1、超宽带功率放大器的设计 I 超宽带功率放大器的设计 摘 要 超宽带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。超宽带功率放大器是 UWB无线通信系统的重要组成部分。本论文在研究超宽带功率放大器基本电路结构以及阻抗匹配、稳定性、功率增益和频带宽度等重要设计参数的基础上 ,根据器件的特点设计出一个工作频带为 1.6GHz 2.2GHz， 功率增益为 20dB左右，输入电压驻波比小于 1.5, 输出电压驻波比小于 2 的超宽带功率放大器 ,经优化仿真给出了具体电路和参考参数。该仿真结果满足系统的设计要求 ,为超宽带功率放大器的研制提供了理论依据 , 具有较大的工程参考价值。 关键
2、词 ：功率放大器 超宽带 阻抗匹配 超宽带功率放大器的设计 II THE DESIGN OF ULTRA-WIDE BAND POWER AMPLIFIER ABSTRACT UWB which is a new radio technology in wireless communications has irreplaceable advantages. Ultra-Wideband power amplifier is an important part of UWB wireless communication system. According to the characterist
3、ics of the device,this thesis, which is based on the study of basic circuit structure of ultra-wideband power amplifier and important design parameters such as impedance matching, stability, power gain and band width and so on, designed an Ultra-wideband power amplifier whose working frequency band
4、is 1.6GHz 2.2GHz, power gain is about 20dB, input voltage standing wave ratio is less than 1.5,besides the output voltage standing wave ratio is less than 2,and the optimization and simulation shows the specific circuit and reference parameters. The simulation results which has practical value basic
5、ally meet the design requirements,and gives an analysis and design basis of Ultra-wideband power amplifier for further study. Keywords: Power Amplifier UWB Impedance Matching 超宽带功率放大器的设计 目 录 中文摘要 I 英文摘要 II 1 绪论 1 1.1 UWB 的特点、应用和发展现状 1 1.1.1 UWB的特点 1 1.1.2 UWB的应用 3 1.1.3 UWB的发展现状 4 1.2 功率放大器的分类、特点、现状
6、及发展趋势 5 1.2.1 功率放大器的分类和特点 5 1.2.2 功率放大器的现状 6 1.2.3 功率放大器的发展 趋势 7 1.3 论文研究的目的和意义 7 1.4 论文的主要内容及章节安排 8 2 超宽带功率放大器的设计理论 9 2.1 超宽带功率放大器设计的难点 9 2.2 功率放大器的背景 理论 10 2.2.1 工作频带 10 2.2.2 二端口 S 参数 10 2.2.3 功率增益及增益平坦度 12 2.2.4 输入输出电压驻波比 14 2.2.5 稳定性 16 2.3 负反馈技术 18 2.4 阻抗匹配 19 超宽带功率放大器的设计 2.5 史密斯圆图 20 2.6 本章小结
7、 21 3 超宽带功率放大器的设计 22 3.1 超宽带功率放大器性能指标参数 22 3.2 晶体管的选取 22 3.3 超宽带功率放大器的结构框图 23 3.4 超宽带功率放 大器的第一级设计 24 3.5 超宽带功率放大器的第二级设计 26 3.6 超宽带功率放大器的原理图 27 3.7 电路仿真结果 28 3.7.1 阻抗匹配 28 3.7.2 增益 30 3.7.3 稳定性 30 3.7.4 输入输出电压驻波比 31 3.8 本章小结 32 结束语 33 致谢 34 参考文献 35 超宽带功率放大器的设计 1 1 绪论 1.1 UWB 的特点、应用和发展现状 1.1.1 UWB 的特点
8、 UWB(Ultra Wideband)无线通信是一种不用载波，而采用时间间隔极短 (小于 1ns)的脉冲进行通信的方式，也称脉冲无线电、时域或无载波通信。 UWB 的特点是不使用携载信息信号的载波而代之以单周期的基带信号进行传送。由于占用带宽达 500MHz以上，即使传送路径特性良好也会产生失真 1 。但是，由于 UWB采用非常宽的带宽，它具有以下特点： (1) 可以把多路径的时延分解到 1ns 以下，这样就能充分抑制多路径衰落的影响。 (2) 利用高的路径分解能力，可用 UWB 实现室内的高质量近距离无线通信。 (3) 衰落影响的降低，故发送功率很小即可。 (4) 发送功率低的 UWB 中
9、，功率谱密度非常小，故几乎不对其它宽带传输带来影响。 UWB 的物理特点： (1) UWB 信号 单周期的脉冲序列。 不用余弦波的载波 (也有使用广义上的载波者 )。 通常，脉冲时宽从微微秒到纳秒 典型的脉冲波形为高斯型。 脉冲重复周期通常间隔 0.1 秒。 (2) UWB 带宽 带宽比 =带宽 /中心频率 2 2/)( lhc fff (1-1) cfBW/ (带宽比 )= )/()(*2 lhlh ffff (1-2) UWB 的带宽比通常在 25%以上如 cf =2.4GHz, hf =3.0GHz, lf =1.8GHz 时，带宽比超宽带功率放大器的设计 2 =50%,试与以往的通信方
10、式比较： AM： 6.8KHz/530KHz=1.3% cdmaOne:1.25MHz/800 MHz=0.15% W-CDMA:5 MHz/2200 MHz=0.23% 无线 LAN(IEEE802.11)： 22 MHz/2450 MHz=0.9% (3) 处理增益 (PG) UWB 系统在占用同样带宽下具有与 DS-CDMA 系统同等程度的处理增益，故抗干扰能力强。 (4) 通信容量 使用 GHz 级带宽的 UWB 可以高可靠性实现超高速传输。 UWB 在实用上的特点： (1) 功率谱密度极低 (噪声电平低于 DC-SS)，对原有通信系统的干扰和被干扰小，可共存。 (2) 平均功率电平在
11、 1mW 以下，可传送数英里。 (3) 利用极短的脉冲 (ns 量级 )，具有高的路径分解能力，可实现雷达的高精度测距 (数 cm 级 )。 (4) 无载波，信号发射时间 极短，可建立小型低功率的系统。 (5) 占用非常宽的带宽 (GHz 级 )，可实现大容量多路接入和超高速传输 (数百 Mbps)。 (6) 能同时进行通信与测距，可应用于车辆间通信等。 采用这么宽的频带能实现高速传送的道理可用仙农引入的信道容量来说明无论有线或无线的情况，物理上能对所提供的每个信道进行无误传送的最大传输速度，被定义为信道容量。特别地，在可传输的频段 B 受限，而有噪音产生误码的信道中，信道容量 C 由下式表示
12、 3 ： )/1(2log NSBC (1-3) 在此式中 C=最大信道容量 (bps),B=信道带宽 (Hz)， S 信号功率 (W)， N=噪音功率 (W)。 这就是说，最大传输速度 C 大致与信道的带宽 B 成正比，如提高信噪比， C就能增大。所以，像 UWB 这样把带宽 B 扩展到 GHz 数量级，便能实现超高速超宽带功率放大器的设计 3 传输。 至于信道中的误码，在通常的无线通信中并不仅是噪音，还有墙壁等障碍物的电波反射和折射等造成的多重传播，即所谓多径 (Multi-path)造成信号间的干扰而且在多个用户接入无线信道，即所谓多重接入时，用户间的脉冲在时间上冲突引起用户间干扰，也会
13、产生误码。为此，在 UWB 中，对各个用户进行时跳模式 (TH)的分配，以尽可能避免脉冲在时间上的冲突。尽管如此，但他局脉冲与本局脉冲冲突的概率仍决定着系统的性能。因此，在传输速度一定的条件下，如能扩大脉冲的间距，那么 UWB 的系统性能会更好。 UWB 技术更早是作为脉冲雷达来研究开发的，用 UWB 信号测距的单，当所发送的脉冲碰到障碍物，计算收到其反射信号的时间，用电磁速度乘以该脉冲的往返时间，便能计算出往返的距离。 虽然 UWB 在过去已进行了应用开发，但要商用化应用研究的课题尚有以下各点： (1) 在超宽频段产生时间极短脉冲的电路、元件以及超宽频段天线、高频电路的制造。 (2) 接收时
14、每个脉冲位置的检测精度。 (3) 多路径环境下脉冲信号间的干扰。 (4) 多用户环境下脉冲冲突产生的用户间的干扰 (系统内干扰 )。 (5) 共用频率 (共存系统 )产生的系统间干扰。 1.1.2 UWB 的应用 近年来，对移动信息通信系统的大容量、高可靠和高品质化的要求普遍增强，多种多样的服务正在出现。在超宽带无线通信系统已引入了 CDMA 的 IMT2000及其下行宽带流的 HDR，在无线 LAN 中已开发了 2.4GHz 频段采用 SS(扩频 )方式的 IEEE801.11b 及采用 FH(跳频 )的蓝牙， 5.2GHz 频段采用 OFDM(正交频分复用 )的 HyperLAN2 及 I
15、EEE802.11a，以及可以说是 2.4GHz 版的 IEEE802.11g等，并正在商用化。 这些方式都使用超宽带的调制方式，也能实现高速无线传输。而不用载波、用占用非常宽的频带的脉冲信号进行无线传输的 UWB 方式，由于高频器件、信号处理技术的研究开发已经实现。尤其是考虑到电波法对发送功率的限制等，在超宽带功率放大器的设计 4 应用蓝牙等技术的近距离无线市场中，可实现更高速的基带无线通信，且具有传感功能的 UWB 技术，一下子就受到了人们的关注。可考虑的主要应用包括室内通信、高速无线 LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等。尤其是可考虑以下应用： (1) 通信 数据速度：
16、低速 (几十 kbps)超高速 (数百 Mbps)，通信范围：几米 (约几米 )。 “第 3 代”蓝牙发展或无线 PAN(个人局域网 )。 IEEE802.15(无线 PAN)把 TG3(达到 20Mbps)规范高速化。 家庭内为主要的数据传输，近距离 100Mbps 以上的无线传输。 无线 USB2.0 数据速率： 480Mbps(USB2.0)。 美国 XtreheSpectrum 及 Tiue Domain 公司的 UWB 技术方案。 (2) 雷达、检测器 军事用途。 警察及消防 (穿墙检测器等 )。 高精度测距 (防撞检测器等 )。 1.1.3 UWB 的发展现状 面对美国主导的 UW
17、B 商用化，日本基于产业界的要求，出现了一些动向，但尚未成为统一的行动。日本通信综合研究所 (CRL)从 2002 年 5 月开始 UWB特别 R&D 小组的筹备， 8 月成立了实施 UWB 计划的特别小 组，全面进行微波到毫米波的 UWB 研究开发以及技术标准的制定等，并以 CRL 为中心组成 UWB产学官财团，为有关 UWB 的电波制度的国际协调及日本有关 UWB 商品化的服务为主要目的，推进产学官的合作研究开发。 UWB 产学财团的目的为： (1) 超宽带无线接入系统的研发。 (2) 通过采用测试台的微波段系统 (960MHz、 3.1GHz10.6GHz 频段、22GHz29GHz 频
18、段 )进行检证试验。 (3) 未利用频段 (亚毫米波 毫米波段 )的研发。 (4) 达到高速数据传输 (100Mbps以上 )的低成本收发组件及通信方式的确定。 (5) 希望在信息技术审查 /ARIB 等方面标准化。 超宽带功率放大器的设计 5 UWB 产学财团的主要研究课题为： (1) 频率共用技术。 (2) 超宽带专用通信方式。 (3) 高速 (100Mbps 以上 )传输技术。 (4) 超宽带微波、毫米波器件技术。 (5) 电波传输特性的了解与模型化。 (6) 干扰抑制与去除方式。 (7) 高速脉冲信号处理技术 (RF 段、 BB 段 )。 (8) 位置测定方式。 1.2 功率放大器的分
19、类、特点、现状及发展趋势 1.2.1 功率放大器的分类和特点 在多级放大电路中，输出信号往往都是送到负载，去驱动一定的装置，这类主要向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。其中用的主要器件为功率放大器。 根据匹配网络的性质，可将功率放大器分为非谐振功率放大器和谐振功率放大器。非谐振功率放大器的匹配网络，例如高频变压器、传输线变压器等非谐振系统，其负载呈现纯电阻性质。而谐振功率放大器的匹配网络是谐振系统，其负载呈现电抗性质。 按照电流导通角的不同 4 ，放大器可分为甲类 (A 类 )、甲乙类 (AB 类 )、乙类 (B 类 )、丙类 (C 类 )等。甲 类 (A 类 )放大器电流的导通角为
20、180 度，适应于小信号小功率放大。乙类 (B 类 )放大器电流导通角为 90 度；甲乙类 (AB 类 )介于甲类和乙类之间，电流导通角大于 90 度、小于 180 度；丙类 (C 类 )放大器电流导通角小于 90 度。乙类和丙类都适应于大功率工作状态。丙类工作状态的输出功率和效率是这几种中最高的。功率放大器多采用丙类放大器的形式。但是丙类放大器具有电流波形失真大的缺点，只能采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。 功率放大器还有使功率器件 5 工作与开关状态的丁类 (D 类 )放大器和戊类(E 类 )放大器。丁类放大器的效率高于
21、丙类放大器，理论上可达到 100 ，但它超宽带功率放大器的设计 6 的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗 (集电极耗散功率或者阳极耗散功率 )的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则丁类放大器的工作频率可以提高，即构成所谓的戊类放大器。这两类放大器是晶体管射频放大器的新发展。 功率放大器按照工作状态可分为线性放大器和非线性放大器两种。线性放大器的效率最高也只有 50 ，而非线性放大器则具有较高 的效率。 功率放大电路主要要求获得不失真（或失真较小）的输出功率 6 ，要求输出功率较大和工作效率较高，同时还要满足带宽、增益和稳定性的要求。通常处在大信号工作
22、状态下，放大过程中会产生非线性失真 7 。 功率放大器工作在非线性状态下，属于非线性电路，因此不能用线性等效电路来分析。通常采用的分析方法是图解法和解析近似分析法。图解法是利用电子器件的特性曲线来对它的工作状态进行计算；解析近似分析法是将电子器件的特性曲线用某些近似解析式来表示，然后再对放大器的工作状态进行分析计算。最常用的解析近似分析法是用折线来表示电子器件的特性曲线，称为折线法。总的来说，图解法是从客观实际出发，计算结果比较准确，但对工作状态的分析不方便，步骤比较繁冗；折线近似法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。 1.2.2 功 率放大器的现状 哪里有无线通信，哪里就有发
23、射机，而只要有发射机，就一定有功率放大器。功率放大器发展至今，有许多种类和应用，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功放、也有上千瓦的电视信号发射机，但所有的功放，其设计所遵循的基本规律几乎是相同的。 功率放大器的历史很悠久，甲、乙、甲乙类、丙类的划分方法可以追溯到上世纪 30 年代，现今这样的概念仍然被广泛使用。然而，随着现代通信体制的发展，特别是数字调制技术的产生和应用。功率放大器所涉及的许多概念正被重新定义或者修正。现代功率放大器设计中，引入 了很多过去没有的概念和技术。功率放大大器的设计考虑的因素越来越多，设计中折衷考虑的过程也越发复杂。随着计算机技术和 DSP 技术的发展，设计过程也和传统方法大相径庭，引入了建
