超宽带信号低噪放大电路的设计与实现 - 模拟技术 - 电子

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<strong>1 引言</strong>

有别于传统无线系统采用连续载波调制，脉冲超宽带(Impulse Radio Ultra-wideband，IR-UWB)技术是利用极窄的基带脉冲波形直接承载信息，它具有高带宽、低功率、抗多径能力强等特点，超宽带技术在短距离雷达和通信系统中有着广泛的应用前景。众所周知胝频电磁波对混凝土等墙壁有很强的穿透性能，且频率越低穿透性能越好，因此为了确保脉冲良好的穿透特性，应使其具有丰富的低频分量；脉冲的宽度决定着目标距离探测的精度，脉冲越窄，雷达的距离分辨力越高。但是，脉冲宽度越窄，其频谱越宽，峰值电压也就越小，以至于不能驱动功率放大器，因此需针对脉冲频谱特点设计一个相应的能工作在低频段的超宽带放大器。放大后的脉冲电压对能否驱动功率放大器工作起着决定作用，并且．放大器的性能对整个系统的性能指标也起着重要作用，这就需要放大器在具有较高增益的同时噪声系数要尽可能的低。

本文根据穿墙探测雷达系统的实际需要，设计并制作了工作在O.1-1.8GHz的超宽带脉冲信号低噪声放大电路，增益约为23.6dB，噪声系数小于1.5dB，对脉冲信号的放大效果良好。

<strong>2 超宽带低噪声放大电路的设计</strong>

根据超宽带脉冲信号的频谱特征，应该把带宽、增益、噪声系数作为主要指标考虑。目前设计的脉冲信号的-lOdB带宽约为1GHz，从300MHz到1.3GHz，因此放大器的工作频段应覆盖这个频段范围，为了尽量避免放大后脉冲展宽，设计时放大器的带宽范围定为从100 MHz到1.8GHz。由于空气对低频信号衰减严重，脉冲在发射前须经功率放大器放大。

但是由于脉冲的峰值电平小(约85mV)，不能驱动功率放大器，为了确保经低噪声放大后的脉冲电压能驱动功率放大器工作，把放大器的设计增益定为25dB。

超宽带LNA设计的主要困难是受到有源器件增益带宽乘积的约束，并且晶体管的增益G随着频率的升高而下降，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。设计时我们选用双极性晶体管BFP420，采用两级放大器级联反馈式的设计方案，其拓扑结构如下图所示。


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图1放大器拓扑结构图

电路采用单电源供电，第一级和第二级采用直流耦合以减小损耗，降低噪声。采用自给偏压方式使放大器在一定的温度范围内具有增益补偿作用。从结构图中可以看出，电路主要有两个接地的串联负反馈，一个级间负反馈和一个并联负反馈组成。通过这几个反馈，补偿了晶体管增益随频率下降的滚降特性．使低频端增益压低，从而达到增益平坦的目的，同时这几个反馈也增加了放大器的稳定性。

确定了电路的基本结构后，再根据所要的增益选取晶体管静态工作点，通过计算确定各元器件的值。放大器电路必须满足的首要条件是其在工作频段内的稳定性，只有在绝对稳定的条件下，放大器才能正常工作。通过两个公式和SMITH圆图来进行晶体管的稳定性设计。晶体管绝对稳定的条件为：

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为了获得低噪声和一定增益就需要获得相应的源反射系数和负载反射系数，关键在于阻抗匹配。噪声系数是晶体管的一个重要指标．可用下式表示：

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Fmin是晶体管的最小噪声系数，Rn是晶体管的等效噪声电阻，Zn为系统阻抗，一般为50Ω，当源反射系数Γs=Γopt时可以获得最小噪声高。器放大器的增益可表示为：

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当输入输出都达到共轭匹配Γs=Γin,ΓL=Γout可以获得最大增益。根据上述匹配原则对电路的输入端、输出端以及中间级联进行匹配设计。根据获得最大增益和最小噪声的条件可知，最大增益和最小噪声不可能同时满足，我们在增益、噪声系数、输入输出驻波等几项指标中取折中达到最终的要求。在放大器的第一级按最小噪声匹配原则进行设计。虽然放大倍数很小，但能达到低噪声的要求。第二级按最大增益原则设计匹配电路，对信号起到真正放大的作用，从而完成整个电路的设计。

<strong>3 电路的仿真和测试</strong>

利用Aglient-ADS软件建立S参数仿真测试平台对其进行小信号S参数优化仿真，经过不断优化仿真，得到的结果如图2所示。


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图2 S参数仿真结果

从优化仿真结果可以看出：在100MHz到1.8GHz频段范围内，增益dB(S21)为251dB，噪声系数NF小于1.5dB，输入输出回波损耗dB(S11)和dB(S22)基本保持在-10dB以下，符合放大器的设计要求。

通过仿真后，我们对该电路进行制板调试。在测试电路时给电路加12V的直流电源，使用Aglient 8753ES矢量网络分析仪测得的增益结果如图3所示：


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图3 S21的测试结果

根据测试结果可以看出，所加电压为12V时，在100MHz-1.8GHz这个频段范围内放大器的最大增益为24.8dB，最小增益为22.4dB，实际测得的数据平均比仿真得到的结果小1.5dB左右，造成偏差的原因可能有：基板参数的确定，电路板制作和焊接过程中造成的误差，电感值的误差等。

<strong>4 脉冲信号放大的实现</strong>

实际穿墙探测雷达系统中产生的脉冲波形和它的频谱如图4所示：


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图4脉冲信号的时域和频域波形

从图4(a)中可以看出此脉冲波形的正峰值幅度为85.2mV，脉冲宽度约为718.5ps，从频谱图中可以看出，信号的-lOdB带宽约为1GHz，对应的下限频率为300MHz，上限频率为1.3GHz，中心频率为800MHz，频谱能量最高点对应的功率为-39．64dBm，这个功率在放大器能线性放大的输入功率范围内，所以可以用放大器将此脉冲进行放大。把脉冲产生器和放大电路直接相连，测得放大后的脉冲波形和频谱如图5所示：


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图5脉冲放大后的波形和频谱

从图5(a)看出，经放大后超宽带脉冲信号的波形保持得较好，脉冲的正峰值电压幅度被放大到858.4mV，放大了10倍。由于设计的放大器的工作带宽比脉冲的频谱宽，放大后的脉冲宽度展宽得很少，约为798.5ps，也没有出现拖尾现象。由于所设计的放大电路的噪声系数小于1.5dB，基本上看不到脉冲放大后电路引入的噪声。从图5(b)看出，脉冲的频谱也基本保持得较好，频谱能量最高点对应的功率放大到-21.52dBm。从图5中看出由于放大器低端的增益比较高，所以脉冲放大后频谱的低端能量也放大得比较多，而高端比低端放大得稍微少一点。总体上讲，该放大电路对脉冲信号的放大效果良好。

<strong>5 总结</strong>

利用Aglient-ADS软件设计出了超宽带信号的低噪声放大电路，其工作频段为100MHz～1.8GHz，增益约为23.6dB，噪声系数小于1.5 dB，实测结果比较理想．对窄脉冲信号的正峰值可以放大约lO倍，为后期课题的进展奠定了良好的基础。

本文作者创新点：本文根据困家自然科学基金项目“基于UWB信号的隐藏活动目标自适应检测技术研究”的需要，设计了一个可以将UWB脉冲信号放大的超宽带低噪声放大器，并取得了良好的放大效果。


作者：蒋俊杰  来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第25卷第1-2期