生成无需复杂的半导体器件，通过谐振耦合重复利用谐振单元存储能量，实现低功耗设计；
第三、系统设计无需考虑独立设计各单元之间的匹配，无专门的变频、调制等模块，可降低设计和制作成本；
第四、本发明通过对谐振单元及耦合单元的实时开关控制实现对脉冲宽度、脉冲幅度和脉冲的重复频率调控，与数字基带系统接口设计简单，无需专门的数字-模拟转换(ADC)电路，易于实现发射机系统的数字化。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的电路示意图。
[0012]图2 (a)是本发明的第一实施例示意图。
[0013]图2 (b)是本发明的第一实施例工作时的典型波形示意图。
[0014]图3是本发明的第二实施例示意图。
[0015]图4 (a)是本发明的第三实施例示意图。
[0016]图4 (b)是本发明的第三实施例的波形示意图。【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
一种脉冲无线电信号产生和发射系统及其控制方法，如图1所示，包括数字控制后端、第一开关、第二开关、激励单元S1、初级谐振单元S2、耦合单元S3和次级谐振单元S4，激励单元S1、初级谐振单元S2、耦合单元S3和次级谐振单元S4依次电性相连，激励单元SI由数字控制后端通过第一开关控制，为初级谐振单元S2提供谐振储能；数字控制后端通过第二开关与耦合单元S3相连，次级谐振单元S4包含高Q值的天线单元，用以发射脉冲。
[0018]本发明的技术方案中，由数字控制后端提供第一、二开关的控制信号，通过开关控制系统在两种工作状态之间切换，即:
隔离状态:数字控制后端控制第一开关闭合，第二开关断开，耦合单元S3不工作，初级谐振单元S2与次级谐振单元S4之间没有能量交换。第一开关连通激励单元SI与初级谐振单元S2，激励单元SI提供给初级谐振单元S2非零储能，次级谐振单元S4储能为零。
[0019]耦合状态:数字控制后端控制第一开关断开和第二开关闭合，激励单元SI与初级谐振单元S2连通，第二开关闭合，启动耦合单元S3工作，初级谐振单元S2和次级谐振单元S4的储能来回交换,初级谐振单元S2储能达到最大时,次级谐振单元S4储能达到最小，当初级谐振单元S2储能最小时，次级谐振单元S4储能达到最大，在此过程中形成脉冲信号发射。
[0020]脉冲信号发射后，剩余的能量转移至初级谐振单元S2，第二开关关断耦合单元S3，切换到隔离状态，则脉冲信号发射完毕。
[0021]本发明中脉冲信号起始于系统由隔离状态切换至耦合状态的时刻切换后(h时刻以后)，初级谐振单元S2存储的能量通过S3耦合至次级谐振单元S4，其中部分能量经S4中的天线单元向外辐射，形成近似高斯包络的脉冲信号发射。脉冲信号结束于次级谐振单元S4储能最小时刻h，在此时刻，系统回到隔离状态，次级谐振单元S4停止谐振，天线单元停止发射脉冲。由于部分能量经天线单元辐射损耗，初级谐振单元S2在^时刻的储能小于h时刻。损失的能量由激励单元SI提供补充，h时刻之后的一段时间为储能恢复期，期间初级谐振单元S2储能恢复至h时刻的初始储能，为下一个脉冲信号的生成和发射做准备。本发明通过控制开关切换的频率控制脉冲信号的重复频率。通过调控激励单元SI和初级谐振单元S2的谐振频率，可以调节脉冲信号的中心频率。通过调控耦合单元的耦合强度可控制谐激励单元SI和初级谐振单元S2之间能量交换的速度，从而实现对脉冲宽度的控制。
[0022]图2(a)所示为本发明实施例1。激励单元SI为直流电压源Vio初级谐振单元S2由一个简单的LC谐振电路构成，次级谐振单元S4由电小天线与匹配电路构成，匹配电路可以采用匹配电容或者匹配电感。耦合单元S2由弱耦合的互感线圈实现。开关闭合，SP图2(a)所示，端口 I闭合时，直流电压源为电容Cs充电。h时刻，开关打到初级谐振单元2端口，初级谐振电路产生谐振，天线辐射脉冲波形，一个脉冲结束后U1时刻)，能量基本耦合回到电容Cs，第一开关再次闭合I端口，直流源为电容Cs充电，补充辐射损失的能量，同时与系统其他部分隔尚。
[0023]图2(b)所示为实施例1工作时的典型波形示意图，其中实线代表电容Cs上的电压波形。在h时刻之前，电容Cs上的电压稳定且与直流电压源输出电压相等。h时刻，开关在数字控制后端的控制下改变状态，从I端口打到2端口，电容Cs与电感Ls谐振并通过互感与次级谐振单元交换能量，部分能量形成天线辐射脉冲。直至^时刻，开关再次改变状态，从2端口打到I端口，剩余能量回到电容Cs，直流源对电容Cs充电恢复其能量存储，经过一段时间，储能恢复至脉冲发射之前的初始状态。图中虚线代表天线辐射的脉冲信号波形。
[0024]图3所示实施例2与例I基本相同，区别在于耦合单元S2的实现采用的是一个LC并联支路，可通过调节电感L。和电容C。的值调控耦合大小，进而调控脉冲宽度。图4(a)所示实施例3中，激励单元SI采用单频正弦信号实现，该激励的频率与初级谐振单元S2、次级谐振单元S4相同。开关在数字控制后端的控制下，连接至I端口时，系统进入耦合状态，激励单元与电路其余部分断开，初级谐振单元S2的储能耦合至次级谐振单元S4，同时天线辐射脉冲信号。开关连接至2端口时，耦合单元S3被短路，系统进入隔离状态，初级谐振单元S2与次级谐振单元S4被隔离，此时天线不辐射脉冲。初级谐振单元S2因脉冲辐射损失的能量在储能恢复期间从激励单元获得补充。
[0025]图4(b)所示为实施例3工作时的典型波形示意图。其中实线代表初级谐振单元S2中电容Cs上的电压波形，虚线代表天线辐射的脉冲信号波形。
[0026]需要说明，上述描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。例如，初级谐振单元S2、次级谐振单元S4也可以采用金属、介质或传输线谐振腔实现，耦合单元S3可以采用小孔、微带`线等耦合方式。
【权利要求】
1.一种脉冲无线电信号产生和发射系统，其特征在于:包括数字控制后端、第一开关、第二开关、激励单元、初级谐振单元、耦合单元、次级谐振单元和天线单元，次级谐振单元和天线单元相连接，激励单元、第一开关、初级谐振单元、第二开关、耦合单元和次级谐振单元依次电性相连，数字控制后端分别与第一开关和第二开关连接，并控制其通断。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲无线电信号产生和发射系统，其特征在于:所述的激励单元采用直流电压源或者单频正弦激励。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲无线电信号产生和发射系统，其特征在于:所述的耦合单元采用LC并联支路、小孔或者微带线耦合方式。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲无线电信号产生和发射系统，其特征在于:所述的初级谐振单元和次级谐振单元采用互感线圈、金属、介质或传输线谐振腔。
5.基于权利要求1所述的一种脉冲无线电信号产生和发射系统的控制方法，其特征在于: 在数字控制后端的控制下，通过第一、第二开关控制系统在隔离状态和耦合状态这两种工作状态下进行切换工作: 隔离状态:数字控制后端控制第一开关闭合和第二开关断开，激励单元与初级谐振单元连通，激励单元提供给初级谐振单元非零储能，次级谐振单元储能为零，初级谐振单元与次级谐振单元之间没有能量交换； 耦合状态:数字控制后端控制第一开关断开和第二开关闭合，激励单元与初级谐振单元断开连接，耦合单元工作，初级谐振单元和次级谐振单元的储能来回交换，初级谐振单元储能达到最大时，次级谐振单元储能达到最小，当初级谐振单元储能最小时，次级谐振单元储能达到最大，在此过程中形成脉冲信号发射； 脉冲信号发射后，剩余的能量转移至初级谐振单元，此时，数字控制后端控制第二开关断开，关断耦合单元，切换到隔离状态，完成脉冲信号的发射过程。
【文档编号】H03K3/017GK103532524SQ201310447644
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】王薪, 方黎 申请人:南京航空航天大学