摘要: 介紹了利用微波單片集成電路(MMIC)器件實現(xiàn)提高超寬帶高速信號功率的兩種電路。這兩種功率放大電路（功率放大電路是用來輸出較大功率的電路，功率放大電路的主要任務(wù)是，在允許的失真限度內(nèi)，盡可能高效率地向負(fù)載提供足夠大的功率。）分別采用TC3331 和HMC327 芯片實現(xiàn)。工作帶寬分別為0.6GHz 和1GHz，功率增益分別為+30dB 和+20dB。文章分析討論了電路原理與設(shè)計方法，實際測試結(jié)果顯示這兩種放大電路具有良好的功率放大效果，可分別應(yīng)用于不同的通信場合，是適合超寬帶通信系統(tǒng)的功率放大電路。

　　1 引言

　　超寬帶(Ultra Wideband-簡稱UWB)技術(shù)是一種利用ns 級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，用途非常廣泛，在定位、雷達(dá)、無線檢測、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)勢明顯。

　　然而無論是單脈沖UWB 信號還是多脈沖UWB 信號，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。為了實現(xiàn)有效的通信和適應(yīng)在某些特殊應(yīng)用的場合，比如軍事，礦井通信，電磁環(huán)境惡劣情況下通信等等，這時需要突破FCC 關(guān)于UWB 信號強(qiáng)度規(guī)范的限制，提高UWB 信號的發(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。

　　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)可以實現(xiàn)從PC (個人計算機(jī))到PC 的10m 范圍內(nèi)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其發(fā)射部分簡化框圖結(jié)構(gòu)如圖1 所示:

圖1 簡化發(fā)射部分原理框圖

　　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， 此基帶碼元信號用以控制射頻發(fā)射機(jī)的振蕩器工作狀態(tài)，從而產(chǎn)生高速的UWB 信號，這樣產(chǎn)生的UWB 信號為高斯包絡(luò)正余弦脈沖，它的時域表達(dá)式為式(1)所示:

　　利用傅立葉變換可得其頻域表達(dá)式如式(2)所示:

　　振蕩器產(chǎn)生的UWB 信號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，加置功放后的傳輸距離可以達(dá)到10m。

　　3 UWB 功率放大器的電路設(shè)計與實現(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，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。相對于混合集成電路的優(yōu)勢包括: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，我們采用MMIC 芯片實現(xiàn)UWB 信號功率放大器的設(shè)計與實現(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。具體電路實現(xiàn)上我們分別采用兩種芯片TC3331 和HMC327 來實現(xiàn)。

　　3.1 基于TC3331 的電路設(shè)計

　　要設(shè)計寬帶功放，首先要有合適的功放管，它也是設(shè)計中一個基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)， 同時關(guān)系到后續(xù)電路設(shè)計能否很好的滿足系統(tǒng)的性能要求。設(shè)計采用TRANSCOM 公司的PHEMT MMIC 功放單片TC3331，TC3331 是兩級的MMIC 功率放大器。工作頻段為3.3~3.8GHz(-3dB 帶寬)，可以實現(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 值為2:1。具有低成本、高性能的優(yōu)點。

　　3.1.1 電路原理圖

圖2 TC3331 功放電路設(shè)計原理圖。

　　電路利用芯片MAX881R 實現(xiàn)直流偏置電路。基于MMIC器件的功率放大器設(shè)計中，直流偏置電路不僅要隔離射頻信號，而且能提供放大器正常工作時的時序偏置電壓和電流。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)的計算公式分別如(3)式和(4)式所示:

　　因為TC3331 要求Vg 為-1V，所以通過(3)式和(4)式可計算得。IRF9540N 由4 腳驅(qū)動控制，當(dāng)無電源供給時(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，經(jīng)過一段時間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 測試結(jié)果

圖3 輸入UWB 信號頻譜。

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

圖4 功放放大后UWB 信號頻譜。

　　3.2 基于HMC327 的電路設(shè)計

　　系統(tǒng)中UWB 信號的理論中心頻率是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，將會導(dǎo)致UWB 信號傳輸效果變差，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， 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)相對簡單，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。

圖5 HMC327 功放電路原理圖

　　3.2.2 測試結(jié)果

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

圖6 輸入UWB 信號頻譜。

圖7 功放放大后UWB 信號頻譜。

　　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)生功率輸出以驅(qū)動某一負(fù)載(例如揚聲器)的放大器）的設(shè)計與實現(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信號但工作帶寬有限且電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。由此提出了另一種基于芯片HMC327 的實現(xiàn)電路， 其工作帶寬較寬， 電路結(jié)構(gòu)簡單， 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)用在不同的場合來放大UWB 信號，從而滿足UWB 短距離高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的需求。

　　本文作者創(chuàng)新點: 本文針對在某些特殊應(yīng)用的場合下超寬帶高速傳輸系統(tǒng)發(fā)射功率不足的問題， 提出了兩種適用于高速UWB 通信系統(tǒng)的功率放大器的設(shè)計方法。文章內(nèi)容全面而深入，調(diào)研的文獻(xiàn)都具有權(quán)威性和時效性。