2.4G射频双向功放电路设计

微带线定向耦合器进行S参数仿真，界面为图5。

图5

在2.45GHz处，S11=-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。电平平移与驱动电路如图6所示。

图6、电平平移与驱动电路

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

采用安立公司的Anritsu 37269C矢量网络分析仪测量，在2.4GHz~ 2.5GHz频段S参数数据见表1。

表1

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。

自制信源模块输出信号频谱如图7所示。

图7、信号源输出频谱

测试结果如图8所示。

图8

图9、相邻信道功率与相同信道功率比

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=P_out-P_in=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

测试结果数据见表2。

表2、接收信号放大增益测试数据

相邻信道功率比（ACPR）测量

计算公式为

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（Alternate Channel Power Ratio）=-59.6dBc

对于双向功率放大器输出频谱：

相邻信道功率比（Adjacent Channel Power Ratio）=-39.3dBc
相间信道功率比（Alternate Channel Power Ratio）=-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。

结论

目前国内针对个人无线局域网的射频功率放大器的相关资料相对比较少，芯片厂商提供的器件手册也相当简略。本设计是学习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，可以广泛应用到工程中。

作者：方舒、张辉全