（通信与信息系统专业论文）微波双向智能放大器的设计与研究.pdf

硕士论文微玻双向智能放大器的设计与研究 摘要 本文研制了一个可应用在2 4 g h z 一2 5 g h z 遵守i e e e 8 0 2 1 l b g 协议的无线局域网 微波双向智能放大器，其中包含了检波器，功率放大器，低噪声放大器，射频开关， 压控衰减器以及功率控制电路，以期延伸a p ( a c c e s sp o i n t ) 及无线局域网的应用范 围。功率控制电路用来控制功率放大器工作在线性动态范围之内，并保持恒定输出功 率为2 7 d b m ，同时控制电路还要自动控制开关切换到发射或接收支路。功率放大部分 采用r f 2 1 2 6 和r f 2 1 2 8 p 功率放大器芯片组成两级放大，放大后输出功率 一2 7 d b m 。低 噪声放大器的设计是本文的重点，本文采用a t f 一3 5 1 4 3 和a t 一3 0 5 1 l 进行两级低噪声 放大器的设计，增益将2 0 d b ，噪声系数1 3 d b 。发射部分启动电平l o d b m ，扣除 切换开关损耗，输出功率约2 7 d b m ，接收支路整体增益约1 7 d b ，噪声系数3 5 d b 。 关键词：微波双向智能放大器无线局域网低噪声放大器 i e e e 8 0 2 1 l b g 碗十论丈微波双向智能放大器的设计与酽究 a b s t r a c t am i c r o w a v eb i d i r e c t i o n a ls m a r ta m p l i f i e ra p p l i e df o rw i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r ko fi e e e 8 0 2 1 l b ga g r e e m e n ti nt h ef r e q u e n c yo f2 4 g h zt o2 5 g h zi s d e s i g n e d ，l a b r i c a t e da n dm e a s u r e di nt h i st h e s i s t h i ss m a r ta m p l i f i e r i n c l u d e sd e t e c t o r ，p o w e ra m p l i f i e r ，l o wn o i s ea m p l i f i e r ，v o l t a g e c o n t r o l l e d a t t e n u a t o ra n dp o w e r c o n t r o l l e dc i r c u i t ，t oe x t e n da c c e s sp o i n ta n de n l a r g e a p p l i c a t i o na r e ao fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k t h ep o w e r c o n t r o l l e dc i r c u i t i su s e dt oc o n t r o l1 i n e a rd y n a m i cr a n g eo ft h ep o w e ra m p l i f i e r ，a n dk e e ps t a b l e o u t p u tp o w e r2 7 d b n t h ep o w e r c o n t r o l l e dc i r c u i tc o n t r o l st h ec i r c u i ta n da tt h es a b l et i m e i tc o n t r o l st h es w i t c h e st ot r a n s m i t t i n gc i r c u i to rr e c e i v i n gc i r c u i t a u t o m a t i c a l l y t h ep o w e ra m p l i f i c a t i o np a r ti sm a d eu po fr f 2 1 2 6a n dr f 2 1 2 8 p p o w e ra m p l i f i e ri ca n d t h eo u t p u tp o w e ri sl a r g e rt h a n2 7 d b ma f t e rb e i n g e n l a r g e d t h ed e s i g no fl o wn o i s ea m p l i f i e ri st h ek e y s t o n eo ft h i st h e s i s ， a t f 一3 5 1 4 3a n da t 一3 0 5 1 1a r eu s e df o rt w os t a g el o wn o i s ea m p i i f i e r a n dt h e g a i n i sl a r g e rt h a n2 0 d b n o i s ef i g u r ei s1 3 d b t h es t a r t u pv o l t a g eo f t r a n s m i t t i n gc i r c u i ti sl a r g e rt h a nl o d b m ，a f t e rt h es w i t c hl o s si sd e d u c t e d ， t h eo u t p u tp o w e ri sa b o u t2 7 d b m ，t h ew h o l eg a i no ft h er e c e i v i n gc i r c u i ti s a b o u t 1 7 d ba n d t h en o i s ef i g u r ei ss m a l l e rt h a n3 5 d b k e yw o r d s ：m i c r o w a v eb i d i r e c t i o n a ls m a r ta m p l i f i e r w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r kl o wn o i s ea m p l i f i e r i e e e 8 0 2 1 l b g n 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：逝盘炒6 年6 月蝈 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年6 月力扫 颂十论文微波双向智能放大器的设汁与研究 1 绪论 该课题属于微波有源电路研究领域，用于无线局域网，涉及到低噪声放大器 ( l n a ) ，功率放大器( p a ) 以及功率控制电路的设计与研究。 1 1 微波双向智能放大器在无线局域网中的应用 该微波双向智能放大器工作在2 4 g h z 一2 5 g h z ，用于无线局域网中，遵守 i e e e 8 0 2 1 1 b g 协议，主要用来对发射信号和接收信号进行放大，希望提高无线局域 网的覆盖范围。下面对无线局域网的概念做出简要的阐述。 1 2 无线局域网的简介 无线局域网( w l a n ) 是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网络，是计算机网 络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供比传统局域 网更优越的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接人w l a n 技术使 网上的计算机具有可移动性，能快速、方便地解决有线方式不易实现的网络信道的连 通问题。w l a n 利用电磁波在空气中发送和接收数据，而无需线缆介质。 与有线网络相比。无线局域网具有开发运营成本低、时间短，投资回报快，易扩 展，受自然环境、地形及灾害影响小，组网灵活快捷，安装便捷，覆盖范围广，经 济节约。易于扩展，传输速率高。此外，无线局域网的抗干扰性强、网络保密性好， 可实现“任何人在任何时问，任何地点以任何方式与任何人通信”，弥补了传统有线 局域网的不足。 1 3 无线局域网的规格与结构 1 3 1 无线局域网的规格 为了让无线局域网技术能够被广为使用这些技术必须要建立一种业界标准以 确保各厂商生产的设备都能具有相容性与稳定性。这些标准是由美国i e e e ( t h e i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 所制定的。i e e e 8 0 2 1 1 标 准是i e e e 组织于1 9 9 7 年提出关于w l k n ( w i r e l e s sl a n ) 的第一个正式版本，但是由于 i e e e s o z 1 l 所提供的数据速率较低( 理论最高速率只有2 m b p s ) ，无法满足用户对高速 数据传输的需求，所以在随后的时间里i e e e 8 0 2 1 1 得到了不断地改进，i e e e 组织相继 推出了i e e e 8 0 2 1 l b ，i e e e 8 0 2 1 l a , i e e e s 0 2 1 l g 等一系列标准，使无线局域网的物 理层技术不断的得到完善，也使w l a n 的应用得到了很好的推动。 硕士论文徽渡双向智能放大器的设计与研究 i e e e 8 0 2 1 l b 协议的无线网络工作在2 4 g h z 频率下，最大传输速率可以达到 l i m b p s ，可以实现在i m b p s 、2 m b p s 、5 5 # o p s 以及l l m b p s 之间的自动切换：采用d s s s ( 直 接序列展频技术) 。目前，也称i e e e 8 0 2 1 i b 为w i f i 。 i e e e 8 0 2 1 l a 协议主要工作在5 g h z 的频率下，数据传输速率可以达9 0 5 4 m b p s 传 输距离在1 0 米1 0 0 米之间；采用了o f d m ( 正交频分多路复用) 调制技术，可以支持语 音、数据、图像的传输。 i e e e 8 0 2 1 1 9 协议支持2 4 g h z t 作频率以及d s s s 技术，并结合了i e e e 8 0 2 1 l a 协议 高速的特点以及o f d m 技术。这样i e e e 8 0 2 1 l g 协议即可以实现1 i m b p s 传输速率，保持 对i e e e 8 0 2 1 l b 的兼容，又可以实现5 4 m b p s 高传输速率。 i 3 2 无线局域网的结构 无线局域网在室外主要有以下几种结构：点对点型、一点对多点型和混合型。 点对点型常用于固定的要联网的两个位置之间。是无线联网的常用方式，使用这 种联网方式建成的网络优点是传输距离远，传输速率高，受外界环境影响较小 一点对多点型常用于有一个中心点，多个远端点的情况下。其最大优点是组建网 络成本低、维护简单；其次，由于中心使用了全向天线，设备调试相对容易。该种网 络的缺点也是因为使用了全向天线，波束的全向扩散使得功率大大衰减，网络传输速 率低，对于较远距离的远端点，网络的可靠性不能得到保证。 混合型适用于所建网络中有远距离的点、近距离的点，还有建筑物或山脉阻挡的 点。在组建这种网络时，综合使用上述几种类型的网络方式。对于远距离的点使用点 对点方式，近距离的多个点采用点对多点方式，有阻挡的点采用中继方式。 无线局域网的室内应用则有独立的无线局域网和非独立的无线局域网两类情况。 独立的无线局域网使用a p ，也可以不使用a p 。在不使用a p 时，各个用户之间通过 无线直接互联。但缺点是各用户之间的通信距离较近，且当用户数量较多时性能较 差。 在大多数情况下，无线通信是作为有线通信的一种补充和扩展。我们把这种情况 称为非独立的无线局域网。在这种配置下，多个a p 通过线缆连接在有线网络上以使 无线用户即能够访问网络的各个部分。 1 4 礼a n 的应用与发展前景 随着近年来新一代通讯系统的普及和兴起，无线局域网已经在社会中发挥着越来 越重要的作用。 无线局域网可广泛应用城市建筑群间通信：学校校园网络；工矿企业厂区自动化 硕士论文微波厩向智能放大器的设汁与研究 控制与管理网络；银行、金融证券城区网络；城市交通信息网络；矿山、水利、油田 等区域网络：港口、码头、江河湖坝区网络；野外勘测、实验等流动网络；军事、公 安流动网络等。 随着i e e e 8 0 2 i i 系列标准的制定和推行，无线局域网的产品将更加丰富，不同产 品的兼容性将得到加强。现在无线网络( i e e e s 0 2 1 l a ) 的传输速率己达到和超过了 5 4 m b p s ，采用合成技术可达1 0 8m b p s 或更高，并且还在不断发展。2 0 0 5 年1 2 月7 日i e e e 正式批准w i n m a x 的标准i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 5 ，这使无线空中接口有更高的频率、更快的速 率、更宽的带宽、更高的接收灵敏度和更大的发射功率。 目前无线局域网除能传输语音信息外，还能顺利地进行图形、图像及数字影像等 多种媒体的传输。而且随着a t m 无线局域网的投入使用，其数据传输率将达到2 0 m 2 5 m b p s ，可更好地满足用户的需求。另一方面无线局域网虽然以空气为介质，传输的 信号可跨越很宽的频段，数据不容易被窃取，保证了网络传输的安全性。 无线局域网的网络速度与以太网相当，一个a p 最多可支持1 0 0 多个用户的接入， 最大传输范围可达到几十公里，具有以下的通信特点：具有高移动性，通信范围不 受环境条件的限制，拓宽了网络的传输范围。在有线局域网中，两个站点的距离在使 用铜缆( 粗缆) 时被限制在5 0 0 m ，即使采用单模光纤也只能达到3 0 0 0m ，而无线局域 网中两个站点间的距离目前可达到5 0 k m 。建网容易，管理方便。相对于有线网络， 无线局域网的组建、配置和维护较为容易，一般计算机工作人员都可以胜任网络的管 理工作。可在一定区域内进行点对网或网对网通信，从而消除了有线链路可能发生的 各种故障隐患。 1 5 本课题的意义及主要工作 基于i e e e s 0 2 1 l b g 系列协议的无线局域网设备通常包括无线网卡、无线接入点、 无线网桥等，而双向放大器用于其中，对延伸a c c e s sp o i n t 及无线局域网的应用范围 具有重要意义。 本文的研究工作主要是对微波双向智能放大器进行研究，在理论分析的基础上， 进行了设计和实验工作。设计的微波双向智能放大器通过调试，最终得到很好的效果。 本文完成的主要工作包括以下几方面内容： ( 1 ) 对微波双向智能放大器国内外现状进行调研。 ( 2 ) 了解无线局域网有关概念，掌握了无线局域网微波双向智能放大器的设计的一 般规则和方法。 ( 3 ) 根据项目指标要求，在理论分析的基础上，设计了一款输出功率2 7 d b m 的用于 w l a n 的微波双向智能放大器。 ( 4 ) 给出了微波双向智能放大器的实测结果，并得到比较好的结果。 硕士论文微波双向智能放大器的设计与研究 1 6 论文框架 论文基本框架为： ( 1 ) 第一章简要介绍了本次研究工作的背景和意义，并提出了工作的主要内容。 ( 2 ) 第二章介绍了微波双向智能放大器的总体设计思路及基本原理，重点介绍了微 波双向智能放大器的一些关键器件。 ( 3 ) 第三章说明功率放大器的概念理论和一些相关参数，并对所用芯片做洋细的介 绍。 ( 4 ) 第四章详细的介绍低噪声放大器的概念理论及设计方法，并对其进行了仿真设 计。 ( 5 ) 第五章给出了微波双向智能放大器测试方法和测试结果及说明。 ( 6 ) 结论。 1 7 本章小结 本章在查找、搜集和阅读大量相关文献的基础上，主要说明了该课题的研究背景、 国内外发展现状以及项目的意义和目的，介绍了项目的研究、设计与实现所涉及的内 容，并对整篇论文的全貌做了简述。 4 预士论文微波双向智能放大器的设计与研究 2 微波双向智能放大器的总体设计思想 2 1 微波双向智能放大器的系统介绍 微波双向智能放大器用于时分双工( t d d ) 系统，主要用于w l a ni e e e 8 0 2 1 l b g 环境下，应用在室内分布系统、室外a p 等场合，扩大实现无线局域网的区域覆盖范围。 由于无线网卡本身的发射信号比较小，当需要传输距离比较远的时候就会产生接 收端接收不到的问题，这是就要对发射信号进行放大并且提高接收端的接收灵敏度。 本课题所研究的系统将会解决这一问题。这个系统主要包括低噪声放大器，功率放大 器，开关以及控制电路几个部分，它工作在2 4 0 0 m h z 一2 5 0 0 m h z ，用于i e e e 8 0 2 1 l b g 协议的无线局域网中。 在无线局域网连接系统中，微波双向智能放大器一端连接a p ( a c c e s sp o i n t ) ，一 端接天线，当处于发射状态时，信号在到达天线前经过放大器放大，然后由天线发射 出去，这样可以扩大a p 无线覆盖范围；在接收时，有较低的噪声系数和1 7 d b 的信号增 益，可以有效提高接受灵敏度，实现低噪声小信号接收。 微波双向智能放大器的主要设计指标见下表( 表2 i 1 ) ： 表2 1 1 微波双向智能放大器的设计指标 工作频率 2 4 g h z - 2 5 g h z 工作模式时分双工( t d d ) 发射输出功率2 7 d b m ( 5 0 0 m w ) 发射输入功率 l o d b m - 2 0 d b m 接收增益 1 7 d b 增益平坦度 i d b 噪声系数 3 5 d b 该微波双向智能放大器的系统框图如图2 1 1 所示： 硕士论文微波双甸智能放大器的设计与研究 图2 1 1 微波双向智能放大器的系统框图 如图2 1 1 所示，在微波双向智能放大器的两个端口各有一个收发切换开关以实 现t d d ( 时分双工) 工作方式( 7 1 端接天线，j 2 端接a p ) 。a p 平时处于接收状态，功 率检测器检测不到来自于a p 的信号，通过收发控制开关使两个收发开关处在接收状 态档，与a p 的工作方式保持一致，此时，p a ( 功率放大器) 处于关闭状态，低噪放 l n a 正常工作；一旦当a p 处在发射状态时，功率检测器检测到来自于a p 的信号，通 过收发控制开关使两个收发开关切换到发射档，同时开启功率放大器p a ，关闭低噪 放l n a 。另外，功率控制电路可根据功率检测器的输出电平大小来调整衰减器的衰减 量大小，也就是自动损耗控制( a l c ) ，使输出功率保持恒定，保持放大器在线性区域 工作，有效的解决由于非线性产生的误码乱码问题，并阻止发射支路的发射功率达到 饱和状态。 下面将会对该微波双向智能放大器的主要应用芯片一一做出介绍。 2 2s p d t 微波开关 本系统的微波开关采用了a s l 6 9 - 7 3 。a s l 6 9 - 7 3 是一个砷化镓集成电路s p d t ( 单刀 双掷) 开关，适用于2 5 g h z 的频率之下。这个型号的开关芯片的插入损耗非常低( 在 频率0 9 g h z 时只有0 3 d b ) ，直流功率损耗也非常小，采用p h e m t ( 赝配高电子迁移率 晶体管) 加工制造，s o t - 6 塑封，正电压驱动，而且它的造价低廉。这个型号的开关 经常可以用于各种各样的通信领域之中。下表( 表2 2 1 和表2 2 2 ) 给出了它的电性 能参数和工作情况。 6 硕士论文微波毅向智能放大器的设计与研究 表2 2 1 电性能参数( 2 5 0 c ，d c = 3 0 0 k h z ) 参数 频率最小值参考值 最大值 单位 插入损耗 d c 一1 o g h z 0 3o 4 d b d c - 2 5 g h z0 4o 5d b 隔离度 d c - i o g h z2 22 5d b d c - 2 5 g h z2 l2 4 d b 驻波比 d c 一1 o g h z1 1 5 ：11 2 5 ：1 d e - 2 5 g h z1 3 ：11 4 ：l 表2 2 2a s l 6 9 的工作情况 参数测试条件工作频率最小值典型值 最大值单位 切换特征上升，下降 1 0n s 开，关 2 0n s l d b 压缩点输 o + 3 v0 5 - 2 5 g h z3 0 d b m 出功率 o + 5 v0 5 - 2 5 g h z3 4 d b m 3 阶交调点 o + 3 vo 5 2 5 g h z4 3d b m o + 5 v0 5 - 2 5 g h z5 0d b m 控制电压 v l o w = o 一0 2 v v h i g h = + 3 v 一+ 5 v 下面给出它的钡试性能图( 图2 2 1 一图2 2 3 ) 与外围电路原理图( 图2 2 4 ) ： 。o 0 8 0 6 0 0 2 o 0 _ _ 一一 一 o 0 51 01 j2 oz 53 o 图2 2 1 插入损耗测试图 7 (ep)篮】uo鼍oui -li- 预士论文微波双向智能放大嚣的设计与酽究 l f t 、 、 0 0也51 , 0 。52 02 53 0 f m q u e n o y g h z ) 图2 2 2 隔离度测试图 i f n a q u e n c yf g h z ) 图2 2 3 驻波比测试图 如图2 2 卜图2 2 3 所示，该开关在小于3 g h z 的频率范围内都具有很好的驻波比， 插入损耗以及隔离度。符合设计所需的要求。 吲 山鼍 o 卜 飞芦 _ j 一 皆i i 图2 2 4 外围电路图 当4 脚加上高电平，6 脚低电平时，贝, z j j i j 2 导通，j 1 - j 3 隔离：反之同理。如表2 2 3 所示。 8 鞯褥嚣器俘馋 p)c窖彤io毋一 丘之历 硕士论文微波双向智能放大器的设计与研究 v 1v 2 j 卜j 2j 卜j 3 v h i g h o i s o f a t i o ni n s e r t i o nl o s s o v h i g h i n s e r t i o nl o s si s o l a t i o i l 2 3 电调衰减器 该微波双向智能放大器采用m a c o m 公司的a t - 6 3 5 是一种g a a sm m i c 电压调节式 吸收型衰减器，它造价低，采用1 4 脚小轮廓集成电路封装( s o i c 一1 4 ) ，最大衰减量可 以达到3 5 d b ，采用单电压控制( o g o 一4 v ) ，直流功率消耗比较小。在- 4 0 0 c 至i j + 8 5 0 c 的 温度范围内使用。 a t 一6 3 5 j t 常适用于调整衰减量，适合在要求变换速度快，功率消耗低的地方使用。 典型的应用范围包括无线电通信，蜂窝技术，全球定位系统装备和一些自动调整的控 制电路。它使用成熟的1 微米工艺加工制作，这种工艺能够有效的增强了电路的性能 和稳定性。 砷化镓集成电路对静电非常敏感，有可能被静电所毁坏。所以在使用它时要使用 适当的防静电装置。下表( 表2 3 卜2 3 2 ) 为其电性能参数与最大额定值。 表2 3 1 电性能参数：( t = 2 5 0 c ) 参数测试条件单位最小值参考值最大值 d c - o 5 g h zd b6 77 0 插入损耗0 5 一1 o g h zd b7 27 4 1 0 - 2 o g h z d b7 57 8 平坦度 l o d b 衰减- - d c 一2 o g h zd b1 01 3 ( 峰值与峰值)2 0 d b 衰减_ d c - 2 o g h z d b 1 2 1 5 3 0 d b 衰减一d c 一2 o g h z d b 1 2 1 5 驻波比2 0 ：1 上升时间 1 0 到9 0 n s2 下降时间9 0 n 1 0 启动时间5 0 n 9 0 i l s4 关闭时间5 0 到10 9 6 线性区域 d b m1 3 能量控制 最大输入功率d b m2 l 9 硕士论文微波毅向智能放大器的设计与研究 表2 3 2 额定值表 参数 极限值 输入功率+ 2 l d b m 控制电压一8 5 v v 。+ 5 v 使用温度范围 - 4 0 0 c 至i j + 8 5 0 c 储存温度 - 6 5 。c 至l j * 1 5 0 。c ， 下图给出了它的原理图( 图2 3 1 ) 和管脚定义表( 表2 3 3 ) ： 掣 f口口| = = l 口f = l 口 。 图2 3 1电调衰减器的原理图 表2 3 3 管脚定义表 管脚号定义管脚号定义 1 v c8 r f 2 2 接地 9 接地 3 接地 l o 接地 4 接地 1 1接地 5接地1 2 接地 6 接地 1 3接地 7 接地 1 4r f i 如表2 3 3 所示，v c 是控制端，当v c 输入不同电压时，压控衰减器会根据v c 的电压提供不同的衰减。该压控衰减器的性能测试图由下图( 图2 3 2 2 3 5 ) 给出： 1 0 硕士论文微波双向智能放大器的设计与研究 l z = 嚣l ii r ：l _ 一 。 o 1 j 5 竹目嘲哪徽 _ _ ， j ，_ 一一 l 一一 图2 3 。2 频率v s 插入损耗图图2 3 3 电压v s 衰减度图 、 l - 一磊j 酱一i j - 一k l 。 k ， 一， 、 ：二： ， 、 。 、 - q - 一 、 q d o j t l j22j 拍 r e 啐| n 科g 嘲 o - q n j1 b j 52 02 jj j 嘲u 斜t 0 田 图2 3 4 频率v s 驻波比图2 3 5 频率v s 衰减量 由芯片的性能测试图可以看到在相同的控制电压下，随着频率的改变，它的衰减 量基本是一定值，由图2 3 3 可以看到，该电调衰减器的衰减量会随着控制电压的增 大而逐步增大，满足设计要求。 2 4 检波管与运算放大器的控制 利用二极管进行检波，a p 平时处于接收状态，二极管检测不到信号，当a p 处于发 射状态时，并且发射功率电平达到一定程度时( 1 0 d b m ) ，功率检测器检测到信号，并 输出直流电平至双运算放大器正端，通过运算放大器的放大，输入压控电调衰减器， 压控电调衰减器根据输入电平的大小对输入信号进行适量衰减，达到线性放大的目 的。 岔p)主；i毒 幢 幢 4 2 o (曩pj03co#iul 冒pjs芎0三； 颂十论文 微波双向智能放大器的设计与研究 2 5 功率放大器 发射支路的恒定输出功率为2 7 d b m ，采用两级功率放大器进行放大。有关功率放大 器的概念，介绍将会在下一章给出。 2 6 低噪声放大器 该系统在接收支路预期可以实现2 0 d b 的小信号增益，扣除微波开关，滤波器等相 关器件的插入损耗，最后整机的接收增益可以达到1 7 d b 。需要两级低噪声放大器进行 放大。有关低噪声放大器的设计与仿真，本文将会在第四章进行详细系统地分析与设 计仿真。 2 7 本章小结 本章主要对微波双向智能放大器的工作原理作了阐述，并对其中用到的主要芯片 进行了简要说明。 1 2 硕士论文微波双向智能放大器的设计与酽究 3 功率放大器 下面先对功率放大器的一些相关参数做出说明。 3 1 功率放大器的线性动态范围 放大器的动态范围 4 是指放大器对输入信号按预期加工特性处理时所容许的输 入信号电平的最大范围。动态范围的产生，除由于放大器件本身的非线性外，还由于 供放大器工作的直流电源功率的有限性所引起，动态范围的上限由所容许的信号失真 电平决定，如图3 1 1 所示，在线性动态范围内，放大器的输出功率随输入功率线性 增加，这种放大器称之为线性放大器，这两个功率之比就是功率增益g 。随着输入功 率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加， 也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的值。 鲁 i 雷 蕾 图3 1 1 放大器的参数图 假设输入功率为p 。输出功率为p 。，电源提供功率为p 。消耗功率为p 。那么根据 能量守恒，我们可以得到 + 昂= 弓w + 最 ( 3 1 ) 假设放大器的增益为g ，那么式3 1 就可以写为： 只+ 昂2 g + 日 ( 3 2 ) 也就是 与= + 晶一 ( 3 3 ) 对于一个实际的放大器而言，放大器的功率损耗p 。总是大于零的，但由式3 3 可 见如果放大器的增益直保持线性，即g 不变，那么当输入功率增加到超过某一确定 值时，消耗功率p 。就会小于o ，而这是不可能的，因此增益g 总要下降，输出功率不会 继续线性增长，其中一部分功率将被放大器损耗掉，这样就造成了功率的浪费。也就 硕士论文微波双向智能放大器的 最计弓研究 是说，对任何放大器而言，要保持g 不变，其所能处理的最大输入信号功率p i n 总是有 限的，因而存在一个线性处理的输入信号电平的上限。这个上限通常以放大器实际输 出的功率比其相应的线性工作状态下应输出的功率低1 分贝时所对应的输入信号电乎 p i m 来衡量。而动态范围的下限由放大器的最小可检测电平p i m i n 决定。因此，可将放 大器的线性动态范围d r 表示为： 靠2 老 ( 3 。) f ， 、 3 2l d b 压缩点 由于主动电路所具有的非线性特性，使得电路的增益会随着输入信号强度增加而 降低，当实际上的输出信号比在理想线性范围所估计的输出信号还要低l d b 时，其电 路的增益恰好比线性增益低l d b ，则此时的输出信号功率即为输出l d b 压缩点( p l d b ) 。 见图3 1 1 7 。 若从数学分析上来看，一个具有非线性特性的主动电路通常可表示为： j ，( f ) = 岛x ( r ) + 屯工( ，) 2 + k 3 x ( t ) 3 + m k a x ( t ) + k 2 x ( t ) 2 + 屯x o ) 3 ( 3 5 ) 假设输入信号 x ( f ) = a c o s ( o g t ) ( 3 6 ) 则输出信号的同频项为： 巾) = ( 毛4 + i 3 c a ) s ( 研) = ( 与+ i 3 ) ( 3 7 ) 由式3 7 可见总增益等于( 岛+ i 3 岛) ，是线性增益参数k - 与三次项参数k 3 的函数， 由于k 。通常为负值，所以当输入信号强度增强时，总增益也会随之降低，而当输出信 号到达l d b 玉, 缩点时，表示主动电路己经开始饱和，无法继续线性工作。根据定义可 以得出l d b 压缩点在5 0 q 负载下为： ( 驯= - l o l o g 嵩+ o 6 2 ( 圳 ( 3 8 ) 若有多个电路元件串联时，其多级元件串接后总1 d b 压缩点可以表示为： ( 酬一1 0 善面赢瓦 ( 3 9 ) 1 4 硕士论文微波双向智能放大器的设计与研究 3 3 三阶交调点 在射频系统中，三阶交调截取点i p 3 ( t h i r d - o r d e ri n t e r c e p tp o i n t ) ，它是一 个衡量器件线性度和失真性能的重要指标。考虑此参数的原因，乃是在于多个相邻信 道传输时，邻近信道的信号会因为电路的非线性特性，在输出端产生交互调变的干扰 项，因而对我们所需要的信号造成同频段干扰。输出三阶交调则是对于这种破坏力的 一种衡量标准。其基本的定义为非线性电路输出端的三阶交调强度与输出信号功率相 同时，即为三阶交调点。 从数学分析角度看，假设输入信号为： x ( r ) 2 a e o s c o , t + a e o s c 0 2 t ( 3 1 0 ) 结合式( 3 5 ) ，则输出信号可表示为： 巾，= ( 岛+ 竿 a e o s c o 。t + ( 与+ 竿 觚咄+ 竿酬2 q 圳r ( 3 1 1 ) + 掣c o s ( 2 c 0 2 + c o l c o s) t + + 一 i + 整理可得其中的三阶交调项为： 乃( ，) = 三竽嘲2 q 哆) s ( 2 呜4 - o ) i ) ( 3 1 2 ) 此信号刚好落到原先二输入信道的隔壁信道中，也就是对邻近信道造成同频干 扰。图3 3 1 说明了三阶互调信号的干扰信号，经过非线性电路后，落于频带内而造 成干扰的现象。 jlj l tfl 2 q 一哆c o l吃2 仍一q 图3 3 1 三阶互调信号频谱图 硕士论文 微坡双向智能放大罂的设计与研究 3 4 功率放大器 由于该微波双向智能放大器发射通道的作用是将a p 的输出信号进行放大，这样就 要求在选择功率放大器芯片的时候使得前级放大器的线性动态范围的下限尽量小，而 后面一级的功率放大器的线性动态范围的上限尽量大，基于这个条件的考虑，选择了 r f 公司的r f 2 1 2 8 p 和r f 2 1 2 6 功率放大器。下面给出他们的介绍。 r f 2 1 2 8 p 芯片是一个高效率，线性放大器集成电路，可以用于p c s 通信系统，2 5 g h z i s m 系统以及无线局域网中。它使用砷化镓异质结双极性晶体管( g a a sh b t ) 加工， 并且已经开始被设计用于无线局域网中的射频放大器。 该芯片使用3 o v 到6 5 v 的单电压供电，最大线性输出功率l o o m w 。最大线性输入功 率为1 2 d b m 。在小信号输入下具有2 8 d b 的增益，应用于1 9 0 0 姗z 到2 5 0 0 姐z 。图3 4 1 1 为其原理图。 图3 4 1 1r f 2 1 2 8 p 的原理图 下表( 表3 4 1 1 ) 给出了它的各管脚的定义描述： 1 6 硕十论文微波双向智能放大器的设计与研究 表3 4 1 1 管脚描述表： 管脚 功能 描述 lv c c 2芯片的驱动电压以及实现级问匹配的电压。为了好的增益，要加载 外围电路。这个脚的匹配也很大程度上影响着输入阻抗。需要一个 3 3 0 p f 的电容和其它一些电阻电容在需要频率来调配出最大增益。 2g n d l 接地。为了更好的性能。 3p d当这个脚接低电平，所有电路都被关断。在室温下，低电平的值为 1 2 v 或者更低。当这个脚接高电平，所有电路将会正常工作。高电 平就是。如果p d 低于k ，那么输出功率和性能将会有所恶化。 4r f i n 射频信号输入脚。这是一个5 0q 输入，但是实际上的阻抗取决于管 脚1 的匹配。如果该脚接地的话将需要额外的电容进行调配。 5g n d 2接地。 6r fo u t 射频功率的输出，并且为外电路提供能量。为了得到5 0 q 的匹配， 需要额外的微带线进行搭配。 7r fo u t 射频功率的输出，并且为外电路提供能量。为了得到5 0q 的匹配， 需要额外的微带线进行搭配。 8v c c l 偏置电路的供压，需要一个2 2 p f 的电容，使这个电容的连接线尽量 短，再将这个电容直接接地。 p k g g n d 接地。 b a s e 有关他的电性能参数可以参看下表( 表3 4 1 2 ) ： 表3 4 1 2 电性能参数( t = 2 5 0 c ，v = 5 v ，v 旷5 o v ，f r e q = 2 4 0 0 h z ) 参数最小值典型值最大值单位测试条件 频率范围1 9 - 2 5g h z 最大输出功率 + 2 2 d b mv c z - = 5 v ，= 5 o v ，p i f 一3d b m + 2 4d b m v 萨6 v 。v 旷5 5 v ，p i 。= 0d b m 1 d b 压缩点 + 2 l d b m 放大效率3 3 最大输出情况 小信号增益 2 8d b 隔离度 1 5d b v 萨o 2 v 输入驻波比 2 ：1 输入阻抗 5 0 q 噪声系数 7 d b 1 7 硕士论文微坡双向智能放大器的设计与酽究 由表3 4 1 2 可见在输入功率为0 d b m 的情况下，该放大器即可进行工作，并且具 有在小信号下具有2 8 d b 的高增益，满足所期望的设计要求。下图( 图3 4 1 2 ) 为其 在2 4 5 0 删z 的频率下的外围电路的参考设计图。 3 4 2i 啦2 1 2 6 图3 4 1 2 外围电路参考图 r f 2 1 2 6 芯片是一个大功率，高效率( 4 5 ) ，线性放大器集成电路芯片，可以用于 p c s 通信系统，2 5 g t t zi s m 系统以及无线局域网中。它同样使用砷化镓异质结双极性 晶体管( g a a sh b t ) 加工，用于1 8 0 0 m h z 至2 5 0 0 m h z 之间，采用8 脚塑封，单电压3 v 到 6 5 v 供电，最大输出功率1 3 w ，最大输入功率2 0 d b m ，具有1 2 d b 的增益。图3 4 2 1 为 其原理图，表3 4 2 。1 为其管脚定义表。 r f 刖 r f 甜 p c v c c g - d 图3 4 。2 1r f 2 1 2 6 原理图 f 萨铷t r f o u t r f o u t r f o 盯 硕士论文徽被双向智能放大嚣的设计与研究 表3 4 2 1 管脚定义表 管脚 功能描述 1 r fi n 射频信号输入脚。为了获得最合适的5 0q 匹配阻抗，需要接入一个 1 6 p f 的电容和一个2 o p f 的接地电容，这些值是在2 4 5 0 m h z 的频率 下，如果存别的额搴下。汶凿信就襄雷新常史。 2r fi n 射频信号输入脚。为了获得最合适的5 0q 匹配阻抗，需要接入一个 1 6 p f 的电容和一个2 o p f 的接地电容，这些值是在2 4 5 0 , e - i z 的频率 下。如果存另j i 的颛率下，坟地信就喜荤新索义。 3p c能量控制脚。为了能够获得最好的性能，这个脚的必须接入恰当的 电压偏置。一般会接入一个反馈环，这个反馈环根据实际情况决定。 当控制电压低于0 5 v 时，这一部分进入关断状态。 4 v 提供偏置电路功率。需要连接其他的旁路电容。 5r fo u t射频信号输出脚，如果需要得到最合适的阻抗，就要提供一个1 8 p f 的接地电容和一个3 3 p f 的旁路电容。因为有4 个射频信号输出脚， 这四个脚在内部是连起来的，因此可以将一个脚接偏置电路，一个 接三次谐波滤波器，其它两个脚作为射频信号输出端。 6r fo u t射频信号输出脚，如果需要得到最合适的阻抗，就要提供一个1 8 p f 的接地电容和一个3 3 p f 的旁路电容。因为有4 个射频信号输出脚， 这四个脚在内部是连起来的，因此可以将一个脚接偏置电路，一个 接三次谐波滤波器，其它两个脚作为射频信号输出端。 7 r fo u t 射频信号输出脚，如果需要得到最合适的阻抗，就要提供一个1 8 p f 的接地电容和一个3 3 p f 的旁路电容。因为有4 个射频信号输出脚， 这四个脚在内部是连起来的，因此可以将一个脚接偏置电路，一个 接三次谐波滤波器，其它两个脚作为射频信号输出端。 8r fo u t射频信号输出脚，如果需要得到最合适的阻抗，就要提供一个1 8 p f 的接地电容和一个3 3 p f i 拘旁路电容。因为有4 个射频信号输出脚， 这四个脚在内部是连起来的，因此可以将一个脚接偏置电路，一个 接三次谐波滤波器，其它两个脚作为射频信号输出端。 p k g g n d 接地。 b a s e 下面给出该功率放大器的电性能参数： 1 9 硕上论文 微被取向智能放大器的设计与研究 表3 4 2 2 电性能表( t = 2 5 0 c ，v = 5 v ，v ，口= 5 o v ，f r e q = 2 4 0 0 m h z ) 参数最小值 典型值最大值单位测试条件 频率范围1 8 - 2 5g h z 最大输出功率 + 2 7 d b m v o 产3 6 v ，p i f + 1 9d b m + 2 9 d b m v 。产4 8 v ，p i f + 1 9d b m + 3 0 0+ 3 1 0d b m v o c ：6 o v ，p i f + 1 9d b m 放大效率 4 5 最大输出情况 小信号增益 1 2d b 输入驻波比 1 5 ：1 输入阻抗 5 0 q 控制电流 2 7 03 5 04 1 0l l l a p f + 3 0d b m 。v = 6 o v 表3 4 2 2 可见，在输入功率在1 9 d b m 的情况下，它的最大输出功率达到3 0 d b m ，超 过了我们所需要的2 7 d b m 的要求，从而可以保证该放大器在工作时一直处于线性范围 之内。下面给出了在2 4 5 0 m h z 频率的情况下，该功率放大器的外围电路参考图( 图 3 4 2 2 ) 。