無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送電路的研究與設(shè)計(jì)_射頻功率放大器的匹配

1、41科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)ScienceandTechnologyInnovationHerald IT技術(shù)2009NO.03ScienceandTechnologyInnovationHerald科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)無(wú)線通信是利用電磁波信號(hào)在自由空間中傳播來(lái)進(jìn)行信息交換的一種通信方式。隨著無(wú)線通信技術(shù)的逐漸成熟,無(wú)線通信系統(tǒng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得以應(yīng)用。該通信方式具有通信質(zhì)量較好,設(shè)備簡(jiǎn)單、建設(shè)周期短、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)的發(fā)送離不開發(fā)射電路。射頻電路的好壞影響著數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低。低成本,低功耗,小體積,高性能是一個(gè)優(yōu)秀射頻電路的主要要求。1實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)射頻發(fā)射芯片是射頻發(fā)射電路的主要組成部件。它可以把輸入信號(hào)通過(guò)

2、A S K ,FSK 等調(diào)制方式調(diào)制成的載有有用信號(hào)的高頻載波發(fā)射出去。本章將分析發(fā)射芯片的基本結(jié)構(gòu)和外圍電路1。1.1發(fā)射芯片結(jié)構(gòu)發(fā)射芯片主要包括壓控振蕩器,鎖相環(huán),功率放大器,晶體振蕩器。1.2鎖相環(huán)基本原理鎖相環(huán)路是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng),是將參考相位與輸出信號(hào)之間的相位進(jìn)行比較,產(chǎn)生相位誤差電壓來(lái)調(diào)整輸出信號(hào)的相位,以達(dá)到與參考信號(hào)同頻的目的。鎖相環(huán)是一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路結(jié)構(gòu),由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩三部分組成。鑒相器用于比較輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位輸出電壓是對(duì)應(yīng)與這兩個(gè)信號(hào)相位差的函數(shù)2。1.3發(fā)射芯片外圍電路分析圖1是實(shí)驗(yàn)芯片及其外圍電路3。2射頻功率放大器2.1功率放大器

3、簡(jiǎn)述功放既不是單純追求輸出高電壓,也不是單純追求輸出大電流,而是追求在電源電壓確定的情況下,輸出盡可能大的功率。功放有三個(gè)主要參數(shù):最大輸出功率pom ,轉(zhuǎn)換效率和駐 波比。功放提供給負(fù)載的信號(hào)功率稱為輸出功率,表達(dá)式為。最大輸出功率是在電路參數(shù)確定的情況下,負(fù)載上可能獲得的最大交流功率。功放的最大輸出功率與電源提供的直流功率之比是轉(zhuǎn)換效率。直流功率等于電源輸出電流平均值及電壓之積。功放將電源的直流功率轉(zhuǎn)化成交流信號(hào)功率輸出,只有一部分直流功率被轉(zhuǎn)化成為有用的信號(hào)功率并為負(fù)載所獲得,另一部分被放大器以及電路中的寄生元件所消耗。為了獲得最大的輸入功率,需要較小的輸入反射系數(shù);為了獲得高效率,通常

4、會(huì)在輸出端形成較大的駐波比。2.2實(shí)驗(yàn)功放性能分析本實(shí)驗(yàn)中采用日本三菱公司的功率放大器,它的工作電壓是。此模塊式為非線性FM 調(diào)制設(shè)計(jì),但也可以通過(guò)控制輸入電壓工作在線性區(qū)域 內(nèi)。根據(jù)文獻(xiàn)4可知,功放的等效電路圖包括兩級(jí)放大電路,匹配網(wǎng)絡(luò)由微帶線和LC 元件混合組成4。微帶線又稱微帶傳輸線,是用介質(zhì)材料把單根帶狀導(dǎo)體與接地金屬板隔離而構(gòu)成。微帶線的電性能,如特性阻抗、帶內(nèi)波長(zhǎng)、損耗和功率容量等,與絕緣基板的介電系數(shù)、基板厚度H 和帶狀導(dǎo)體寬度W 有關(guān)。對(duì)于輸入和輸出都要用到特征阻抗為50的微帶線來(lái)進(jìn)行和前極和后極的電路匹配,所以需要設(shè)計(jì)該要求的微帶線。 微帶線的阻抗計(jì)算公式有許多,我們來(lái)驗(yàn)證其

5、中2個(gè)公式的合理化程度。已知介電常數(shù) =9,板厚度h=1mm,微帶線厚度,求寬度 W 。公式一 ,代入數(shù)據(jù)有:;公式二,代入數(shù)據(jù)有:。通過(guò)計(jì)算,兩個(gè)公式結(jié)果大致相同,可見(jiàn)都是正確的,可以通過(guò)他們?cè)谝院蟮脑O(shè)計(jì)中來(lái)計(jì)算微帶線的參數(shù),畫出符合要求的電路板。2.3功放匹配電路分析對(duì)于任何功率放大器設(shè)計(jì),輸出匹配電路的性能是個(gè)關(guān)鍵。當(dāng)功放與芯片匹配時(shí),傳輸線上沒(méi)有反射波,只有入射波,傳輸線上各處的電壓幅度與電流幅度都相無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送電路的研究與設(shè)計(jì)射頻功率放大器的匹配朱寬勝1張彥煒2(1.南京廣播電視大學(xué)江蘇南京2100002.河海大學(xué)江蘇南京210000摘要:隨著現(xiàn)今社會(huì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同領(lǐng)域發(fā)揮愈來(lái)

6、愈重要的作用,人們對(duì)功耗低,穩(wěn)定度高,體積小型化的超短波無(wú)線發(fā)送裝置的需求也越來(lái)越高。本論文首先在發(fā)射芯片n R F 403的基礎(chǔ)上,提出一種發(fā)射功率在2W 左右的無(wú)線發(fā)送電路的實(shí)驗(yàn)方案。論文重點(diǎn)介紹高頻功放的工作原理和因?yàn)樯漕l功率放大器與發(fā)送芯片輸入輸出阻抗不同而引發(fā)的匹配問(wèn)題。關(guān)鍵詞:無(wú)線發(fā)送N R F 403射頻功率放大器中圖分類號(hào):TN7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(200901(c-0041-02作者簡(jiǎn)介: 朱寬勝(1981-男,漢,江蘇南京人,碩士研究生.研究方向:電子與通信工程 張彥煒(1985-男,漢,山西大同人,碩士研究生.研究方向:信號(hào)與信息處理圖1電路42科

7、技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)ScienceandTechnologyInnovationHerald2009NO.03ScienceandTechnologyInnovationHeraldIT技術(shù)科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)等,傳輸線任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗;當(dāng)功放和芯片不匹配時(shí),功放就只能吸收上傳輸?shù)牟糠指哳l能量,而不能全部吸收,未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波7。開始使用并聯(lián)終端匹配。它是在信號(hào)源端阻抗很小的情況下,通過(guò)增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配,達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。并聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn):第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)近似以滿幅度沿傳輸線傳播;第二所有的反射都被匹配電阻吸收;

8、第三負(fù)載端接受到的信號(hào)幅度與源端發(fā)送的信號(hào)幅度近似相同。電阻形式的并聯(lián)匹配,也被稱作戴維南終端匹配,要求的電流驅(qū)動(dòng)能力比單電阻形式小。并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行;顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)是會(huì)帶來(lái)直流功耗如圖:在圖2中,滿足了芯片輸出阻抗為50,但真正進(jìn)入功率放大器的信號(hào)功率并不大。設(shè)芯片輸出功率P,電路總電路 I,通過(guò)R1電流I1,R2 電流I2。由此可得進(jìn)入功放的功率為。這種方法使大量的信號(hào)在匹配電路中損失,最后到達(dá)功放的信號(hào)可能不能達(dá)到激發(fā)功放工作的最小信號(hào)功率。所以輸出匹配電路的功率損耗決定一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣。這些功率損耗出現(xiàn)在匹配網(wǎng)絡(luò)的電容器、電感器,以及其他耗能元件中。輸出匹配的具體電路不

9、同,損耗也不一樣,這里我們關(guān)心的是在匹配網(wǎng)絡(luò)中,RF功率以熱量的形式耗散掉的損耗。效率低不僅會(huì)縮短工作時(shí)間,而且還會(huì)在散熱和可靠性方面帶來(lái)很大的問(wèn)題。電容器的品質(zhì)因數(shù)與它的電容量是成反比的。要想使輸出匹配的耗散損失達(dá)到最小,那么在輸出匹配中,電容的值就必須盡可能地小。折衷是在帶寬和耗散損失之間做出的。對(duì)于一個(gè)功率放大器的效率而言,耗散損失是非常關(guān)鍵的。耗散損失的值就等于匹配網(wǎng)絡(luò)工作功率增益的倒數(shù),而與源阻抗的任何特性都沒(méi)有關(guān)系。為了較小在匹配網(wǎng)絡(luò)上的能量損失,我們又做了一下改進(jìn)。如圖3:理想情況下,理相變壓器初次級(jí)線圈之間的功 率相等 。 有:, 把代入公式,有:只要使初次級(jí)線圈匝數(shù)比滿足條件

10、就可以達(dá)到電路匹配,通過(guò)這種匹配網(wǎng)絡(luò)到達(dá)功率放大器兩端的功率為,大大提高了工作效率。但是在設(shè)計(jì)無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)時(shí),引入一個(gè)變壓器不是一個(gè)明智的選擇。因?yàn)樽儔浩鞯捏w積較大,這會(huì)增加系統(tǒng)的總體積,攜帶極不方便,而且變壓器在耦合過(guò)程中,會(huì)向外泄漏大量的高頻信號(hào),這對(duì)周圍的電路會(huì)產(chǎn)生干擾,甚至使電路因?yàn)樨?fù)反饋無(wú)法正常工作。所以需要進(jìn)一步集成化,低功耗的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)4。然后,我考慮使用傳輸線來(lái)進(jìn)行阻抗匹配。在負(fù)載與傳輸線之間加一段/4(當(dāng)頻率為時(shí),的傳輸線就可以使其匹配。根據(jù)傳輸線阻抗變換特性可知變換段的 特 性阻抗為:,所以有。但這種傳輸線的設(shè)計(jì)十分繁瑣,所以也沒(méi)有被采用。輸出匹配的種類很多,最終

11、的損失也不同。在微波頻譜的低端,傳輸線占據(jù)了太多的空間,所以采用了集總元件的方法。在一個(gè)功率放大器模塊的典型輸出匹配電路中,使用大容量的隔直電容器來(lái)防止直流電流從功率放大器電源流到負(fù)載中去。用表面貼裝電容器和印制電感器以及表面貼裝電感器組成的兩節(jié)低通匹配網(wǎng)絡(luò),可以將50的名義負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)化成合適的負(fù)載線。而負(fù)載線的設(shè)置是根據(jù)指定的功率放大器輸出功率和可用的電源電壓。我們可以采用標(biāo)準(zhǔn)的或高Q 值電容器。還有另一個(gè)正在逐漸流行起來(lái)的做法就是采用集成電容。在許多工藝技術(shù)(包括G a A s 和C M O S 中,高品質(zhì)的金屬-高介電質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)存電容器都是可以用的。雖然匹配網(wǎng)絡(luò)可以不斷地優(yōu)化,但更

12、好的方法是不用匹配網(wǎng)絡(luò),使負(fù)載和芯片直接匹配。最后,我們采用了負(fù)載為50的射頻功放,這樣大大化簡(jiǎn)了電路匹配問(wèn)題,只要解決功放周圍所必需的一兩個(gè)元件就可以了。3功放性能試驗(yàn)結(jié)果當(dāng)電路加上實(shí)驗(yàn)功放時(shí),發(fā)現(xiàn)傳輸距離并沒(méi)有增加,但功放卻發(fā)出大量熱量。所以我們對(duì)此提出一系列問(wèn)題:功放電路是否連接正確?功放發(fā)出的是否為有用信號(hào)?是否因?yàn)楣Ψ虐l(fā)出的信號(hào)太大,產(chǎn)生反饋信號(hào),使電路發(fā)生諧振?是否因?yàn)樾盘?hào)頻率不在功放工作范圍之內(nèi)?為了解決這些問(wèn)題我們通過(guò)降低功放電壓,使用頻率計(jì)測(cè)試輸出信號(hào)的頻率,甚至更換寬待功率放大器等方法進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果都是功率放大器在該電路中沒(méi)有起到任何作用,只是把電源的直流全部轉(zhuǎn)換成熱量發(fā)射出去。最后,通過(guò)查找資料發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中使用的ra13h3340m 功率放大器的最小輸入功率大致需要50dbm,而nrf403的最大輸出功率只有10dbm。這表明芯片不能驅(qū)動(dòng)功放工作,頻率計(jì)檢測(cè)到的200M h z 和420Mhz 信號(hào)只是功放內(nèi)部的自由諧振。所以我們決定在功放前加一個(gè)小功率放大器,提高信號(hào)功率來(lái)驅(qū)動(dòng)ra13h3340工作。但因?yàn)闀r(shí)間問(wèn)題并沒(méi)有完成這個(gè)設(shè)計(jì),會(huì)在以后的學(xué)習(xí)工作中逐步完善。最后在老師的幫助下,我們使用一個(gè)功率為2W 的小功率放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),產(chǎn)生了良好的效果,但最后由于過(guò)壓工作,結(jié)果只維持了幾分鐘。參考文獻(xiàn)1黃智偉.射頻電路設(shè)計(jì)M.北