基于实时可重构射频前端的新型脉冲无线收发体系结构研究

传统的射频无线系统采用频域设计方法，在给定频率范围和输入功率条件下，将天线和射频前端电路作为线性时不变单元加以分析和设计，理论上系统性能存在增益-带宽限制，导致了宽带脉冲无线系统设计和实现上的许多困难。本项目针对宽带脉冲信号可供利用的时域特性（如脉冲宽度和波形已知或可预测），将实时电路重构的概念引入射频收发前端设计，采用线性时变匹配设计，以提高脉冲收发效率，降低系统成本和功耗。围绕这一思想，本项目将建立适用于实时可重构射频前端的时变网络分析理论和模型，研究通过预设初始条件、实时重构匹配网络等手段突破电小天线辐射效率的限制，探索接收端实时重构以实现脉冲同步、信号检测和输出信噪比优化的方法。本项目的研究将建立射频前端实时可重构的新型脉冲无线收发体系结构，为实现低成本、低功耗和低复杂度的脉冲无线电系统及其应用开辟新的技术途径。

脉冲无线电系统在短距离通信、雷达检测、定位测距等领域有着十分广泛的应用。然而，短时脉冲信号的宽带特性对射频前端和天线设计构成了很大的挑战。通常而言，短时脉冲信号的成功收发要求射频系统具备足够的带宽以及频带范围内线性的相位特性。而传统的射频无线系统频域设计方法将天线和射频前端电路作为线性时不变单元加以分析和设计，理论上系统性能存在增益-带宽限制，导致了宽带脉冲无线系统设计和实现上的许多困难；尤其在需要采用电小天线以满足越来越多电子设备小型化需求的情况下，增益-带宽的矛盾更为突出。. 本项目针对宽带脉冲信号可供利用的时域特性以及电小天线的输入阻抗和辐射特性，在射频收发前端引入将实时重构的概念，通过电小天线等效电路建模，实现射频前端电路和电小天线一体化设计和仿真，从时域的角度突破了高Q值系统和电小天线带宽限制，提高脉冲收发效率，降低系统成本和功耗。围绕这一思想，本项目研究实现了两种新型脉冲无线电射频前端和电小天线一体化设计，包括一种开关控制共振耦合生成和发射脉冲技术和一种基于超再生式体系结构的电小天线收发脉冲技术，具体研究工作和成果如下：. 1. 提出了一种通过双谐振电路的共振耦合生成脉冲信号的方法，通过适当的共振耦合和开关控制设计可以产生较为理想的高斯脉冲波形，从而形成了一种低成本、低复杂度的脉冲生成方法；.2. 在上述方法基础上，利用电小天线的高Q值和高电抗特性，将电小天线作为谐振回路的一部分，形成了一种基于共振耦合的电小天线发射脉冲信号方法，为脉冲无线电天线小型化提供了一种有效实现途径；.3. 利用电小天线阻抗和辐射特点，研究了电小天线的等效电路建模方法，证实在时域仿真设计中利用等效电路模型代替天线可以实现射频前端电路与天线一体化设计与仿真；.4. 提出并设计了一种基于超再生式电路的电小天线接收和发射脉冲技术，将电小天线作为超再生电路中开关控制LC振荡回路的一部分，通过天线等效电路建模，一体化设计有源振荡电路与电小天线，形成了一种低成本、小型化的超再生式脉冲信号收发技术方案；.5. 结合电小天线等效电路模型的特点，通过建立自由空间传播损耗的等效电路模型，实现了脉冲信号收发系统性能的时域联合仿真。在此基础上设计完成了基于超再生式体系结构的电小天线收发脉冲实验演示，结果表明，本项目提出的技术方案能够成功的应用于开关键控（OOK）等调制方式下的脉冲无线通信。