双极型超宽带(UWB)放大器的设计

摘要:超宽带(UWB)技术是一种全新的无线电技术, 在无线通信方面有着不可替代的优势。UWB放大器是UWB无线接收系统的最前端, 是其重要组成部分。在UWB放大器5种基本电路结构以及噪声系数、功率增益和频带宽度3个重要设计参数的基础上, 根据器件的特点设计出一个双极型UWB放大器的电路, 经优化仿真给出了具体电路和参考参数。该仿真结果完全满足系统的设计要求, 可为UWB放大器的分析和设计提供进一步研究的依据, 具有工程参考价值。

关键词: 超宽带放大器; 频带宽度; 增益带宽积

引言

随着移动通信以及无线多媒体业务的快速发展,当前的蜂窝系统日益适应不了宽带移动通信业务发展的需要。为了从根本上解决容量需求的问题, UWB技术开发出时域无线资源, 能和现有的无线电设备同时工作而不互相干扰, 提供百倍于现有移动通信的容量, 为宽带通信提供了一种新的方案。

UWB技术与大部份无线电通信采用无线电波技术传输信息不同。一般通信技术是把信号从基带调制到载波上, 所谓宽带通信是指具有大的调制带宽或高的数据传输速率。而UWB 是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制(UWB 技术中最基本的信号单元就是高斯单周期脉冲) , 从而具有GHz量级的带宽。它开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。

1　宽带放大器基本电路结构

为了适应超宽带技术的发展, 对小信号放大器提出了相应要求。要使其在工作频带内提供足够高的增益来克服后级噪声, 即放大器要在不降低信噪比的情况下对信号进行放大。同时, 放大器的噪声系数决定系统的接收灵敏度。实用的UWB接收系统的超宽带放大器, 根据系统性能, 一般要求频带范围为100MHz～2GHz,功率增益为20dB ±3dB,噪声系数NF≤3dB.要实现这个要求, 电路设计中将涉及电路拓扑结构的选择, 输入输出电路的匹配, 电路板制作工艺, 以及屏蔽等诸多因素, 具有一定难度。

由于各种形式微波晶体管的功率增益都是随着频率升高, 以每倍频程大约6dB规律下降。为了实现宽带放大, 就必须对增益的滚降特性进行补偿, 使低频段增益压低。然而宽频带内低频段增益的压低必然使驻波比变坏, 同时噪声性能也受到影响。此外, 微波管输入阻抗也随频率有很大变化, 这就增加了宽频带匹配电路的复杂性。目前, 宽带放大器的典型电路结构大体上有以下五种:

(1)平衡结构:它是由两个单级放大器和正交宽带耦合器组成。这种电路的主要优点是输入、输出驻波比好, 噪声系数小, 同时改善了放大器输入和输出端阻抗匹配增益平坦度。但是, 该结构要多用一只晶体管, 且电路总尺寸较大。

(2)反馈式放大器:负反馈电路是加宽放大器频带的有效措施。采用负反馈的目的主要是补偿晶体管增益随频率下降的滚降特性, 使低频端增益压低, 从而获得平坦增益。这种电路在改善增益平坦度的同时, 也使放大器的输入和输出驻波比得到改善, 同时,它可以降低晶体管参数的离散性对放大器特性的影响。但是, 这种方案限制了晶体管的最大功率增益并增加了噪声系数。总的来说, 这是一个比较简单可行的方案, 可以实现多个倍频程的放大。

(3)有损耗匹配放大器: 将电阻作为匹配网络的一部分, 设计时使电阻仅在低频端吸收能量, 而对高频端尽可能少影响放大器的增益。但是, 有损匹配电路对放大器噪声性能有较大影响, 一般用于多级放大器第二级以后的电路。

(4)有源匹配式放大器: 在放大器的输入端加入一共栅电路,用FET 代替微带线段或电容和电感作为匹配电路元件。这种电路多用于10GHz以上单片集成电路中。

(5)分布式放大器: 分布式放大器又称为行波式放大器。它的基本原理是把微波管的输入、输出电容和输入、输出电阻分别吸收到输入、输出传输线中, 由多条传输线和多只微波管构成分布式有损传输线。只要传输线负载和传输线特性阻抗匹配, 它就相当于无频率限制的有损均匀传输线, 使微波以行波方式在传输线中传播。从分布放大器的机理来看, 用有封装的FET 制作分布式放大器, 不仅特性难满足, 而且需要的FET 数量大, 成本很高。因而分布放大器基本上适合于单片集成电路。

2 设计过程

根据上述的系统性能指标和要求, 对比了五种宽带放大器结构的优缺点, 选择使用反馈式的放大器结构。同时, 为了达到增益要求, 采用了两级级联的方式, 具体结构如图1所示。

图1 两级负反馈放大器结构

我们知道特征频率f_T 能全面反应晶体管的高频放大性能。f_T≈f |β|称为增益带宽乘积(β为共发射极短路电流放大系数)。当放大电路及其晶体管确定以后, 这个乘积为一个常数, 也就是说, 放大器的增益与通频带是一对矛盾。因此, 在设计过程中需要全面考虑, 兼顾这两个指标。

放大器的传递函数中总是包含了一些零点和极点, 最简单的单极点形式为

其中A₀= g_mR_l是直流增益, 是3dB带宽。若给定功耗和负载, 则放大器直流增益和带宽的乘积恒定, 无法同时增大。

对于加了负反馈的放大器(结构见图2) , 因为

则有

对于上面的单极点放大器有

所以

也就是说, 负反馈使放大器的直流增益和带宽都改变了(1+ A_0f ) 倍, 同时, 放大器的增益带宽乘积将保持不变, 即


根据反馈电路的知识, 我们可以知道, R₂和R₃在电路中起串联电流负反馈作用, R₂是级间电压负反馈。R₁减小可使放大器的动态范围增大, 从而增益提高; R₂和R₃主要是低频端的反馈, 如果阻值增大则低频端反馈量会减少, 放大器的高端增益就得不到补偿。这为后面的电路参数仿真提供了理论依据。由放大器理论, 多级放大器总的噪声系数为


式中NF_i ( i=1, 2, .) 为各级噪声系数, G_Pi ( i=1,2,.) 为各级的额定功率增益。由该式可以看出, 设计的主要关键在于第一级网络的噪声系数NF₁和增益G_P1, 应保证NF₁最优, 而且还要求G_P1尽可能高。为了实现这个目标, 就需要网络匹配, 但是在实际的低噪声放大器设计时, 要实现宽频带的噪声匹配是相当困难的。由于BJT 管低频端的噪声性能优于高频端的噪声性能, 因此在实际设计中, 尽量使低频端适当的噪声失配, 而在高频端实现噪声匹配。为了保证电路的低噪声, 关键是输入匹配电路设计。选择中心频率为1GHz, 利用晶体管的S 参数, 确定放大器的稳定系数圆, 选取合适的端口反射系数。为保证放大器的稳定性, 必须满足以下条件:

其中△= S₁₁S₂₂-S₁₂S₂₁. 输入端口的源反射系数需要在低噪声与高增益之间取得一种折中, 以保证电路不会振荡。输出匹配电路设计得好, 可以提高放大器的增益, 改善整机增益平坦度, 改善放大器稳定性以及满足放大器输出驻波比。

只有设计合理的匹配网络才能实现尽可能宽的带宽和高的增益, 如果匹配不合理, 则有可能会成为展宽频带的瓶颈。匹配网络包括了输入匹配电路, 输出匹配电路和级间匹配电路。在本设计中, 因为要求频带在S 波段以下, 故采用的是微带线阻抗变换型匹配方式, 这种方式简单易行, 只要微带线的长度L和特性阻抗Z₀满足一定条件, 就能实现匹配。第一级输入按最佳噪声设计匹配电路, 第二级则按最大增益设计匹配电路, 使放大器有高的增益。我们选用了西门子公司的BFP420微波管。该管是NPN型的双极结晶体管, 它的特征频率f_T 为25GHz, 它的功率增益和噪声系数在频率为1.8GHz时分别为20dB,1.05dB.


图2　负反馈结构框图

3　电路仿真

根据图1的放大器结构, 利用Agilent公司的最新仿真软件ADS(Advanced Design System ) 对电路的结构参数和微带线参数进行优化设计。我们重点针对下面几个指标进行优化仿真: 前向传输系数S21, 第二端口的噪声系数NF和稳定因数K. 其中, S21可以反映超宽带放大器的频带宽度和增益大小; NF反映了系统的噪声大小; K 要大于1放大器才满足绝对稳定的条件。仿真过程中, 我们先对电路的拓扑结构进行优化。根据前人经验设定参数的初值和优化范围, 再利用软件自动优化。然后在电路中加入微带线,进行微带线优化。我们选用的基板是相对介电常数E为2.55, 厚度为1mm 的聚四氟乙烯双面覆铜板。优化微带线时, 先要根据具体板材和中心频率计算标准阻抗(既50Ω) 时微带线的长度和宽度, 然后将这个值作为优化的初值, 经软件优化后可以得到制作PCB板时具体走线的尺寸。优化以后, 设计的超宽带放大器满足技术指标的要求。仿真结果如图3 所示。


图3 仿真结果

从仿真结果看到: 在300～2GHz的频率范围内,增益是23dB±1.4dB, 噪声系数NF<2.5, 稳定系数K>1.5, 增益平坦度在3dB 以内; 在100～300MHz范围内, 增益呈线性上升状态, 同时噪声系数和稳定系数均不满足要求的技术指标, 但是考虑到实际制作中低频端的增益一般都能达到要求, 并且考虑到在ADS的元件库中,BFP420的模型参数是从100MHz开始给出的, 其低频端的仿真也有可能出现偏差, 所以在仿真过程中就没有再对其低频端的各项指标进行优化设计了。

4　结论

超宽带放大和超宽带匹配是UWB 接收技术中存在的一个难点。本设计的目的就是为了实现要求的技术指标, 使得UWB接收系统能很好的工作。在对宽带放大器的理论进行详细研究的基础上, 借助于ADS软件对所设计的电路进行优化仿真, 最后得到的参数较好地满足了要求的技术指标。文中叙述的电路仿真优化对实际电路制作与调试具有指导性, 在实际制作中还应该对电路板的布局、布线技巧、制作工艺以及系统的屏蔽作进一步的深入研究。同时, 针对目前的UWB技术, 出现了一些非典型的超宽带放大电路, 值得关注与研究。