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2.4G射频双向功放的设计与实现

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    标    签:2 4G双向功率放大

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    解决2.4G无线通讯的传输距离问题,增加功率放大器,对高频2.4G信号进行放大处理,完成有效传输距离的拓扑。

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    2.4 G射频双向功放的设计与实现 The DeSign and ReaIiZation Of 2.4G RF BidireCtiOnaI PoWer Am p嘶er 一武汉大学电子信息学院方舒 武汉大学DSP&SoC实验室张辉全 在两个或多个网络互连时,无 线局域网的低功率与高频率限制了 其覆盖范围,为了扩大覆盖范围,可 以引入蜂窝或者微蜂窝的网络结构 或者通过增大发射功率扩大覆盖半 径等措施来实现。前者实现成本较 高,而后者则相对较便宜,且容易实 现。现有的产品基本上通信距离都 比较小,而且实现双向收发的比较 少。本文主要研究的是距离扩展射 频前端的方案与硬件的实现,通过增 大发射信号功率、放大接收信号提高 灵敏度以及选择增益较大的天线来 实现,同时实现了双向收发,最终成 果可以直接应用于与lEEE802.11lo内兼 容的无线通信系统中。 频率响应:<±1dB 输入端最小输入功率门限: <一15dBm :鼹有收发据示功能 具有电源檄性反援保护功能 根据时分双工TDD的工作原理, 收发是分开进行的,因此可以得出 采用图1的功放整体框图。 功率检波器信号输入端接在RF 信号输入通道上的定向耦合器上。 当无线收发器处在发射状态时,功 率检波器检测到无线收发器发出的 信号,产生开关切换信号控制RF开 关打向发射PA通路,LNA电路被断 开,双向功率放大器处在发射状态。 当无线收发器处在接收状态时,功 率检波器由于定向耦合器的单方向 性而基本没有输入信号,这时通过 开关切换信号将RF开关切换到LNA 通路,PA通路断开,此时双向功率 放大器处在接收状态。 下面介绍重点部位的设计: 发射功率放大(PA)电路 发射功率放大电路的作用是将 无线收发器输入功率放大以达到 期望输出功率。此处选择单片微 波集成电路(MMIC)作为功率放大 器件,并采用两级级联的方式来同 双向功率放大器的设计 双向功率放大器设计指标: 工作频率:2400MHz~2483MHz 最大输}醵功率:+3测Bm(1W) 发射增益:≥27dB 接收增益:≥’4C|B’ 接收端噤声系数:<3 5dB L…一 万方…数据瞄成饥… ◆◆图’2.4GHz双囱功放电路的总体框圈 ”匿2盼5189应用魄麟 时达劐最大竣塞功率与增盏既要 求。前级功.率放大芯片选择RF:MD 公司的RF:5189,该芯片主要应用在 l£EE802,1{b磷走A醚、2。碡G珏z lS鹾颥段 商用及消费类电子、无线局域网系 统、扩频与MMDS系统等等。RF:5189 酶增蓥可激通过V翼嚣G号|黪电疆控 制,在本设计中V照G电压取+3V, 使RF5189具有最大增益。RF5189在 2。4控GHz吨+482GHz频段增益变馥二 幅度约为O.6d8,线性度较高。出于 RF5189片内集成了输入输出端阳的 匹配电路与RF疆盏电容,所以 RF5189输入输出端崴接加特性阻抗 为50Q的传输线进行信号的传输。 应焉电路安羹圈2。 第二缀功率放大芯片采用雕MD 公司的RF2126。RF:2126的功率控 制端接到RFSl89功率控利端,两片 功率放大芯片采用统一的控制电 压信号进行控制。它的输入输出 阻抗并不是50Q,所以需要外加匹 配电路,匹配电路中使蔫的电容 选择自谐振频率与Q值高,簿效 串连阻抗ESR很小的射频电容, 潋减小信号在阻抗匮配电路中酶 损耗。在本设计中阻抗匹配电容 选择美豳技术陶瓷(A丁C)公镯的 解C{00A系弼陶瓷泡容,它的麓质 匿素<Q谴):>loooo@{麓Hi 应用电路如图3。 低嗓声放大《LNA)电路的设计 低嗓声放大芯片选耩H聪te公 司的HMC286臌。HMC286臣是专门为 2,3GHz ̄2。5GHz的扩频系统设计的 低噪声放大器(LNA),在+3V供电情 况下可以提供19dB信号增益和1.7dB 兹低噪声系数,并盥耗毫仅8。_5mA。 在2.4GHz时的一阶增益压缩点 (P1dB)是+6dBm,三阶交调截取点 (1P3)是+{2d8m。 在接收低噪声放大器(LNA)输 入端加~级带通滤波器,考虑到实 际功敖尺寸戆隈刺,本设诗采糟表 面安装的低温烧结陶瓷(LTCC,Low- 丁emperature Cofired Ceramics)带通 滤波爨转F2520—82歉4eAC。它懿插 入损耗微小,最大为1.5dB。 BF2520一B2R4CAC带通滤波器S 参数热黧4赝示。 收发切换电路的设计 为了使功放电路可以工作在TDD 模式下,在筹收发器端帮天线鞴各翔 一 采个用射SI频(y单燃刀公双司掷的(SPGD吣T)集开成关。SP商D丁接 玲翅3盼2126慰趱电路 “r… “p N ∞∞协 ∞∞∞ ∞口∞ 狱 Sll S22 y 丁1 \ /、 l靼 / h。 \ \ s永 // 珂 y \f 0 1 2 3 4 S 6 7 8 舱q,GHZ ”。黼霹8F翁20—82R4CRC瓣S参数避线  万方数据 世券电子元器件2007.5 gec.eccn.com 设计应 用Deslgn&AppHcati。ns 表1 ”图5 C(dB)= 15.OO S21 矿 ~ 1 1r ,,/。 ∞ D — cI) / ./ _,一一 /。 /。 面 - } /。 —。r!。 |/ / ,,,一 一 } /≯。 百11 { ;,厂 I} 1r O。0 O.5 1.O 1.5 2.O 2.5 3.O freq,GHz 峥图6电平平移与 驱动电路 ·|I 【 万方数据 世界电子元器件2007.5 gec.eccn.com 开关芯片ASl79—92。该芯片插入损 耗为0.4db,上升下降时间为10ns。 功率检测电路的设计 切换控制信号通过对功率检波 器输出信号整形变换得到,因此功 率检测电路的性能对实现收发控制 至关重要。功率检测芯片选择Linear 公司的LT5534ESC6。为了不使在接 收状态下,接收功率较大时功率检 波器输出大电压值,还有就是使功 率检测电路的引入不影响信号通路 的特性阻抗,因此功率检波器RF输 入端不直接接在功率放大器信号输 入端,而是采用微带线定向耦合器 从RF通路中耦合出一部分功率输 入到功率检测电路中。耦合微带线 定向耦合器用ADS2005A的无源电 路设计向导(Passive CircⅢDesign— Guide)来设计。对设计出来的耦合 微带线定向耦合器进行S参数仿真, 界面为图5。 在2.45GHz处,S11=一36.85dB, S21=一0.19dB,S31=一22.70dB, S41_一15.08dB。所以方向性系数 D=5.62dB。 最终取微带耦合线的物理尺寸 为:微带线宽度W=56miI,问距 S=20mil,耦合线长L=650m¨。 电平平移与驱动电路的设计 功率检测电路输出的是一个接 近线性的电压信号而不是逻辑高低 电平信号,不适合直接控制RF开关。 因此需要一个电平平移与驱动电路 来将单一的初始控制信号变成稳定 的驱动能力强的一对反相的控制信 号。所以电路采用一个三极管9011和 一个双P沟道场效应管RFK49093构 成。电平平移与驱动电路如图6所示。 双向功率放大器的测试 由于所设计的双向功率放大器 是专门针对扩频通信系统的,所以 输入输出信号都是扩频信号,而且 工作频率较高,如果要观察信号波 形的话对测试仪器要求很高,所以 不适合采爝时装溺试方法。这鍪主 要介绍采用频域测试方法来对淑向 功率放大器进行测试。 辅蠢S参数豹测试 采用安利公司的Anritsu 37269C 矢量网络分析仪测量,农2.4GH'2.5GHz 频段S参数数据觅表1。 回波损耗(RL)一一10Iog,。[(反射 功率)/(入射功率)](d8) 一S朝帮为功率放大器辕入端懿 回波损耗,~S22即为功率放大器输 出端的回波损耗。 发射璃率放大壤豢测试 测试信源采用自行设计的Z.g融ee 无线通信模块,输出为2。4G}SM频 段直接序硼扩频(DSSS)信号。 预先测出自制信源模块输出功 率为:Pin一一9J2dBm。 宣翻傣源模块输国信号频谱魏 圈7所示。 测试缕果如图8所示。 经过磅率放大器后输密功率 袭2接收信嚼放大增益灏4试数据 辕入秘率 一60dBm —SOdBm 一40鸱fn 辍纛功率 一45.2dBm 一35。7d3m 一26.1dBm 增益 14.8dB 14.3dB {3.9撼 为:p㈨=18.8d8m,所以前肉增益为: 《舅一鳓材f一只栉=18。8一(一g。2)一28翘 发射输入信号最小功率门限的测试 双向功敖输入端接Agi咖t E8257D (25。kHz~4。G卜髓PsG模拟信号发生 器,输出端接频谱分析仪。测得最小 功窭门限为P删w=一21.5d8m。 接收傣号放大壤益测试 测试结果数据见表2。 提邻楼道功率沈《众ePR》溅墨 计算公式为■cPR=争n (dBc) J删 对于信号源输出频谱(图9): 糯邻信道功率院(A翻acent Chan— neI pOwer RatiO)=一40dBc 相问信邀功率比(Alterna{e Channe|POwef致瞌lO)=一59.6蠢Be 对予双向功率放大器输出频潜: 福邻倍道功率魄<A谚ace瞰ChGn- neI Power Ratio)=一39.3dBc 相闻信道功攀比(AIternate P僦r Channel R馥10)一一62。8d8c 整体电路工作电流瀵|j试 发窭尊状态 双商功放输入端输入一瞄m 2.45GHz信号,测试整机电流I=573mA 接收状态 双离功敖输出灞输入一5溯8m 2.45GHz信号,测试整机电流I=52mA 所设计的双向功率放大器处在 接收状态时通过控制发射功率放大 模块的偏盟电压使典均处在省电状 态,大大减小了接收状态下的功耗。 结论 ¨霉g檬邻僖遭功察诧等框闻德遽臻拳陡 目前图内针对个人无线局域网 静射频功率藏大器昀耜关资料稽对 比较少,:卷片厂商提供的器件手册也 相当简略。本设计是学习IEEE802,15.4 2.4G投扩频逶信调制方法酶基硝土 设计出适合于IEEE802.15.4的双向功 率放大器,该功率放大器也可以随接 爱予lEEi8娩。{1哟收发系统中。根 据实际需要确定功率放大器的电路 结构,依次对发射功率放大电路、接 收信号敖大电路、收发锈换电路、功 率检测电路、电平平移与驱动电路 以及电源管理电路瞬所需元器件选 择零应震邀路进行了遵≥鬻详缀酶分 析与设计。从测试结果看来,本设 计已经达到了预期的要求,可以广 泛瘦尾到工程中。豳  万方数据 世弊电子元器件2007.5 gec.eccn.com 2.4G射频双向功放的设计与实现 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 方舒, 张辉全 方舒(武汉大学电子信息学院), 张辉全(武汉大学DSP & SOC实验室) 世界电子元器件 GLOBAL ELECTRONICS CHINA 2007,(5) 2次 引证文献(2条) 1.张俊雄.王军政.刘治钢 ZigBee无线通讯网络的高功率电路设计与应用[期刊论文]-电子技术应用 2008(11) 2.邓中亮.戚威 2.4 GHz WLAN无线功率放大器的设计与实现[期刊论文]-现代电子技术 2008(23) 本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_sjdzyqj200705011.aspx 授权使用:苏州大学图书馆(wfszdx),授权号:358d53e2-d80e-401d-93e5-9eae00ea1854 下载时间:2011年3月22日

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