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1 引言 有別于傳統無線系統采用連續載波調制，脈沖超寬帶(Impulse Radio Ultra-wideband，IR-UWB)技術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、抗多徑能力強等特點，超寬帶技術在短距離雷達和通信系統中有著廣泛的應用前景。眾所周知胝頻電磁波對混凝土等墻壁有很強的穿透性能，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，應使其具有豐富的低頻分量；脈沖的寬度決定著目標距離探測的精度，脈沖越窄，雷達的距離分辨力越高。但是，脈沖寬度越窄，其頻譜越寬，峰值電壓也就越小，以至于不能驅動功率放大器，因此需針對脈沖頻譜特點設計一個相應的能工作在低頻段的超寬帶放大器。放大后的脈沖電壓對能否驅動功率放大器工作起著決定作用，并且．放大器的性能對整個系統的性能指標也起著重要作用，這就需要放大器在具有較高增益的同時噪聲系數要盡可能的低。 本文根據穿墻探測雷達系統的實際需要，設計并制作了工作在O.1-1.8GHz的超寬帶脈沖信號低噪聲放大電路，增益約為23.6dB，噪聲系數小于1.5dB，對脈沖信號的放大效果良好。 2 超寬帶低噪聲放大電路的設計 根據超寬帶脈沖信號的頻譜特征，應該把帶寬、增益、噪聲系數作為主要指標考慮。目前設計的脈沖信號的-lOdB帶寬約為1GHz，從300MHz到1.3GHz，因此放大器的工作頻段應覆蓋這個頻段范圍，為了盡量避免放大后脈沖展寬，設計時放大器的帶寬范圍定為從100 MHz到1.8GHz。由于空氣對低頻信號衰減嚴重，脈沖在發射前須經功率放大器放大。 但是由于脈沖的峰值電平小(約85mV)，不能驅動功率放大器，為了確保經低噪聲放大后的脈沖電壓能驅動功率放大器工作，把放大器的設計增益定為25dB。 超寬帶LNA設計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，為了實現寬帶放大，就必須對增益的滾降特性進行補償，使低頻段增益壓低。設計時我們選用雙極性晶體管BFP420，采用兩級放大器級聯反饋式的設計方案，其拓撲結構如下圖所示。 
圖1放大器拓撲結構圖 電路采用單電源供電，第一級和第二級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具有增益補償作用。從結構圖中可以看出，電路主要有兩個接地的串聯負反饋，一個級間負反饋和一個并聯負反饋組成。通過這幾個反饋，補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，從而達到增益平坦的目的，同時這幾個反饋也增加了放大器的穩定性。 確定了電路的基本結構后，再根據所要的增益選取晶體管靜態工作點，通過計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的穩定性，只有在絕對穩定的條件下，放大器才能正常工作。通過兩個公式和SMITH圓圖來進行晶體管的穩定性設計。晶體管絕對穩定的條件為：
為了獲得低噪聲和一定增益就需要獲得相應的源反射系數和負載反射系數，關鍵在于阻抗匹配。噪聲系數是晶體管的一個重要指標．可用下式表示：
Fmin是晶體管的最小噪聲系數，Rn是晶體管的等效噪聲電阻，Zn為系統阻抗，一般為50Ω，當源反射系數Γs=Γopt時可以獲得最小噪聲高。器放大器的增益可表示為：
當輸入輸出都達到共軛匹配Γs=Γin,ΓL=Γout可以獲得最大增益。根據上述匹配原則對電路的輸入端、輸出端以及中間級聯進行匹配設計。根據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滿足，我們在增益、噪聲系數、輸入輸出駐波等幾項指標中取折中達到最終的要求。在放大器的第一級按最小噪聲匹配原則進行設計。雖然放大倍數很小，但能達到低噪聲的要求。第二級按最大增益原則設計匹配電路，對信號起到真正放大的作用，從而完成整個電路的設計。 3 電路的仿真和測試 利用Aglient-ADS軟件建立S參數仿真測試平臺對其進行小信號S參數優化仿真，經過不斷優化仿真，得到的結果如圖2所示。
圖2 S參數仿真結果 從優化仿真結果可以看出：在100MHz到1.8GHz頻段范圍內，增益dB(S21)為251dB，噪聲系數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，符合放大器的設計要求。 通過仿真后，我們對該電路進行制板調試。在測試電路時給電路加12V的直流電源，使用Aglient 8753ES矢量網絡分析儀測得的增益結果如圖3所示：
圖3 S21的測試結果 根據測試結果可以看出，所加電壓為12V時，在100MHz-1.8GHz這個頻段范圍內放大器的最大增益為24.8dB，最小增益為22.4dB，實際測得的數據平均比仿真得到的結果小1.5dB左右，造成偏差的原因可能有：基板參數的確定，電路板制作和焊接過程中造成的誤差，電感值的誤差等。 4 脈沖信號放大的實現 實際穿墻探測雷達系統中產生的脈沖波形和它的頻譜如圖4所示：
圖4脈沖信號的時域和頻域波形 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，信號的-lOdB帶寬約為1GHz，對應的下限頻率為300MHz，上限頻率為1.3GHz，中心頻率為800MHz，頻譜能量最高點對應的功率為-39．64dBm，這個功率在放大器能線性放大的輸入功率范圍內，所以可以用放大器將此脈沖進行放大。把脈沖產生器和放大電路直接相連，測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，經放大后超寬帶脈沖信號的波形保持得較好，脈沖的正峰值電壓幅度被放大到858.4mV，放大了10倍。由于設計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，也沒有出現拖尾現象。由于所設計的放大電路的噪聲系數小于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，頻譜能量最高點對應的功率放大到-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。總體上講，該放大電路對脈沖信號的放大效果良好。 5 總結 利用Aglient-ADS軟件設計出了超寬帶信號的低噪聲放大電路，其工作頻段為100MHz～1.8GHz，增益約為23.6dB，噪聲系數小于1.5 dB，實測結果比較理想．對窄脈沖信號的正峰值可以放大約lO倍，為后期課題的進展奠定了良好的基礎。 本文作者創新點：本文根據困家自然科學基金項目“基于UWB信號的隱藏活動目標自適應檢測技術研究”的需要，設計了一個可以將UWB脈沖信號放大的超寬帶低噪聲放大器，并取得了良好的放大效果。 作者：蔣俊杰 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第25卷第1-2期 |
