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高速UWB 信号功率放大电路的研究与实现

发布时间:2022-03-16 发布时间:
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     摘要: 介绍了利用微波单片集成电路(MMIC)器件实现提高超宽带高速信号功率的两种电路。这两种功率放大电路功率放大电路是用来输出较大功率的电路,功率放大电路的主要任务是,在允许的失真限度内,尽可能高效率地向负载提供足够大的功率。分别采用TC3331 和HMC327 芯片实现。工作带宽分别为0.6GHz 和1GHz,功率增益分别为+30dB 和+20dB。文章分析讨论了电路原理与设计方法,实际测试结果显示这两种放大电路具有良好的功率放大效果,可分别应用于不同的通信场合,是适合超宽带通信系统的功率放大电路。

  1 引言

  超宽带(Ultra Wideband-简称UWB)技术是一种利用ns 级宽度极窄脉冲作载体的无线传输技术,其射频(RF)传输带宽通常超过1GHz。因此,这种超宽带传输方式相对常规窄带传输方式有低功率谱、低截获、抗干扰能力强、可高速数据传输等优点,用途非常广泛,在定位、雷达、无线检测、无线通信等诸多方面都有重要应用。

  UWB 技术在短距离高速数据传输应用上虽然优势明显。

  然而无论是单脉冲UWB 信号还是多脉冲UWB 信号,其发射功率强度有限, 不能很好的抵抗突发脉冲的干扰和有效的远距离通信。为了实现有效的通信和适应在某些特殊应用的场合,比如军事,矿井通信,电磁环境恶劣情况下通信等等,这时需要突破FCC 关于UWB 信号强度规范的限制,提高UWB 信号的发射功率,满足系统特定的通信要求。这就需要在UWB 发射机加置功率放大器来有效放大UWB 信号。

  2 UWB 高速(100M)数据传输系统

  UWB 短距离高速数据传输系统可以实现从PC (个人计算机)到PC 的10m 范围内的高速数据传输,其发射部分简化框图结构如图1 所示:


图1 简化发射部分原理框图

  PC 机上的待传输数据通过USB 接口电路传送到基带处理电路,经过卷积,交织,编帧,调制等一系列处理后产生100Mbps的基带码元信号, 此基带码元信号用以控制射频发射机的振荡器工作状态,从而产生高速的UWB 信号,这样产生的UWB 信号为高斯包络正余弦脉冲,它的时域表达式为式(1)所示:


  利用傅立叶变换可得其频域表达式如式(2)所示:


  振荡器产生的UWB 信号可以满足一般情况下的高速(100M)数据传输,传输距离一般为3m,但为了满足特定情况下的通信需要或增加传输距离,就需要在振荡器后加置功率放大器来有效放大UWB 信号,加置功放后的传输距离可以达到10m。

  3 UWB 功率放大器的电路设计与实现

  微波单片集成电路(MMIC)是用半导体工艺把有源器件、无源器件和微波传输线、互连线等全部制作在一片砷化钾或硅片上而构成的集成电路。MMIC 工作频率可以从1GHz 到100GHz以上,适宜应用于分米波的高频端,厘米波和毫米波(包括亚毫米波)的频带范围。相对于混合集成电路的优势包括:集成度高,体积小,质量轻,高可靠性,低寄生效应,更大的带宽和更高的工作频率。广泛的应用于定位接收机、灵巧武器、雷达、电子对抗和通信等前端电路。结合UWB 高速数据传输系统的特点,我们采用MMIC 芯片实现UWB 信号功率放大器的设计与实现。要求工作频段在3~4GHz 左右, 其工作带宽要求大于500MHz,要求频带内增益平坦度平滑,电路工作性能稳定。其功率增益的要求为20-30dB 左右。具体电路实现上我们分别采用两种芯片TC3331 和HMC327 来实现。

  3.1 基于TC3331 的电路设计

  要设计宽带功放,首先要有合适的功放管,它也是设计中一个基础的环节, 同时关系到后续电路设计能否很好的满足系统的性能要求。设计采用TRANSCOM 公司的PHEMT MMIC 功放单片TC3331,TC3331 是两级的MMIC 功率放大器。工作频段为3.3~3.8GHz(-3dB 带宽),可以实现带宽500MHz, 输出功率30dBm, 功率增益30dB, 工作电压一般为7V、电流为700mA。输入驻波比VWSR 值为2:1。具有低成本、高性能的优点。

  3.1.1 电路原理图


图2 TC3331 功放电路设计原理图。

  电路利用芯片MAX881R 实现直流偏置电路。基于MMIC器件的功率放大器设计中,直流偏置电路不仅要隔离射频信号,而且能提供放大器正常工作时的时序偏置电压和电流。直流电源提供正确的电压值(约3.7V)给MAX881R。芯片MAX881R 的7 脚OUT 一般输出为-2V, 但是该输出值是可以通过6 脚外接电路调节的,通过电阻R3 和R4 与6 脚接合在一起进行电路分压,此时OUT 输出的值为-1V,以满足TC3331 直流偏置Vg=-1V的供电要求。调节的计算公式分别如(3)式和(4)式所示:

  因为TC3331 要求Vg 为-1V,所以通过(3)式和(4)式可计算得。IRF9540N 由4 脚驱动控制,当无电源供给时(VCC=0 V),MAX881R 芯片4 脚处于高电平, 控制IRF9540N 工作于截止状态, 源极无电压输出; 当有正确电源(VCC≠0)供给时,经过一段时间MAX881R 达到稳定后,4 脚输出变为低电平来控制IRF9540N 导通正常工作, 提供给功放管TC3331 正常的漏极电压,使功放管正常工作。

  3.1.2 测试结果


图3 输入UWB 信号频谱。

  对实际放大器电路进行测试, 测试输入信号源采用中心频率为3.407GHz,速率为100MHz 的UWB 信号。测试的结果如图3,图4 所示。图3,图4 是对UWB 信号测试的结果对照图,信号的功率从-5.11dBm 增加到22.45dBm,增益约27.5dB,小信号增益已经接近功放管的理想放大增益值30dB。可以看出图4 中UWB 信号的频谱比图3 放大后UWB 信号的频谱有更平滑的信号频谱特性,说明UWB 信号的波形失真小,该放大器的线性度高,可以满足系统的设计要求。


图4 功放放大后UWB 信号频谱。

  3.2 基于HMC327 的电路设计

  系统中UWB 信号的理论中心频率是3.5GHz, 功放的工作频带要求是500MHz, 基于TC3331 的UWB 超宽带功率放大器可以满足放大UWB 信号的要求, 但其工作频段为3.3G—3.8GHz,工作带宽稍显不足。如果达不到工作带宽要求,将会导致UWB 信号传输效果变差,在接收端产生数据误判,影响通信质量。所以进一步加宽工作频带是必要的。

  想要加宽工作带宽, 可行的办法就是选择高性能的功放芯片,经过比较,决定采用Hittite 公司的HMC327 芯片来解决这个问题。相比较TC3331 而言,它的工作带宽是3G—4GHz,可以满足系统工作带宽的要求,而且它的电路结构相对简单,无需外加偏置电路。但它的典型增益只有21dB,小于TC3331 的30dB的典型增益。

  3.2.1 电路原理图

  图5 HMC327 功放电路原理图从图5 可以看出,UWB 信号通过3 脚输入HMC327 进行功率放大, 电路采用双电源供电, 电源Vct1=Vs=5V, 分别通过HMC327 的1 脚和8 脚供电, 芯片的5 脚与6 脚作为电路的输出端输出放大了的UWB 信号。


图5 HMC327 功放电路原理图

  3.2.2 测试结果

  图6 与图7 是对UWB 信号放大的前后对照测试图, 可以看到UWB 窄脉冲信号的功率从-9.58dBm 增加到8.34dBm,增益为17.92 个dB。考虑到实际测试中的线损约有2-3 个dB。实际增益有20dB,工作频带大于500MHz,有效的放大了UWB 信号,可以有效提高传输距离。


图6 输入UWB 信号频谱。


图7 功放放大后UWB 信号频谱。

  4 结论

  本文介绍了超宽带功率放大器(在给定失真率条件下,能产生功率输出以驱动某一负载(例如扬声器)的放大器)的设计与实现。提出了两种行之有效的电路, 基于芯片TC3331 的电路能够充分放大UWB信号但工作带宽有限且电路结构相对复杂。由此提出了另一种基于芯片HMC327 的实现电路, 其工作带宽较宽, 电路结构简单, 但增益较TC3331 小, 这就使传输距离和抗干扰性相比TC3331 较差。总体而言,两种电路可以根据不同需要,分别应用在不同的场合来放大UWB 信号,从而满足UWB 短距离高速数据传输系统的需求。

  本文作者创新点: 本文针对在某些特殊应用的场合下超宽带高速传输系统发射功率不足的问题, 提出了两种适用于高速UWB 通信系统的功率放大器的设计方法。文章内容全面而深入,调研的文献都具有权威性和时效性。



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