1 、引言

超寬帶(Ultra Wideband-簡(jiǎn)稱UWB)技術(shù)是一種利用ns 級(jí)寬度極窄脈沖作載體的無線傳輸技術(shù)，其射頻(RF)傳輸帶寬通常超過1GHz。因此，這種超寬帶傳輸方式相對(duì)常規(guī)窄帶傳輸方式有低功率譜、低截獲、抗干擾能力強(qiáng)、可高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，用途非常廣泛，在精確定位、雷達(dá)、無線檢測(cè)、無線通信等諸多方面都有重要應(yīng)用。

UWB 技術(shù)在短距離高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用上雖然優(yōu)勢(shì)明顯。

然而無論是單脈沖UWB 信號(hào)還是多脈沖UWB 信號(hào)，其發(fā)射功率強(qiáng)度有限， 不能很好的抵抗突發(fā)脈沖的干擾和有效的遠(yuǎn)距離通信。為了實(shí)現(xiàn)有效的通信和適應(yīng)在某些特殊應(yīng)用的場(chǎng)合，比如軍事，礦井通信，電磁環(huán)境惡劣情況下通信等等，這時(shí)需要突破FCC 關(guān)于UWB 信號(hào)強(qiáng)度規(guī)范的限制，提高UWB 信號(hào)的發(fā)射功率，滿足系統(tǒng)特定的通信要求。這就需要在UWB 發(fā)射機(jī)加置功率放大器來有效放大UWB 信號(hào)。

2 、UWB 高速(100M)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

UWB 短距離高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從PC (個(gè)人計(jì)算機(jī))到PC 的10m 范圍內(nèi)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其發(fā)射部分簡(jiǎn)化框圖結(jié)構(gòu)如圖1 所示:

PC 機(jī)上的待傳輸數(shù)據(jù)通過USB 接口電路傳送到基帶處理電路，經(jīng)過卷積，交織，編幀，調(diào)制等一系列處理后產(chǎn)生100Mbps的基帶碼元信號(hào)， 此基帶碼元信號(hào)用以控制射頻發(fā)射機(jī)的振蕩器工作狀態(tài)，從而產(chǎn)生高速的UWB 信號(hào)，這樣產(chǎn)生的UWB 信號(hào)為高斯包絡(luò)正余弦脈沖，它的時(shí)域表達(dá)式為式(1)所示:

振蕩器產(chǎn)生的UWB 信號(hào)可以滿足一般情況下的高速(100M)數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離一般為3m，但為了滿足特定情況下的通信需要或增加傳輸距離，就需要在振蕩器后加置功率放大器來有效放大UWB 信號(hào)，加置功放后的最大傳輸距離可以達(dá)到10m。

3 UWB 功率放大器的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

微波單片集成電路(MMIC)是用半導(dǎo)體工藝把有源器件、無源器件和微波傳輸線、互連線等全部制作在一片砷化鉀或硅片上而構(gòu)成的集成電路。MMIC 工作頻率可以從1GHz 到100GHz以上，最適宜應(yīng)用于分米波的高頻端，厘米波和毫米波(包括亞毫米波)的頻帶范圍。相對(duì)于混合集成電路的優(yōu)勢(shì)包括:集成度高，體積小，質(zhì)量輕，高可靠性，低寄生效應(yīng)，更大的帶寬和更高的工作頻率。廣泛的應(yīng)用于定位接收機(jī)、靈巧武器、雷達(dá)、電子對(duì)抗和通信等前端電路。結(jié)合UWB 高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們采用MMIC 芯片實(shí)現(xiàn)UWB 信號(hào)功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。要求工作頻段在3~4GHz 左右， 其工作帶寬要求大于500MHz，要求頻帶內(nèi)增益平坦度平滑，電路工作性能穩(wěn)定。其功率增益的要求為20-30dB 左右。具體電路實(shí)現(xiàn)上我們分別采用兩種芯片TC3331 和HMC327 來實(shí)現(xiàn)。

3.1 基于TC3331 的電路設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)寬帶功放，首先要有合適的功放管，它也是設(shè)計(jì)中一個(gè)最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)， 同時(shí)關(guān)系到后續(xù)電路設(shè)計(jì)能否很好的滿足系統(tǒng)的性能要求。設(shè)計(jì)采用TRANSCOM 公司的PHEMT MMIC 功放單片TC3331，TC3331 是兩級(jí)的MMIC 功率放大器。工作頻段為3.3~3.8GHz(-3dB 帶寬)，可以實(shí)現(xiàn)帶寬500MHz， 輸出功率30dBm， 功率增益30dB， 工作電壓一般為7V、電流為700mA。輸入駐波比VWSR 最大值為2:1。具有低成本、高性能的優(yōu)點(diǎn)。

3.1.1 電路原理圖

電路利用芯片MAX881R 實(shí)現(xiàn)直流偏置電路。基于MMIC器件的功率放大器設(shè)計(jì)中，直流偏置電路不僅要隔離射頻信號(hào)，而且能提供放大器正常工作時(shí)的時(shí)序偏置電壓和電流。直流電源提供正確的電壓值(約3.7V)給MAX881R。芯片MAX881R 的7 腳OUT 一般輸出為-2V， 但是該輸出值是可以通過6 腳外接電路調(diào)節(jié)的，通過電阻R3 和R4 與6 腳接合在一起進(jìn)行電路分壓，此時(shí)OUT 輸出的值為-1V，以滿足TC3331 直流偏置Vg=-1V的供電要求。調(diào)節(jié)的計(jì)算公式分別如(3)式和(4)式所示:

因?yàn)門C3331 要求Vg 為-1V，所以通過(3)式和(4)式可計(jì)算得。IRF9540N 由4 腳驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)無電源供給時(shí)(VCC=0 V)，MAX881R 芯片4 腳處于高電平， 控制IRF9540N 工作于截止?fàn)顟B(tài)， 源極無電壓輸出; 當(dāng)有正確電源(VCC≠0)供給時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間MAX881R 達(dá)到穩(wěn)定后，4 腳輸出變?yōu)榈碗娖絹砜刂艻RF9540N 導(dǎo)通正常工作， 提供給功放管TC3331 正常的漏極電壓，使功放管正常工作。

3.1.2 測(cè)試結(jié)果

對(duì)實(shí)際放大器電路進(jìn)行測(cè)試， 測(cè)試輸入信號(hào)源采用中心頻率為3.407GHz，速率為100MHz 的UWB 信號(hào)。測(cè)試的結(jié)果如圖3，圖4 所示。圖3，圖4 是對(duì)UWB 信號(hào)測(cè)試的結(jié)果對(duì)照?qǐng)D，信號(hào)的功率從-5.11dBm 增加到22.45dBm，增益約27.5dB，小信號(hào)增益已經(jīng)接近功放管的理想放大增益值30dB。可以看出圖4 中UWB 信號(hào)的頻譜比圖3 放大后UWB 信號(hào)的頻譜有更平滑的信號(hào)頻譜特性，說明UWB 信號(hào)的波形失真小，該放大器的線性度高，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3.2 基于HMC327 的電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中UWB 信號(hào)的理論中心頻率是3.5GHz， 功放的工作頻帶要求是500MHz， 基于TC3331 的UWB 超寬帶功率放大器可以滿足放大UWB 信號(hào)的要求， 但其工作頻段為3.3G—3.8GHz，工作帶寬稍顯不足。如果達(dá)不到工作帶寬要求，將會(huì)導(dǎo)致UWB 信號(hào)傳輸效果變差，在接收端產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤判，影響通信質(zhì)量。所以進(jìn)一步加寬工作頻帶是必要的。

想要加寬工作帶寬， 最可行的辦法就是選擇高性能的功放芯片，經(jīng)過比較，決定采用Hittite 公司的HMC327 芯片來解決這個(gè)問題。相比較TC3331 而言，它的工作帶寬是3G—4GHz，可以滿足系統(tǒng)工作帶寬的要求，而且它的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，無需外加偏置電路。但它的典型增益只有21dB，小于TC3331 的30dB的典型增益。

3.2.1 電路原理圖

圖5 HMC327 功放電路原理圖從圖5 可以看出，UWB 信號(hào)通過3 腳輸入HMC327 進(jìn)行功率放大， 電路采用雙電源供電， 電源Vct1=Vs=5V， 分別通過HMC327 的1 腳和8 腳供電， 芯片的5 腳與6 腳作為電路的輸出端輸出放大了的UWB 信號(hào)。

3.2.2 測(cè)試結(jié)果

圖6 與圖7 是對(duì)UWB 信號(hào)放大的前后對(duì)照測(cè)試圖， 可以看到UWB 窄脈沖信號(hào)的功率從-9.58dBm 增加到8.34dBm，增益為17.92 個(gè)dB。考慮到實(shí)際測(cè)試中的線損約有2-3 個(gè)dB。實(shí)際增益有20dB，工作頻帶大于500MHz，有效的放大了UWB 信號(hào)，可以有效提高傳輸距離。

4 結(jié)論

本文介紹了超寬帶功率放大器（在給定失真率條件下，能產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動(dòng)某一負(fù)載(例如揚(yáng)聲器)的放大器）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。提出了兩種行之有效的電路， 基于芯片TC3331 的電路能夠充分放大UWB信號(hào)但工作帶寬有限且電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。由此提出了另一種基于芯片HMC327 的實(shí)現(xiàn)電路， 其工作帶寬較寬， 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 但增益較TC3331 小， 這就使傳輸距離和抗干擾性相比TC3331 較差。總體而言，兩種電路可以根據(jù)不同需要，分別應(yīng)用在不同的場(chǎng)合來放大UWB 信號(hào)，從而滿足UWB 短距離高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的需求。