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。关键词：功率放大器
2、 超宽带 阻抗匹配超宽带功率放大器的设计II 超宽带功率放大器的设计II THE DESIGN OF ULTRA-WIDEBAND POWER AMPLIFIERABSTRACTUWB 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 characteris
3、tics 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 basi
5、cally 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 II1 绪论 11.1 UWB 的特点、应用和发展现状 11.1.1 UWB 的特点 11.1.2 UWB 的应用 31.1.3 UWB 的发展现状 41.2 功率放大器的分类、特点、现状及发展趋势 5
6、1.2.1 功率放大器的分类和特点 51.2.2 功率放大器的现状 61.2.3 功率放大器的发展趋势 71.3 论文研究的目的和意义 71.4 论文的主要内容及章节安排 82 超宽带功率放大器的设计理论 92.1 超宽带功率放大器设计的难点 92.2 功率放大器的背景理论 102.2.1 工作频带 102.2.2 二端口 S 参数 10超宽带功率放大器的设计2.2.3 功率增益及增益平坦度 122.2.4 输入输出电压驻波比 142.2.5 稳定性 162.3 负反馈技术 182.4 阻抗匹配 192.5 史密斯圆图 202.6 本章小结 213 超宽带功率放大器的设计 223.1 超宽带功
7、率放大器性能指标参数 223.2 晶体管的选取 223.3 超宽带功率放大器的结构框图 233.4 超宽带功率放大器的第一级设计 243.5 超宽带功率放大器的第二级设计 263.6 超宽带功率放大器的原理图 273.7 电路仿真结果 283.7.1 阻抗匹配 283.7.2 增益 303.7.3 稳定性 30超宽带功率放大器的设计3.7.4 输入输出电压驻波比 313.8 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11 绪论1.1 UWB 的特点、应用和发展现状1.1.1 UWB 的特点UWB(Ultra Wideband)无线通信是一种不用载波，而采用时间间隔
8、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 。但是，1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，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
9、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。超宽带功率放大器的设计2(2) UWB 带宽带宽比=带宽/中心频率 2(1-1)2/)(lhcff(带宽比)= (1-2)cfBW/ )/(*lhlhffUWB 的带宽比通常在 25%以上如 =2.4GHz, =3.0GHz, =1.8GHz 时，带宽cfhflf比=50%,试与以往的通信方式比较：AM：6.8KHz/530KHz=1.3%cdmaOne:1.25MHz/800 MHz=0.15%W-CDMA:5 MHz/2200 M
10、Hz=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 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，可实现雷达的高超宽带功率放大器的设计3精度测距(数 cm 级)。(4) 无载波，
11、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 ：3(1-3)/1(2logNSB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
12、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
13、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。超宽带功率放大器的设计4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
14、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 IEEE802.11a，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：低速(几十 kbps)超高速(数百 Mbps)，通信范围：几米(约
