超寬帶低噪聲放大器的的仿真、測(cè)試和實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)

1 引言

有別于傳統(tǒng)無(wú)線系統(tǒng)采用連續(xù)載波調(diào)制，脈沖超寬帶（Impulse Radio Ultra-wideband，IR-UWB）技術(shù)是利用極窄的基帶脈沖波形直接承載信息，它具有高帶寬、低功率、抗多徑能力強(qiáng)等特點(diǎn)，超寬帶技術(shù)在短距離雷達(dá)和通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。眾所周知胝頻電磁波對(duì)混凝土等墻壁有很強(qiáng)的穿透性能，且頻率越低穿透性能越好，因此為了確保脈沖良好的穿透特性，應(yīng)使其具有豐富的低頻分量；脈沖的寬度決定著目標(biāo)距離探測(cè)的精度，脈沖越窄，雷達(dá)的距離分辨力越高。但是，脈沖寬度越窄，其頻譜越寬，峰值電壓也就越小，以至于不能驅(qū)動(dòng)功率放大器，因此需針對(duì)脈沖頻譜特點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)相應(yīng)的能工作在低頻段的超寬帶放大器。放大后的脈沖電壓對(duì)能否驅(qū)動(dòng)功率放大器工作起著決定作用，并且．放大器的性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)也起著重要作用，這就需要放大器在具有較高增益的同時(shí)噪聲系數(shù)要盡可能的低。

本文根據(jù)穿墻探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)并制作了工作在O.1-1.8GHz的超寬帶脈沖信號(hào)低噪聲放大電路，增益約為23.6dB，噪聲系數(shù)小于1.5dB，對(duì)脈沖信號(hào)的放大效果良好。

2 超寬帶低噪聲放大電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)超寬帶脈沖信號(hào)的頻譜特征，應(yīng)該把帶寬、增益、噪聲系數(shù)作為主要指標(biāo)考慮。目前設(shè)計(jì)的脈沖信號(hào)的-lOdB帶寬約為1GHz，從300MHz到1.3GHz，因此放大器的工作頻段應(yīng)覆蓋這個(gè)頻段范圍，為了盡量避免放大后脈沖展寬，設(shè)計(jì)時(shí)放大器的帶寬范圍定為從100 MHz到1.8GHz。由于空氣對(duì)低頻信號(hào)衰減嚴(yán)重，脈沖在發(fā)射前須經(jīng)功率放大器放大。

但是由于脈沖的峰值電平?。s85mV），不能驅(qū)動(dòng)功率放大器，為了確保經(jīng)低噪聲放大后的脈沖電壓能驅(qū)動(dòng)功率放大器工作，把放大器的設(shè)計(jì)增益定為25dB。

超寬帶LNA設(shè)計(jì)的主要困難是受到有源器件增益帶寬乘積的約束，并且晶體管的增益G隨著頻率的升高而下降，為了實(shí)現(xiàn)寬帶放大，就必須對(duì)增益的滾降特性進(jìn)行補(bǔ)償，使低頻段增益壓低。設(shè)計(jì)時(shí)我們選用雙極性晶體管BFP420，采用兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)反饋式的設(shè)計(jì)方案，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

電路采用單電源供電，第一級(jí)和第二級(jí)采用直流耦合以減小損耗，降低噪聲。采用自給偏壓方式使放大器在一定的溫度范圍內(nèi)具有增益補(bǔ)償作用。從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，電路主要有兩個(gè)接地的串聯(lián)負(fù)反饋，一個(gè)級(jí)間負(fù)反饋和一個(gè)并聯(lián)負(fù)反饋組成。通過(guò)這幾個(gè)反饋，補(bǔ)償了晶體管增益隨頻率下降的滾降特性．使低頻端增益壓低，從而達(dá)到增益平坦的目的，同時(shí)這幾個(gè)反饋也增加了放大器的穩(wěn)定性。

確定了電路的基本結(jié)構(gòu)后，再根據(jù)所要的增益選取晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算確定各元器件的值。放大器電路必須滿足的首要條件是其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性，只有在絕對(duì)穩(wěn)定的條件下，放大器才能正常工作。通過(guò)兩個(gè)公式和SMITH圓圖來(lái)進(jìn)行晶體管的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。晶體管絕對(duì)穩(wěn)定的條件為：

為了獲得低噪聲和一定增益就需要獲得相應(yīng)的源反射系數(shù)和負(fù)載反射系數(shù)，關(guān)鍵在于阻抗匹配。噪聲系數(shù)是晶體管的一個(gè)重要指標(biāo)．可用下式表示：

Fmin是晶體管的最小噪聲系數(shù)，Rn是晶體管的等效噪聲電阻，Zn為系統(tǒng)阻抗，一般為50Ω，當(dāng)源反射系數(shù)Γs=Γopt時(shí)可以獲得最小噪聲高。器放大器的增益可表示為：

當(dāng)輸入輸出都達(dá)到共軛匹配Γs=Γin，ΓL=Γout可以獲得最大增益。根據(jù)上述匹配原則對(duì)電路的輸入端、輸出端以及中間級(jí)聯(lián)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。根據(jù)獲得最大增益和最小噪聲的條件可知，最大增益和最小噪聲不可能同時(shí)滿足，我們?cè)谠鲆?、噪聲系?shù)、輸入輸出駐波等幾項(xiàng)指標(biāo)中取折中達(dá)到最終的要求。在放大器的第一級(jí)按最小噪聲匹配原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。雖然放大倍數(shù)很小，但能達(dá)到低噪聲的要求。第二級(jí)按最大增益原則設(shè)計(jì)匹配電路，對(duì)信號(hào)起到真正放大的作用，從而完成整個(gè)電路的設(shè)計(jì)。

3 電路的仿真和測(cè)試

利用Aglient-ADS軟件建立S參數(shù)仿真測(cè)試平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行小信號(hào)S參數(shù)優(yōu)化仿真，經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化仿真，得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 S參數(shù)仿真結(jié)果

從優(yōu)化仿真結(jié)果可以看出：在100MHz到1.8GHz頻段范圍內(nèi)，增益dB（S21）為251dB，噪聲系數(shù)NF小于1.5dB，輸入輸出回波損耗dB（S11）和dB（S22）基本保持在-10dB以下，符合放大器的設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)仿真后，我們對(duì)該電路進(jìn)行制板調(diào)試。在測(cè)試電路時(shí)給電路加12V的直流電源，使用Aglient 8753ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的增益結(jié)果如圖3所示：

圖3 S21的測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，所加電壓為12V時(shí)，在100MHz-1.8GHz這個(gè)頻段范圍內(nèi)放大器的最大增益為24.8dB，最小增益為22.4dB，實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)平均比仿真得到的結(jié)果小1.5dB左右，造成偏差的原因可能有：基板參數(shù)的確定，電路板制作和焊接過(guò)程中造成的誤差，電感值的誤差等。

4 脈沖信號(hào)放大的實(shí)現(xiàn)

實(shí)際穿墻探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)中產(chǎn)生的脈沖波形和它的頻譜如圖4所示：

圖4脈沖信號(hào)的時(shí)域和頻域波形

從圖4（a）中可以看出此脈沖波形的正峰值幅度為85.2mV，脈沖寬度約為718.5ps，從頻譜圖中可以看出，信號(hào)的-lOdB帶寬約為1GHz，對(duì)應(yīng)的下限頻率為300MHz，上限頻率為1.3GHz，中心頻率為800MHz，頻譜能量最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率為-39．64dBm，這個(gè)功率在放大器能線性放大的輸入功率范圍內(nèi)，所以可以用放大器將此脈沖進(jìn)行放大。把脈沖產(chǎn)生器和放大電路直接相連，測(cè)得放大后的脈沖波形和頻譜如圖5所示：

圖5脈沖放大后的波形和頻譜

從圖5（a）看出，經(jīng)放大后超寬帶脈沖信號(hào)的波形保持得較好，脈沖的正峰值電壓幅度被放大到858.4mV，放大了10倍。由于設(shè)計(jì)的放大器的工作帶寬比脈沖的頻譜寬，放大后的脈沖寬度展寬得很少，約為798.5ps，也沒(méi)有出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。由于所設(shè)計(jì)的放大電路的噪聲系數(shù)小于1.5dB，基本上看不到脈沖放大后電路引入的噪聲。從圖5（b）看出，脈沖的頻譜也基本保持得較好，頻譜能量最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率放大到-21.52dBm。從圖5中看出由于放大器低端的增益比較高，所以脈沖放大后頻譜的低端能量也放大得比較多，而高端比低端放大得稍微少一點(diǎn)?？傮w上講，該放大電路對(duì)脈沖信號(hào)的放大效果良好。

5 總結(jié)

利用Aglient-ADS軟件設(shè)計(jì)出了超寬帶信號(hào)的低噪聲放大電路，其工作頻段為100MHz～1.8GHz，增益約為23.6dB，噪聲系數(shù)小于1.5 dB，實(shí)測(cè)結(jié)果比較理想．對(duì)窄脈沖信號(hào)的正峰值可以放大約lO倍，為后期課題的進(jìn)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文根據(jù)困家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于UWB信號(hào)的隱藏活動(dòng)目標(biāo)自適應(yīng)檢測(cè)技術(shù)研究”的需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以將UWB脈沖信號(hào)放大的超寬帶低噪聲放大器，并取得了良好的放大效果。

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