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2.4GHz WLAN无线功率放大器的设计与测试

时间:03-13 来源:mwrf 点击:

在WLAN网络中,由于WLAN的低功率与高频率限制了其覆盖范围,所以现有的产品基本上通信距离都比较小,并且实现双向收发的比较少。而目前很多功率放大器都集成在收发端内部,这样提高了集成度,简化了电路,但是这种集成的功率放大器的功率往往不够大,要实现长距离传输必需外加功率模块。本文主要研究的是无线功率放大器的设计方案与硬件的实现,通过增大发射信号功率、放大接收信号提高灵敏度来实现,同时实现了信号的双向收发,可运用于802.11b/g模式的远距离无线传输。

1 无线功率放大器的设计

如图1所示,在系统原理图中,射频输入通道耦合一部分功率送到检波电路进行处理,检出的射频包络和固定门限电平比较来控制信号端口的收发状态,如果高于门限电平,切换射频开关,有信号要发射,打开发射通道,反之处于接收状态。

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1.1 传输微带线的设计

微带线是RF电路设计的重点,是模块匹配网络中的一部分,也是连接各个功能模块的桥梁。传输微带线用以输入/输出信号或者连接电路,如果它与前端电路的输出阻抗和后端电路的输入阻抗匹配,就可以使信号传输过程中的功率损耗减至最小。本设计中的传输微带线特征阻抗为50Ω。

微带线的特征阻抗值由微带线的宽度w、PCB板的介电常数ε、PCB板的大厚度H、铜箔厚度T等参数决定。在材料一定的条件下,特征阻抗只取决于微带线的宽度w,本设计中采用FR4板材。由式(1):

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1.2 双管平衡放大电路的设计

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鐐劤缂嶅﹪寮婚悢鍏尖拻閻庨潧澹婂Σ顔剧磼閹冣挃闁硅櫕鎹囬垾鏃堝礃椤忎礁浜鹃柨婵嗙凹缁ㄥジ鏌熼惂鍝ョМ闁哄矉缍侀、姗€鎮欓幖顓燁棧闂備線娼уΛ娆戞暜閹烘缍栨繝闈涱儐閺呮煡鏌涘☉鍗炲妞ゃ儲鑹鹃埞鎴炲箠闁稿﹥顨嗛幈銊╂倻閽樺锛涘┑鐐村灍閹崇偤宕堕浣镐缓缂備礁顑呴悘婵嬫倵椤撶喍绻嗛柕鍫濈箳閸掍即鏌涢悤浣镐簽缂侇喛顕ч埥澶娢熻箛鎾剁Ш闁轰焦鍔欏畷銊╊敊鐠侯煈鏀ㄧ紓鍌氬€风粈渚€顢栭崟顖涘殑闁告挷鐒﹂~鏇㈡煙閹规劦鍤欑痪鎯у悑閹便劌顫滈崱妤€骞嬮梺绋款儐閹瑰洭骞冨⿰鍫熷殟闁靛鍎崑鎾诲锤濡や胶鍙嗛梺鍝勬处濮樸劑宕濆澶嬬厵闁告劘灏欓悞鍛婃叏婵犲嫮甯涢柟宄版嚇瀹曘劍绻濋崒娑欑暭闂傚倷娴囧畷鐢稿窗閸℃稑纾块柟鎯版缁犳煡鏌曡箛鏇烆€屾繛绗哄姂閺屽秷顧侀柛鎾寸懇椤㈡岸鏁愰崱娆戠槇濠殿喗锕╅崢鍏肩濠婂懐纾奸柣鎰靛墮椤庢粌顪冪€涙ɑ鍊愮€殿喗鐓¢、妤呭礋椤戣姤瀚奸梻浣告贡鏋繛鎾棑缁骞樼€靛摜顔曢柣鐘叉厂閸涱厼鐓傞梺杞扮閻楀﹥绌辨繝鍥ч柛娑卞枛濞呫倝姊虹粙娆惧剬闁告挻绻勯幑銏犫攽閸モ晝鐦堥梺绋挎湰缁嬫垵鈻嶉敐鍜佹富闁靛牆绻掗崚浼存煏閸喐鍊愭鐐插暞缁傛帞鈧絽鐏氶弲顒€鈹戦悙鏉戠仸閽冮亶鎮归崶鈺佷槐婵﹨娅i幏鐘诲灳閾忣偆浜堕梻浣藉吹閸o附淇婇崶顒€绠查柕蹇曞Л閺€浠嬫倵閿濆簼绨介柛濠勫仱濮婃椽妫冨ù銈嗙洴瀹曟﹢濡搁妷顔藉枠濠电姷鏁告慨鐑藉极閸涘﹥鍙忛柣鎴f閺嬩線鏌熼梻瀵割槮缁炬崘顫夐妵鍕冀椤愵澀绮堕梺缁樺笒閻忔岸濡甸崟顖氱闁瑰瓨绻嶆禒鑲╃磼閻愵剙鍔ゆい顓犲厴瀵鎮㈤悡搴n槶閻熸粌绻掗弫顔尖槈閵忥紕鍘介梺瑙勫劤椤曨厼煤閹绢喗鐓欐い鏃傜摂濞堟粓鏌℃担鐟板闁诡垱妫冮崹楣冩嚑椤掍焦娅﹀┑鐘垫暩婵參骞忛崘顔肩妞ゅ繐鍟版す鎶芥⒒娓氣偓閳ь剚绋撻埞鎺楁煕閺傝法肖闁瑰箍鍨归埞鎴犫偓锝庝簻缁愭稑顪冮妶鍡樼闁瑰啿绉瑰畷顐⑽旈崨顔规嫽婵炶揪绲介幉锛勬嫻閿熺姵鐓欓柧蹇e亝鐏忕敻鏌嶈閸撴艾顫濋妸锔芥珷婵°倓鑳堕埞宥呪攽閻樺弶鎼愮紒鐘垫嚀闇夐柨婵嗙墕閳ь兛绮欐俊鎼佸煛閸屾粌寮抽梻浣告惈閸熺娀宕戦幘缁樼厱閹艰揪绱曢敍宥囩磼鏉堚晛浠辨鐐村笒铻栧ù锝呭级鐎氫粙姊绘担鍛靛綊寮甸鍕仭闁靛ň鏅涚粈鍌溾偓鍏夊亾闁告洦鍓涢崢鐢告⒑閹勭闁稿鎳庨悾宄扮暆閳ь剟鍩€椤掑喚娼愭繛鍙夌矒瀵偆鎷犲顔兼婵炲濮撮鎰板极閸ヮ剚鐓熼柟閭﹀弾閸熷繘鏌涢悙鍨毈婵﹦绮幏鍛存嚍閵壯佲偓濠囨⒑闂堚晝绉剁紒鐘虫崌閻涱喛绠涘☉娆愭闂佽法鍣﹂幏锟�...

发射功率放大电路的作用是将发射信号放大,输出大功率。在本电路中采用双管平衡放大电路,采用并联的方法来提高输出功率。功率放大芯片选择anadigics公司的AWL6153UM7P8,其在5 V直流电压,802.11g模式下54 Mb/s信号速率最大输出功率可以达到+25 dBm,将芯片的两个相同的应用电路并联后构成平衡放大电路提高输出功率。图2中,在软件Agilent ADS2004环境下,对参数S仿真的结果可以看到,端口插入损耗在2.4 GHz小于3 dB,放大电路的输出功率最大可以达到27 dBm,即500 mW。

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1.3 低噪声放大接收电路的设计

低噪声放大接收电路则是提高接收信号灵敏度。设计电路选择RFMD2373芯片,可以提供最大15 dB的增益和1.3 dB的低噪音系数并且耗电仅10 mA,在2.4 GHz时一阶增益压缩点(P1dB)-3.5 dBm,三阶交词截取点(IP3)为9.5 dBm。在输入端加一级带通滤波器,可以有效滤除噪声。

1.4 检波电路设计

为了不使接收功率较大时功率检波器输出大电压值,同时避免功率检测电路影响电路的特征阻抗,因此功率检波器输入端采用定向耦合器从通路中耦合出一部分功率输入到检波电路中。而切换控制信号由功率检波电路输出信号整形变换得到。在电路中从射频主通路耦合出一部分能量提供给芯片MAX4003检波出发射信号,主通路衰减小于1 dB,耦合度为13 dB,ADS软件下S参数仿真如图3所示。微带耦合线的物理尺寸为:微带线宽度w=11.8 mil,间距s=3.9 mil,耦合线长L=531 mil。

1.5 开关切换控制电路和电源电路设计

检波电路输出的信号不能直接控制射频信号,通过三极管MBT2222作为驱动电路来控制射频开关,实现功率放大器的收发切换。电源电路将9 V电压转换为5 V提供功率模块的正常工作电压。

2 无线功率放大器的测试

2.1 端口S参数的测试

功率放大器端口S参数测试使用的是AgilientE5071B矢量网络分析仪,测试结果如图4所示。

2.2 通信测试

用IQVIEW测试仪器发射出-30 dBm的射频信号作为功率放大器输入信号测试接收性能,在软件IQsignal vector Signal Analyzer中可以得到由功率放大器放大后的接收信号在54 Mb/s(802.11g模式)和11 Mb/s(802.11b模式)速率下的数据,具体数据如图5所示。

因为IQVIEW不能发出太大功率的射频信号,所以将IQVIEW发出的发射信号经过自制的模块放大后(功率达到13.44 dBm)输入到功率放大器的发射通路,进行发射功率增益放大测试,经过功率放大器后发射信号数据如图6所示。
吞吐率是指在一指定时间内由一处传输到另一处或被处理的数据量。由于功率放大器提高了原有WLAN的功率,但功率放大器不可避免的对原有WLAN网络的吞吐率有所影响。将功率放大器加入到现有WLAN局域网后测试网络吞吐率,经过比较之后,功率放大器加入之后网络前后吞吐率平均均能达到20 Mb/s以上。

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3 结语

本文所研究并实现的2.4 GHz WLAN无线功率放大器,发射功率可以达到500 mW,接收增益大于10 dB,收发信号实现自动切换,在实际使用中与各大公司的无线AP直接串接使用,有效工作范围达到5 km,可以广泛应用在WLAN网络中。

作者:邓中亮,戚威

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