無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路的研究與設計_射頻功率放大器的匹配

1、41科技創(chuàng)新導報ScienceandTechnologyInnovationHerald IT技術2009NO.03ScienceandTechnologyInnovationHerald科技創(chuàng)新導報無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播來進行信息交換的一種通信方式。隨著無線通信技術的逐漸成熟,無線通信系統(tǒng)在越來越多的領域得以應用。該通信方式具有通信質量較好,設備簡單、建設周期短、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。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)質量的高低。低成本,低功耗,小體積,高性能是一個優(yōu)秀射頻電路的主要要求。1實驗硬件設計射頻發(fā)射芯片是射頻發(fā)射電路的主要組成部件。它可以把輸入信號通過

2、A S K ,FSK 等調制方式調制成的載有有用信號的高頻載波發(fā)射出去。本章將分析發(fā)射芯片的基本結構和外圍電路1。1.1發(fā)射芯片結構發(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)路是一個相位誤差控制系統(tǒng),是將參考相位與輸出信號之間的相位進行比較,產(chǎn)生相位誤差電壓來調整輸出信號的相位,以達到與參考信號同頻的目的。鎖相環(huán)是一個負反饋環(huán)路結構,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與壓控振蕩器輸出信號的相位輸出電壓是對應與這兩個信號相位差的函數(shù)2。1.3發(fā)射芯片外圍電路分析圖1是實驗芯片及其外圍電路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。功放有三個主要參數(shù):最大輸出功率pom ,轉換效率和駐 波比。功放提供給負載的信號功率稱為輸出功率,表達式為。最大輸出功率是在電路參數(shù)確定的情況下,負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化成交流信號功率輸出,只有一部分直流功率被轉化成為有用的信號功率并為負載所獲得,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、會在輸出端形成較大的駐波比。2.2實驗功放性能分析本實驗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 調制設計,但也可以通過控制輸入電壓工作在線性區(qū)域 內(nèi)。根據(jù)文獻4可知,功放的等效電路圖包括兩級放大電路,匹配網(wǎng)絡由微帶線和LC 元件混合組成4。微帶線又稱微帶傳輸線,是用介質材料把單根帶狀導體與接地金屬板隔離而構成。微帶線的電性能,如特性阻抗、帶內(nèi)波長、損耗和功率容量等,與絕緣基板的介電系數(shù)、基板厚度H 和帶狀導體寬度W 有關。對于輸入和輸出都要用到特征阻抗為50的微帶線來進行和前極和后極的電路匹配,所以需要設計該要求的微帶線。 微帶線的阻抗計算公式有許多,我們來驗證其

5、中2個公式的合理化程度。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:。通過計算,兩個公式結果大致相同,可見都是正確的,可以通過他們在以后的設計中來計算微帶線的參數(shù),畫出符合要求的電路板。2.3功放匹配電路分析對于任何功率放大器設計,輸出匹配電路的性能是個關鍵。當功放與芯片匹配時,傳輸線上沒有反射波,只有入射波,傳輸線上各處的電壓幅度與電流幅度都相無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路的研究與設計射頻功率放大器的匹配朱寬勝1張彥煒2(1.南京廣播電視大學江蘇南京2100002.河海大學江蘇南京210000摘要:隨著現(xiàn)今社會無線傳感器網(wǎng)絡在不同領域發(fā)揮愈來

6、愈重要的作用,人們對功耗低,穩(wěn)定度高,體積小型化的超短波無線發(fā)送裝置的需求也越來越高。本論文首先在發(fā)射芯片n R F 403的基礎上,提出一種發(fā)射功率在2W 左右的無線發(fā)送電路的實驗方案。論文重點介紹高頻功放的工作原理和因為射頻功率放大器與發(fā)送芯片輸入輸出阻抗不同而引發(fā)的匹配問題。關鍵詞:無線發(fā)送N R F 403射頻功率放大器中圖分類號:TN7文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(200901(c-0041-02作者簡介: 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:信號與信息處理圖1電路42科

7、技創(chuàng)新導報ScienceandTechnologyInnovationHerald2009NO.03ScienceandTechnologyInnovationHeraldIT技術科技創(chuàng)新導報等,傳輸線任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗;當功放和芯片不匹配時,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。它是在信號源端阻抗很小的情況下,通過增加并聯(lián)電阻使負載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配,達到消除負載端反射的目的。并聯(lián)終端匹配后的信號傳輸具有以下特點:第一驅動信號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、第三負載端接受到的信號幅度與源端發(fā)送的信號幅度近似相同。電阻形式的并聯(lián)匹配,也被稱作戴維南終端匹配,要求的電流驅動能力比單電阻形式小。并聯(lián)終端匹配優(yōu)點是簡單易行;顯而易見的缺點是會帶來直流功耗如圖:在圖2中,滿足了芯片輸出阻抗為50,但真正進入功率放大器的信號功率并不大。設芯片輸出功率P,電路總電路 I,通過R1電流I1,R2 電流I2。由此可得進入功放的功率為。這種方法使大量的信號在匹配電路中損失,最后到達功放的信號可能不能達到激發(fā)功放工作的最小信號功率。所以輸出匹配電路的功率損耗決定一個匹配網(wǎng)絡性能的優(yōu)劣。這些功率損耗出現(xiàn)在匹配網(wǎng)絡的電容器、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,這里我們關心的是在匹配網(wǎng)絡中,RF功率以熱量的形式耗散掉的損耗。效率低不僅會縮短工作時間,而且還會在散熱和可靠性方面帶來很大的問題。電容器的品質因數(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。對于一個功率放大器的效率而言,耗散損失是非常關鍵的。耗散損失的值就等于匹配網(wǎng)絡工作功率增益的倒數(shù),而與源阻抗的任何特性都沒有關系。為了較小在匹配網(wǎng)絡上的能量損失,我們又做了一下改進。如圖3:理想情況下,理相變壓器初次級線圈之間的功 率相等 。 有:, 把代入公式,有:只要使初次級線圈匝數(shù)比滿足條件

10、就可以達到電路匹配,通過這種匹配網(wǎng)絡到達功率放大器兩端的功率為,大大提高了工作效率。但是在設計無線發(fā)射系統(tǒng)總體結構時,引入一個變壓器不是一個明智的選擇。因為變壓器的體積較大,這會增加系統(tǒng)的總體積,攜帶極不方便,而且變壓器在耦合過程中,會向外泄漏大量的高頻信號,這對周圍的電路會產(chǎn)生干擾,甚至使電路因為負反饋無法正常工作。所以需要進一步集成化,低功耗的輸出匹配網(wǎng)絡4。然后,我考慮使用傳輸線來進行阻抗匹配。在負載與傳輸線之間加一段/4(當頻率為時,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。但這種傳輸線的設計十分繁瑣,所以也沒有被采用。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防止直流電流從功率放大器電源流到負載中去。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,可以將50的名義負載阻抗轉化成合適的負載線。而負載線的設置是根據(jù)指定的功率放大器輸出功率和可用的電源電壓。我們可以采用標準的或高Q 值電容器。還有另一個正在逐漸流行起來的做法就是采用集成電容。在許多工藝技術(包括G a A s 和C M O S 中,高品質的金屬-高介電質-金屬結構的儲存電容器都是可以用的。雖然匹配網(wǎng)絡可以不斷地優(yōu)化,但更

12、好的方法是不用匹配網(wǎng)絡,使負載和芯片直接匹配。最后,我們采用了負載為50的射頻功放,這樣大大化簡了電路匹配問題,只要解決功放周圍所必需的一兩個元件就可以了。3功放性能試驗結果當電路加上實驗功放時,發(fā)現(xiàn)傳輸距離并沒有增加,但功放卻發(fā)出大量熱量。所以我們對此提出一系列問題:功放電路是否連接正確?功放發(fā)出的是否為有用信號?是否因為功放發(fā)出的信號太大,產(chǎn)生反饋信號,使電路發(fā)生諧振?是否因為信號頻率不在功放工作范圍之內(nèi)?為了解決這些問題我們通過降低功放電壓,使用頻率計測試輸出信號的頻率,甚至更換寬待功率放大器等方法進行檢測,結果都是功率放大器在該電路中沒有起到任何作用,只是把電源的直流全部轉換成熱量發(fā)射出去。最后,通過查找資料發(fā)現(xiàn)在實驗中使用的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。這表明芯片不能驅動功放工作,頻率計檢測到的200M h z 和420Mhz 信號只是功放內(nèi)部的自由諧振。所以我們決定在功放前加一個小功率放大器,提高信號功率來驅動ra13h3340工作。但因為時間問題并沒有完成這個設計,會在以后的學習工作中逐步完善。最后在老師的幫助下,我們使用一個功率為2W 的小功率放大器進行實驗,產(chǎn)生了良好的效果,但最后由于過壓工作,結果只維持了幾分鐘。參考文獻1黃智偉.射頻電路設計M.北