24G+1W+双向智能功率放大器参考资料.docx

2.4G 1W 双向智能功率放大器参考资料（带图片） “务必（双向放大）,否则没意义” 参考资料 1: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 IEEE802.11b/g 兼容的无线通信系统 中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最大输出功率： +30dBm（1W）发射增益：227dB接收增益：214dB接收端噪声系数： < 3.5dB频率响应：〈±ldB输入端最小输入功率门限：

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时达到最 大输出功率与增益的要求前级功率放大芯片选择RFMD公司的RF5189,该芯片主要应用在 IEEE802.11b WLAN、2.4GHz ISM频段商用及消费类电子、无线局域网系统、扩频与MMDS系 统等等RF5189的增益可以通过VREG引脚电压控制，在本设计中VREG电压取+3V,使RF5 189具有最大增益RF5189在2.412GHz~2.482GHz频段增益变化幅度约为0.6dB,线性度较 高由于RF5189片内集成了输入输出端口的匹配电路与RF隔直电容，所以RF5189输入输 出端直接加特性阻抗为50Q的传输线进行信号的传输。

第二级功率放大芯片采用RFMD公司的RF2126RF2126的功率控制端接到RF518 9 功率控制端，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，匹配电路中使用的电容选择自谐振频率与Q值高， 等效串连阻抗 ESR 很小的射频电容，以减小信号在阻抗匹配电路中的损耗低噪声放大（LNA）电路的设计低噪声放大芯片选择Hittite公司的HMC286EHMC286E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1.7 dB的低噪声系数，并且耗电仅& 5mA在2.4GHz时的一阶增益压缩点（PldB）是+6dBm，三 阶交调截取点（IP3 ）是+12dBm在接收低噪声放大器（LNA）输入端加一级带通滤波器，考虑到实际功放尺寸的限 制，本设计采用表面安装的低温烧结陶瓷（LTCC, Low-Temperature Cofired Ceramics ）带 通滤波器BF2520-B2R4CAC它的插入损耗很小，最大为1.5dB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 R F 收发器端和天线端 各加一个射频 单刀双掷（ SPDT） 开关。

直接采用 S kyWorks 公司的 GaAs 集成 SPDT 开关芯片 AS179-9 2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 Circuit DesignGuide）来设计在 2.45GHz 处，Sll=?36.85dB, S21=?0.19dB, S31=?22.70dB, S41=?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=56mil，间距S=20mil，耦合线长 L=650mil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 RF1K49093 构成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 合采用时域测试方法这里主要介绍采用频域测试方法来对双向功率放大器进行测试端口 S 参数的测试回波损耗（RL） =?10log 10 ［（反射功率）/（入射功率）］（dB） S11即为功率放大器 输入端的回波损耗，？S22即为功率放大器输出端的回波损耗发射功率放大增益测试测试信源采用自行设计的ZigBee无线通信模块，输出为2.4G ISM频段直接序列 扩频（DSSS）信号预先测出自制信源模块输出功率为： Pin=?9.2dBm经过功率放大器后输出功率为：P OUT =18.8dBm,所以前向增益为：G_{F}=Pout-Pin=18.8-（-9.2）=28dB发射输入信号最小功率门限的测试 双向功放输入端接Agilent E8257D( 250kHz〜40GHz)PSG模拟信号发生器，输出端接频谱分析仪。

测得最小功率门限为 P INMIN = ? 21.5dBm接收信号放大增益测试相邻信道功率比(ACPR)测量计算公式为 ACPR=\frac{P_{ac}}{P_{mc}} (dBc)对于信号源输出频谱(图 9)：相邻信道功率比(Adjacent Channel Power Ratio) =?40dBc相间信道功率比(Alt erna te Channel Power Ra tio) =?59.6dBc对于双向功率放大器输出频谱：相邻信道功率比(Adjacen t Channel Power Rat io) =?39.3dBc相间信道功率比(Alt erna te Channel Power Ra tio) =?62.8dBc整体电路工作电流测试发射状态双向功放输入端输入？ 9dBm 2.45GHz信号，测试整机电流I= 573mA接收状态双向功放输出端输入?50dBm 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置电压使其 均处在省电状态，大大减小了接收状态下的功耗参考资料 2: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 IEEE802.11b/g 兼容的无线通信系统 中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最大输出功率： +30dBm（1W）发射增益：>27dB接收增益：>14dB接收端噪声系数： < 3.5dB频率响应： <±1dB 输入端最小输入功率门限：

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时达到最大输出 功率与增益的要求前级功率放大芯片选择RFMD公司的RF5189，该芯片主要应用在IE EE802.11b WLAN、2.4GHz ISM频段商用及消费类电子、无线局域网系统、扩频与MMD S系统等等RF5189的增益可以通过VREG引脚电压控制，在本设计中VREG电压取+3V, 使RF5189具有最大增益RF5189在2.412GHz~2.482GHz频段增益变化幅度约为0.6dB, 线性度较高由于RF5189片内集成了输入输出端口的匹配电路与RF隔直电容，所以RF5 189输入输出端直接加特性阻抗为500的传输线进行信号的传输应用电路如图2第二级功率放大芯片采用RFMD公 司的RF2126RF2126的功率控制端接到RF5189功率 控制端，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 500，所以需要外加匹配电路，匹配电路中使用的电容选择自谐振频率与 Q 值高，等效串连 阻抗ESR很小的射频电容，以减小信号在阻抗匹配电路中的损耗。

在本设计中阻抗匹配电 容选择美国技术陶瓷（ATC）公司的ATC100A系列陶瓷电容，它的品质因素（Q值）：〉 10000@1MHz应用电路如图3 3JWT国GUT牌INSPOUTRFINWOOT円MOOT廿如us 即空IBS低噪声放大（LNA）电路的设计低噪声放大芯片选择Hittite公司的HMC286EHMC286E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的 低噪声系数，并且耗电仅8.5mA在2.4GHz时的一阶增益压缩点（P1dB）是+6dBm，三阶 交调截取点（IP3 ）是+12dBm在接收低噪声放大器（LNA）输入端加一级带通滤波器，考虑到实际功放尺寸的限制，本 设计采用表面安装的低温烧结陶瓷（LTCC，Low-Temperature Cofired Ceramics）带通滤波 器BF2520-B2R4CAC。