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具有多通道传输功能的软件可控模块化射频信号发生器

Z. Shaw、W. Feilner、B. Esser、JC Dickens 和 AA Neuber

引自：Review of Scientific Instruments 88， 094706 （2017）;doi： 10.1063/1.5003037
由美国物理研究所出版

具有多通道传输功能的软件可控模块化射频信号发生器

Z. Shaw、W. Feilner、B. Esser、JC Dickens 和 AA Neuber德克萨斯理工大学脉冲功率和电力电子中心， 美国德克萨斯州拉伯克 79409

（2017年4月12日收稿;2017年9月1日录用;2017年9月25日在线发布）

抽象

讨论了一种产生和传输用户定义的射频信号的软件可控系统。该系统通过多个模块化发射通道实现，使用户能够轻松更换放大器或天线等部件。每个通道由一个数据码型发生器 （DPG）、一个数模转换器 （DAC）、一个功率放大器和一个发射天线组成。所有通道均通过主机PC进行控制，并通过外部时钟源提供给每个DAC的主时钟信号进行同步。要传输的信号通过PC上的DPG控制软件生成，也可以由用户在数值计算环境中创建。使用包含切比雪夫锥形 TEM 喇叭天线的双通道和四通道天线阵列讨论了三个实验。通过阵列中的每个天线传输不同的非周期性双极脉冲集，可以在自由空间中合成特定频率的正弦信号。与标准相控阵方法相反，每个天线辐射的信号截然不同，而不是相同的信号只是相移。所提出的方法可以用作依赖于接收天线位置的物理加密层。由AIP Publishing出版。https://doi.org/10.1063/1.5003037

一、引言

该系统由个人计算机（PC）控制，并正确安装了两个数字控制软件
DAC用于将来自DPG的数据向量合成为模拟信号，然后进行放大和传输。该系统采用DAC，通过LVDS/CMOS连接器直接连接到DPG的前面板。每个接口均为32位，LVDS和CMOS接口之间共用P线。DAC具有双端口LVDS接口，最高可达 .一个 对于第 IV 节中讨论的所有实验，都向 DAC 提供时钟源，而 DAC 又提供 通过 LVDS 连接到 DPG。DAC直接连接到时钟源 在 .对于多通道系统，Wilkinson功率分配器用于将时钟分成四个单独的信号。该 DAC 具有 14 位分辨率，能够进行 RF 信号合成，并具有 数据速率。如前所述，DAC可以产生高达1.4的模拟信号 在基带模式下，同时创建高达 在混合模式下。DAC 产生的模拟信号馈送到 Mini-Circuits ZFL-2500VH+ 功率放大器，提供 的放大。

三、系统天线

TEM喇叭天线用于传输系统产生的信号。这种端射天线以其超宽带特性而闻名，这是传输单个脉冲的先决条件。切比雪夫锥度被引入设计中，以产生具有小振幅的小波瓣，以实现固定的锥度长度。该天线的选择基于参考文献 8 中所示的理论结果。沿天线的阻抗可以用下式表示
哪里 是沿天线的位置。 沿天线长度的阻抗 归一化为巴伦的输出阻抗 .双 和 表示为
天线由同轴电缆供电，使用微带型巴伦从不平衡的同轴电缆过渡到平衡平行板。虽然两块板之间的距离保持不变，但上导电板和下接地板的宽度分别呈增加和减少的锥度。必须注意的是，巴伦输出端的板宽度应与TEM喇叭天线板宽度的宽度相匹配。沿巴伦的阻抗可以用下式计算
这适用于 .函数 是导电板的宽度，以及 是导电板和接地板之间的距离。
由于天线的导电结构是由薄壁铜形成的 厚度，聚苯乙烯泡沫塑料被用作喇叭内部的介电支撑材料（参见图3）。虽然这种材料的介电常数很小，与空气非常相似（ 大约 1.05），泡沫增强了天线的结构完整性，因为使用的铜箔不能独立站立。
图 2.左图：天线设计的顶视图。右图：天线设计的侧视图。所有单位均以毫米为单位。巴伦部分是关于 在长度上。
图 3.使用切比雪夫锥形和微带型巴伦构建TEM喇叭天线。用两个相同的天线间隔拍摄 分开。请注意，在所使用的设置中，接地反弹和/或多径的可能影响被认为是可以忽略不计的。在可用的测量精度范围内，当改变周围边界时，未观察到接收信号的变化。测试的变化包括以下内容：地板有和没有电磁吸收泡沫衬里，改变天线设置附近大型物体的距离。因此，我们得出结论，多径衰落（如果有的话）在足够低的功率水平下到达接收天线，对波形没有明显影响。为了求解单个天线的增益，应用了弗里斯传输方程，
图 4.
图 4. 以及完全构建的天线的增益。
由于超出本文范围的原因，天线增益在频率范围的低端和高端都很低。

四、实验结果

在下文中，描述了三个实验，这些实验传达了发射非周期信号的阵列的延迟移移如何影响固定接收天线的接收信号。

A. 双天线阵列

该系统的双通道版本是利用两个发射天线和接收天线实现的，发射天线和接收天线都位于离地高度相同，见图5。天线 T1 和 T2 由第 II 节中描述的数字驱动器馈送，将相同的脉冲序列发送到接收天线 位于发射阵列的视轴上。发射的脉冲序列具有每个双极脉冲间隔 中心到中心;图 6 的基线波形很好地表示了 T1 和 T2 分别传输的信号。回想一下，14 位 DAC 的分辨率具有 时钟源允许用户对脉冲进行时移 仅增量，将电气长度添加到将 T2 连接到系统的馈电电缆中，以实现更精细的分辨率。如参考文献 8 所预测的，接收到的信号形状和接收频率内容 差异很大，见图 6-8，因为添加了小的时间偏移。值得注意的是，只需将其中一个发射天线移近接收天线即可实现相同的效果。
使天线阵列保持在 ，见图8，其产生的主频含量为 在正向中横向移动 -方向，参见图 5，从基座开始。人们观察到接收到的信号的幅度和形状的显着变化 根据位置 x，参见图 9。

图 5.双天线阵列设置的顶视图，不按比例缩放。此设置中的所有天线都站在 -轴上 （在平面外）上离地。显示底座位置（R 位于瞄准器上;例如，相对于 和 居中。

图 8.与图7相同，天线之间的时间偏移为1.21 ns。

B. 四天线阵列


 时间 div）

 时间 div）
图 17.包含粒子群输出的实验波形。（a） 接收到的信号。（b） （a）的归一化频谱。（c） 单根天线的接收信号。（d） （c）的归一化频谱。

C. 使用四天线阵列进行信号合成

五、结语

使用一种新型时域物理层加密技术构建并测试了具有亚纳秒分辨率的模块化射频信号发生器。该系统能够创建由用户定义的周期性或非周期性信号，用于从表征原型组件到自由空间通信的应用。系统中可以集成多个单独的通道，以创建多种信号类型，同时由一台主机 PC 进行控制。因此，非周期信号构成了在大频率和振幅范围内合成信号的基础，即使使用非常有限的天线阵列尺寸也是如此。实验结果表明，以所需频率合成的信号具有小于1%的频率偏差。

确认

这项研究得到了办公室和海军研究部（ONR）的支持，合同编号为。N00014-13-1-0852 CFDA 编号 12.300 .

X. Liu、G. Wang 和 W. Wang，“具有低频补偿的 TEM 喇叭天线的设计与性能”，亚太环境电磁学会议，2003 年。CEEM 2003年。会议记录（IEEE，2003年）。