1、外文原文：http:/ Ultra-Wideband Sampling Down Converter With Sampling Phase Detector Alexander Reisenzahn, Student Member, IEEE, Stefan Matzinger, Thomas Buchegger, Student Member, IEEE, Sebastian Hantscher, Christian G. Diskus, Senior Member, IEEE A. Rei
2、senzahn, S. Matzinger, S. Hantscher, C. G. Diskus are with the Institute for Microelectronics at the Johannes Kepler University, Altenberger-Strasse 69, Linz, 4040, Austria, email: alexander.reisenzahnjku.at T. Buchegger is with the Linz Center of Competence in Mechatronics, Alten
3、berger-Strasse 69, Linz, 4040, Austria. 摘要：对于无损检测墙壁和公路结构方面，超宽带雷达是一个非常优秀的工具。因此经常使用上升下降时间在 100ps 范围内的陡峭窄脉冲。为了反射脉冲的数字化，就必须完成一个向下 频率 的转换。本文提出了一个利用相位取样检测器的采样下变频器，应用于超宽带雷达，设计新颖，成本低。 关键词：超宽带 相位取样检测器 采样下变频器 采样电路 一， 引言 超宽带 (UWB)脉冲雷达是个非常有吸引力的应用。由于短脉冲的持续时间，带来的
4、优点是较高测量范围下精度与范围的解决方案以及无源干扰和许多其他方面的免疫能力。其频谱从很低的频率开始延伸 到非常高的频率。美国联邦通信委员会（ FCC） 分配了从 3.1GHz 到10.6GHz 频率范围为 7.5GHz 的通信和雷达应用以及从 2GHz 到 10.6GHz 的穿墙成像，二者都可以自由使用【 1】。反射脉冲的形式决定目标信息。为了解析信号，就有必要进行模拟到数字的转换。目前在亚纳秒区域进行直接转换是不可能的。因此，采样下变频器是很必要的，这是用于采样示波器和雷达应用中的例子。所讨论的采样下变频器对于低成本 UWB 雷达应用应该是很有用处的，例如检测墙壁里面的隐藏夹杂物质。 &n
5、bsp;采样下变频器的工作原理解释如下。用发射机发送周期为 tPR 的脉冲。图 1 显示反射的脉冲。这些脉冲的持续时间 tPL 为几百皮秒。采样开始时间比周期延迟一点。这可以通过直接数字合成器 （ DDS） 给定一个高一点的频率（ fPR=30MHz， fSample=30.000001MHz）或者采样时钟来实现。 在每个反射脉冲中进行一次采样，通过所有的点标志出来。这所有积累起来的采样点就形成了转换脉冲。 图 1，采样原理 二， 相位取样检测器 在以前的出版物【 2】，【 3】中，采样下变频器已经建立好了转换的离散元素。在所给的电路中，相位取
6、样检测器就包含的所有必须的部分。到目前为止，相位取样 检测器作为 VCO锁相环的组成部分已经应用于 VHF,UHF 和微波范围的通信和雷达以及超宽带脉冲同步传输系统。相位取样检测器有一个阶跃恢复二极管 (SRD),两个电容和一对肖特基二极管组成，如图 2 所示。 图 2，相位取样检测器电路 这个 SRD 是一个拥有皮秒范围渡跃时间的特殊二极管。二极管正向导通时会贮存大量电荷，当电压迅速转为反向电压时，这些电荷会迅速返回原处，并产生高斯窄脉冲，脉冲上升时间与渡跃时间有关。因此输入信号进过 SRD 产生分部信号，并由电容分成不同的脉冲信号。这些脉冲作为取样脉冲耦合到肖特基
7、二极管，取 样过程开始。 SPD 的优点是电路设计的尽可能对称，这使得当肖特基二极管打开， RF-in 端的输入信号对电容 C 充电的时候，电容还可以作为保持电容。充电可以用电荷放大器检测，并实时反映输入信号的大小变化关系。有一点很重要，就是如果电路是对称的，将没有电荷从开关转移到电容上【 7】。 三，电路设计 图 3 展示了采样下变频器的原理结构，设备包括时钟信号源， LO 放大器，相位取样检测器， IF 放大器和继接收天线后面的 RF 放大器。在本文借手机中取样相位检测器选用Metelics 公司的 MSPD2018，其渡跃时间为 55ps，少子寿命 5ns，结电容
8、为 0.35pF。二极管截止时间 tStrobe 能由渡跃时间估算出来。采样带宽的计算公式规定如下（ 1）。 B=（ 350/tStrobe in ps） GHz=6.36GHz （ 1） 其内部的肖特基二极管工作频率可达 22GHz，势垒电压为 350mV。 图 3，超宽带雷达采样下变频器原理结构 在单端输出作为本地振荡器的定时单元（ 30.000001MHz 的正弦信号）被放大，并且被一个异相差分运算放大器转换为一个包含同步和 180 度反相的平衡信号。这里
9、变压器【 2】，【 3】或者混合交界 【 4】，【 5】的使用是没必要的，因为这里低频信号和 100ps 的非完整脉冲会被转换成微分信号。在这里 SPD 的应用中，如果本地振荡器没有产生阶跃脉冲，肖特基二极管就会无偏或者反向偏置来防止接收雷达信号的激励。在接收机天线接收到的雷达信号经过一个宽带低噪声放大器放大，然后通过一个 50 欧姆的微带线送入并联的 2 个肖特基二极管。此时与 RF 信号电压成一定比例关系采样脉冲电压可通过 IF 输出信号得到。这个电压信号通过一个保持放大电路滤波，放大，转换成一个单端信号。所得到的单端低频信号可以很容易的转换成数字信号进行信号分析。 四， 测量 为了产生雷达脉冲需要使用一个自制的 SRD 脉冲信号发生器。我们用安捷伦DCA86100B 采样示波器测量输出信号，如图 4 所示。脉冲宽度为 400ps（ 10%-10%）。脉冲频率为 30MHz，下变频器的采样频率为 30.000001MHz。测试出转换器衰减为 11 分贝。用Lecroy Wavemaster 8620A 示波器测量采样信号结果如图 5 所示。周期从 33ns 扩展到 1s。脉冲周期现在是 15ms。在 192ms， 230ms， 248ms 处由印制电路板（ FR-4 基质）噪声引起的开关脉冲（及其反射脉冲）都可以看到。
