1 、引言

超寬帶(Ultra Wideband-簡稱UWB)技術是一種利用ns 級寬度極窄脈沖作載體的無線傳輸技術，其射頻(RF)傳輸帶寬通常超過1GHz。因此，這種超寬帶傳輸方式相對常規窄帶傳輸方式有低功率譜、低截獲、抗干擾能力強、可高速數據傳輸等優點，用途非常廣泛，在精確定位、雷達、無線檢測、無線通信等諸多方面都有重要應用。

UWB 技術在短距離高速數據傳輸應用上雖然優勢明顯。

然而無論是單脈沖UWB 信號還是多脈沖UWB 信號，其發射功率強度有限， 不能很好的抵抗突發脈沖的干擾和有效的遠距離通信。為了實現有效的通信和適應在某些特殊應用的場合，比如軍事，礦井通信，電磁環境惡劣情況下通信等等，這時需要突破FCC 關于UWB 信號強度規范的限制，提高UWB 信號的發射功率，滿足系統特定的通信要求。這就需要在UWB 發射機加置功率放大器來有效放大UWB 信號。

2 、UWB 高速(100M)數據傳輸系統

UWB 短距離高速數據傳輸系統可以實現從PC (個人計算機)到PC 的10m 范圍內的高速數據傳輸，其發射部分簡化框圖結構如圖1 所示:

PC 機上的待傳輸數據通過USB 接口電路傳送到基帶處理電路，經過卷積，交織，編幀，調制等一系列處理后產生100Mbps的基帶碼元信號， 此基帶碼元信號用以控制射頻發射機的振蕩器工作狀態，從而產生高速的UWB 信號，這樣產生的UWB 信號為高斯包絡正余弦脈沖，它的時域表達式為式(1)所示:

振蕩器產生的UWB 信號可以滿足一般情況下的高速(100M)數據傳輸，傳輸距離一般為3m，但為了滿足特定情況下的通信需要或增加傳輸距離，就需要在振蕩器后加置功率放大器來有效放大UWB 信號，加置功放后的最大傳輸距離可以達到10m。

3 UWB 功率放大器的電路設計與實現

微波單片集成電路(MMIC)是用半導體工藝把有源器件、無源器件和微波傳輸線、互連線等全部制作在一片砷化鉀或硅片上而構成的集成電路。MMIC 工作頻率可以從1GHz 到100GHz以上，最適宜應用于分米波的高頻端，厘米波和毫米波(包括亞毫米波)的頻帶范圍。相對于混合集成電路的優勢包括:集成度高，體積小，質量輕，高可靠性，低寄生效應，更大的帶寬和更高的工作頻率。廣泛的應用于定位接收機、靈巧武器、雷達、電子對抗和通信等前端電路。結合UWB 高速數據傳輸系統的特點，我們采用MMIC 芯片實現UWB 信號功率放大器的設計與實現。要求工作頻段在3~4GHz 左右， 其工作帶寬要求大于500MHz，要求頻帶內增益平坦度平滑，電路工作性能穩定。其功率增益的要求為20-30dB 左右。具體電路實現上我們分別采用兩種芯片TC3331 和HMC327 來實現。

3.1 基于TC3331 的電路設計

要設計寬帶功放，首先要有合適的功放管，它也是設計中一個最基礎的環節， 同時關系到后續電路設計能否很好的滿足系統的性能要求。設計采用TRANSCOM 公司的PHEMT MMIC 功放單片TC3331，TC3331 是兩級的MMIC 功率放大器。工作頻段為3.3~3.8GHz(-3dB 帶寬)，可以實現帶寬500MHz， 輸出功率30dBm， 功率增益30dB， 工作電壓一般為7V、電流為700mA。輸入駐波比VWSR 最大值為2:1。具有低成本、高性能的優點。

3.1.1 電路原理圖

電路利用芯片MAX881R 實現直流偏置電路。基于MMIC器件的功率放大器設計中，直流偏置電路不僅要隔離射頻信號，而且能提供放大器正常工作時的時序偏置電壓和電流。直流電源提供正確的電壓值(約3.7V)給MAX881R。芯片MAX881R 的7 腳OUT 一般輸出為-2V， 但是該輸出值是可以通過6 腳外接電路調節的，通過電阻R3 和R4 與6 腳接合在一起進行電路分壓，此時OUT 輸出的值為-1V，以滿足TC3331 直流偏置Vg=-1V的供電要求。調節的計算公式分別如(3)式和(4)式所示:

因為TC3331 要求Vg 為-1V，所以通過(3)式和(4)式可計算得。IRF9540N 由4 腳驅動控制，當無電源供給時(VCC=0 V)，MAX881R 芯片4 腳處于高電平， 控制IRF9540N 工作于截止狀態， 源極無電壓輸出; 當有正確電源(VCC≠0)供給時，經過一段時間MAX881R 達到穩定后，4 腳輸出變為低電平來控制IRF9540N 導通正常工作， 提供給功放管TC3331 正常的漏極電壓，使功放管正常工作。

3.1.2 測試結果

對實際放大器電路進行測試， 測試輸入信號源采用中心頻率為3.407GHz，速率為100MHz 的UWB 信號。測試的結果如圖3，圖4 所示。圖3，圖4 是對UWB 信號測試的結果對照圖，信號的功率從-5.11dBm 增加到22.45dBm，增益約27.5dB，小信號增益已經接近功放管的理想放大增益值30dB。可以看出圖4 中UWB 信號的頻譜比圖3 放大后UWB 信號的頻譜有更平滑的信號頻譜特性，說明UWB 信號的波形失真小，該放大器的線性度高，可以滿足系統的設計要求。

3.2 基于HMC327 的電路設計

系統中UWB 信號的理論中心頻率是3.5GHz， 功放的工作頻帶要求是500MHz， 基于TC3331 的UWB 超寬帶功率放大器可以滿足放大UWB 信號的要求， 但其工作頻段為3.3G—3.8GHz，工作帶寬稍顯不足。如果達不到工作帶寬要求，將會導致UWB 信號傳輸效果變差，在接收端產生數據誤判，影響通信質量。所以進一步加寬工作頻帶是必要的。

想要加寬工作帶寬， 最可行的辦法就是選擇高性能的功放芯片，經過比較，決定采用Hittite 公司的HMC327 芯片來解決這個問題。相比較TC3331 而言，它的工作帶寬是3G—4GHz，可以滿足系統工作帶寬的要求，而且它的電路結構相對簡單，無需外加偏置電路。但它的典型增益只有21dB，小于TC3331 的30dB的典型增益。

3.2.1 電路原理圖

圖5 HMC327 功放電路原理圖從圖5 可以看出，UWB 信號通過3 腳輸入HMC327 進行功率放大， 電路采用雙電源供電， 電源Vct1=Vs=5V， 分別通過HMC327 的1 腳和8 腳供電， 芯片的5 腳與6 腳作為電路的輸出端輸出放大了的UWB 信號。

3.2.2 測試結果

圖6 與圖7 是對UWB 信號放大的前后對照測試圖， 可以看到UWB 窄脈沖信號的功率從-9.58dBm 增加到8.34dBm，增益為17.92 個dB。考慮到實際測試中的線損約有2-3 個dB。實際增益有20dB，工作頻帶大于500MHz，有效的放大了UWB 信號，可以有效提高傳輸距離。

4 結論

本文介紹了超寬帶功率放大器（在給定失真率條件下，能產生最大功率輸出以驅動某一負載(例如揚聲器)的放大器）的設計與實現。提出了兩種行之有效的電路， 基于芯片TC3331 的電路能夠充分放大UWB信號但工作帶寬有限且電路結構相對復雜。由此提出了另一種基于芯片HMC327 的實現電路， 其工作帶寬較寬， 電路結構簡單， 但增益較TC3331 小， 這就使傳輸距離和抗干擾性相比TC3331 較差。總體而言，兩種電路可以根據不同需要，分別應用在不同的場合來放大UWB 信號，從而滿足UWB 短距離高速數據傳輸系統的需求。