基于2.4G射频技术功放的设计与实现

当两个或两个以上网络互联时, 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, 可以引入蜂窝或者微蜂窝的网络结构来实现;也可通过增大发射功率扩大覆盖半径来实现。那么相比较前者成本较高, 而后者则相对较便宜, 且容易实现。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, 最终可以应用于与IEEE802.11b/g兼容的无线通信系统中。

一、双功放大器设计

根据时分双工TDD的工作原理, 收发是分开进行的, 因此可以采用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。

二、发射功率放大电路

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RF5189具有最大增益。RF5189在2.412GHz~2.482GHz频段增益变化幅度约为0.6d B, 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50Ω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RF2126。RF2126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50Ω, 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HMC286E。HMC286E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19d B信号增益和1.7d B的低噪声系数, 并且耗电仅8.5m A。在2.4GHz时的一阶增益压缩点 (P1d B) 是+6d Bm, 三阶交调截取点 (IP3) 是+12d Bm。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1.5d B。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RF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SkyWorks公司的Ga As集成SPDT开关芯片AS179-92。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 Circuit Design Guide) 来设计。

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。

双向功率放大器设计指标:工作频率:2400MHz~2483MHz、最大输出功率:+30d Bm (1W) 、发射增益:≥27d B、接收增益:≥14d B、接收端噪声系数:<3.5d B、频率响应:<±1d B、具有收发指示功能, 具有电源极性反接保护功能。

三、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。所以采用了频域测试方法来对双向功率放大器进行测试。

本文是在学习IEEE802.15.4 2.4GHz扩频通信调制方法的基础上设计出适合于IEEE802.15.4的双向功率放大器, 该功率放大器也可以直接用于IEEE802.11b/g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、接收信号放大电路、收发切换电路、功率检测电路、电平平移与驱动电路以及电源管理电路的所需元器件选择和应用电路进行了非常详细的分析与设计。从测试结果看来, 本设计已经达到了预期的要求, 可以应用到工程中。欢迎访问autooo.net