（电磁场与微波技术专业论文）24ghz无线局域网射频双向放大器设计.pdf

摘要 本文研制了一个可应用在i e e e 8 0 2 1 1 b 的双向放大器，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。射频功率控制电路用来校准输出功率保持为2 7 d b m ， 同时控制开关切换到发射或接收端，论文中将详细描述射频功率控制电路工作原 理。功率放大部分采用a t f 一3 4 1 4 3 和m g f 0 9 1 9 a 做双级a 类放大器设计，输出 功率2 7 5 d b m ，p l d b 约3 2 d b m ；低噪声放大器是采用a t f 。3 4 1 4 3 设计的，增益 约1 4 d b ，噪声系数1 0 d b 。发射部分启动电平0 d b m ，输入动态范围1 6 d b ，扣除 切换开关损耗，输出功率约2 7 d b m ，发射频谱满足i e e e s 0 2 1 l b 频谱模板要求； 接收整体增益约1 2 d b ，噪声系数约3 7 d b 。 关键词：无线局域网双向放大器低噪声放大器 a b s t r a c t ab i d i r e c t i o n a la m p l i f i e ri ss t u d i e da n di m p l e m e n t e df o rw i r e l e s sl a n ( w l a n ) i nt h i st h e s i s t h eb i - d i r e c t i o n a la m p l i f i e rc o n s i s t so fal o g a r i t h m i cd e t e c t o r ，p o w e r a m p l i f i e r ( p a ) ，al o w n o i s ea m p l i f i e r ，r fs w i t c h e sa n dp o w e r c o n t r o l l i n gp a t h ，s oa st o e x t e n dt h es c o p eo fa c c e s sp o i n ta n dw i r e l e s sl a n t h e p o w e rc o n t r o l l i n gp a t hi su s e d t om a i n t a i nt h eo u t p u tp o w e r2 7 d b m ，a n dt os w i t c hi to nt xo rr x ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l e w i l lb ee x p l i c a t e di nd e t a i li nt h i sp a p e r a t f 3 4 1 4 3a n dm g f 0 9 1 9 aa r eu s e dt or e a l i z e p o w e ra m p l i f y i n g ，t h eo u t p u tp o w e ri s a b o u t2 7 5 d b m ，p l d bi sa b o u t3 2 d b m a t f 一3 41 4 3i sa l s ou s e dt or e a l i z eal o wn o i s ea m p l i f i e r t h eg a i na n dn o i s ef i g u r eo f t h el n aa r ea b o u t14 d ba n d1 0d br e s p e c t i v e l y i nt h et r a n s m i t t i n gm o d e ，t h es t a r t u p l e v e li s0 d b m ，t h ei n p u td y n a m i cr a n g ei s16 d b ，t h eo u t p u tp o w e rr e a c h e s2 7 d b m a l l o w i n gf o rt h el o s so f t h e t rs w i t c h ，a n dt h ep o w e r s p e c t r u ms a t i s f i e st h es p e c t r u m m a s ko fi e e e 8 0 2 1l b i nt h er e c e i v i n gm o d e ，1 2 d bg a i na n d3 7 d bn o i s ef i g u r ea r e a c h i e v e d k e y w o r d s ：w i r e l e s sl a n b i - d i r e e f i o n a la m p l i f i e rl o wn o i s e a m p l i f i e r 创新性声明 y 6 9 5 7 7 5 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中 不包含其他人已经发表或者撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或者其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作过的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确地说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切责任。 本人签名：扭芷日期：巡垒= l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证 毕业离校以后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大 学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校有权公布论文 的全部或者部分内容，可以允许影印、缩印或者其他复制手段保留全文。( 保留的 论文在解密后遵守此规定。) 本学位论文 本人签名： 导师签名： 年解密后适用本授权书。 日期：丝堕：兰：! 日期：! ! ：坚 第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目背景 互联网的发展已经进入了一个比较成熟的阶段，便利的网络极大的丰富了人 们的行为。高效的信息化平台使企业、政府、校园等诸多部门的工作效率得到了 很大的提高，同时工作方式也得到了极大的改进。各行各业对网络的依赖程度也 在日益加深。在我们随时都在使用的网络中，从运营商网络到企业网、校园网等 等，局域网可以说是应用最广泛的系统之一，作为局域网的基础一以太网( e t h e r n e t ) 技术，也在不断改进，从十兆以太网到百兆、千兆、吉比特以太网，以太网越来 越成熟、吞吐量越来越大，在数据通信领域扮演着举足轻重的角色。 但是随着人们对网络服务要求的进一步提高，有线以太网的一些先天不足( 例 如必须铺设大量缆线，暂时不能铺设缆线的地方则无法进行通讯，线缆传输距离 有限等) 无法完全满足用户对在随时随地都可以进行交流、随时随地都可以访问 i n t e m e t 资源的需求，用户需要一种新的技术来填补这方面的空白。基于此种现实， 无线局域网的概念与产品应运而生。 无线数据网络的应用目前主要基于这样的一些标准：由i e e e 组织提出的 i e e e 8 0 2 i x 系列标准：由e t s i 组织提出的h i p e r l a n 标准；由s i g 组织提出的 b l u e t o o t h 标准。从技术上进行划分，前两者相比蓝牙技术更适合于无线局域网的 应用。目前，基于i e e e 8 0 2 1 l 系列标准的无线局域网得到了更为广泛的应用，得到 了世界绝大多数芯片制造商和设备制造商的支持。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 a n ( w i r e l e s sl a n ) 的第一个正式版本，但是由于8 0 2 1 1 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8 0 2 1 1 得到了不断地改进，i e e e 组织相继推出了 8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 “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。 w l a n 目前在北美、欧洲、日本等数据网络建设与应用比较发达的地区的应 用十分广泛。随着底层技术的不断完善，芯片价格的不断下降，无线网络系统将 在今后一段时间内得到很好的推广。在所采用的技术中，8 0 2 1 1 b 将成为主流并将 以每年8 2 的速度增长。8 0 2 1 l a 将以每年3 7 5 的速度增长；下一代8 0 2 11 9 ( 在 2 4 g h z 频段下实现2 2 m b p s 虬及5 4 m b p s 的传输速度) 将以每年1 7 1 的速度增长； 而同时使用8 0 2 1 1 b 与8 0 2 1 l a 的市场则将以每年1 9 3 的速度增长。而我国由于 特殊的国情，无线局域网的应用尚处于起步阶段，但是无论运营商还是设备制造商 对无线局域网市场都给予了极大的关注，在些人口密集、商业发达的城市和地区 已经出现了小规模的应用。无线局域网所提供的物理平台为运营商开展丰富多样 的服务内容提供了广阔的空间，同时也会带来巨大的经济效益和社会效益。 2 4g h z 无线局域嗣射频积向放大器设计 1 2 项目意义和来源 基于i e e e 8 0 2 1 1 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。 中兴通讯股份有限公司在对无线局域网市场进行广泛而深入的市场调研后， 于2 0 0 3 年一季度开展了无线局域网相关产品( 无线网卡、无线接入点a p 、网桥、 双向放大器) 的研发工作。本论文主要结合双向放大器进行。通过该项目的研制， 可以开发出拥有自主知识产权的无线通信产品，并且能够推动国内无线通信领域 的进一步发展。 1 3 本文的主要工作 本文的研究工作主要是对双向放大器进行研究，在理论的基础上，进行了实 验工作。设计的双向放大器通过调试，最终得到很好的效果。本文完成的工作包 括以下几方面内容： ( 1 ) 对双向放大器国内外现状进行了解。 ( 2 ) 深入了解和分析了无线局域网有关概念，掌握了无线局域网设计的一般规则 和方法。 ( 3 ) 结合项目需要深入了解和分析了i e e e 8 0 2 1 1 b 标准。 ( 4 ) 根据项目指标要求，在理论的基础上，参与设计了一款o 5 w a t t s 的用于w l a n 的双向放大器。 ( 5 ) 通过加载信号，给出了双向放大器的实测结果，并得到比较好的效果。 论文基本框架： ( 1 ) 第一章简要介绍了本次研究工作的背景、意义和来源，并提出了工作的主要 内容。 ( 2 ) 第二章介绍了无线通信的标准和主要参数，重点介绍了i e e e8 0 2 1 1 的技术 标准。 ( 3 ) 第三章详细的介绍了双向放大器的一些关键器件，并对其进行仿真设计。 ( 4 ) 第四章给出了双向放大器测试方法和测试结果及说明。 ( 5 ) 最后绘出了项目研制的结论。 1 4 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来源、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要的交代。 第二章无线通信标准和参数 第二章无线通信标准和参数 2 1 无线通信p w l a n 的标准l | 】 2 1 1 信道划分 公众无线局域网设各工作在2 4 g h z 频段，工作频率范围为2 4 0 0 2 4 8 3 5m h z 。 此频段为共用频段，公众无线局域网与其它无线接入系统、蓝牙技术设备、点对 点或点对多点扩频通信系统等共用频率。 2 4 g h z 频段可用带宽为8 3 5 m h z ，划分为1 3 个信道，每个信道带宽为2 2 m h z 。 p w l a n 具体信道配置方案见表2 1 。在实际建网进行频率规划时，相邻小区应尽 量使用互不交迭的信道以减小干扰。 表2 12 4 g h z 频段p w l a n 信道配置表 信道中心频率信道低端高端频率 ( m h z )( m h z ) 12 4 1 22 4 0 1 2 4 2 3 22 4 1 72 4 0 6 2 4 2 8 32 4 2 22 4 1 1 ，2 4 3 3 42 4 2 72 4 1 眈4 3 8 52 4 3 22 4 2 1 2 4 4 3 62 4 3 72 4 2 6 2 4 4 8 72 4 4 22 4 3 1 ，2 4 5 3 82 4 4 7 2 4 3 6 2 4 5 8 92 4 5 22 4 4 1 7 2 4 6 3 1 02 4 5 72 4 4 们4 6 8 1 12 4 6 22 4 5 1 2 4 7 3 1 22 4 6 72 4 5 6 2 4 7 8 1 32 4 7 22 4 6 l 2 4 8 3 2 1 2 物理层的要求 2 4 g h z 频段p w l a n 空中接口物理层必须符合i e e e8 0 2 1 1 b 和或t e e e 8 0 2 1 1 9 的规定。 对于支持8 0 2 1 1 b 的p w l a n 设备必须支持直接序列扩频( d s s s ) 方式，不 应采用跳频扩频( f h s s ) 方式。 对于支持8 0 2 1 l g 的p w l a n 设备，必须能向下兼容8 0 2 ，l l b 的设冬。 若空中接口采用i e e e8 0 2 1 1 b ，设备物理层应符合表2 2 的要求。 24g h z 无线局域网射频双向放大器设| 十 若空中接口采用i e e e8 0 2 川g ，设备物理层应符合表2 _ 3 的要求。 工作在2 4 g h z 频段的公众无线局域网的无线设备应该能够根据无线信道的好 坏，自动选择相应的速率。当信道特性变化时，可以自动实现动态速率切换。对 速率切换的算法不进行规定。 表2 2i e e e8 0 2 1l b 物理层要求 物理层实现方式数据速率强制性 d s s s d b p s k i m b p s 必选 d s s s d q p s k 2 m b p s 必选 c c k 5 5 m b p s 、11 m b p s 必选 d s s s p b c c + 前向纠错 5 5 m b p s 、1l m b p s 、2 2 m b p s 可选 编码( f e c ) 表2 3i e e e8 0 2 1 t g 物理层要求 物理层实现方式数据速率强制性 _ c c k 1 m b p s 、2 m b p s 、5 5 m b p s 、11 m b p s 必选 o f d m 6 m b p s 、9 m b p s 、1 2 m b p s 、i s m b p s 、 必选 2 4 m b p s 、3 6 m b p s 、4 8 m b p s 、5 4 m b p s c c k o f d m 6 m b p s 、9 m b p s 、1 2 m b p s 、1 8 m b p s 、 可选 2 4 m b p s 、3 6 m b p s 、4 8 m b p s 、5 4 m b p s c c k p b c c 5 5 m b p s 、11 m b p s 、2 2 m b p s 、3 3 m b p s 可选 2 1 3 发射功率 设备的等效全向辐射功率应满足： 天线增益 1 0 d b i 时：1 0 0 m w 或一 2 0 d b m 。 天线增益1 0 d b i 时：5 0 0 m w 或2 7 d b m 。 2 1 4 发射机中心频率容限 发射机中心频率容限应+ 2 0 p p m ， 2 1 5 码片时钟频率容限 p n - q 片时钟频率容限应一 + 2 0 p p m ， 2 1 6 发射频谱模板要求 或一2 0 p p m 。 或一2 0 p p m 。 对于d s s s 、c c k 方式，发射频谱模板如图2 1 所示。 第二章无线通信标准和参数 发射频谱模板 c 一2 2 m h z ：- 1 i m - l c ：七、l m h zf c + 2 2 m h i 图2 12 4 g h z 频段发射频谱模板p s s s 、c c k 方式) 对于d s s s 、c c k 方式，发射频谱模板应满足表2 4 的要求。 表2 42 4 g h z 频段发射频谱模板要求( d s s s 、c c k 方式) l 频率范围相对电平 f c - 2 2 m h z ( f f c - 1 1 m h z 和f o + l l m h z f f c + 2 2 i v g - l z - 3 0 d b f o 一5 5 m h z f e - 2 2 m h z 和f o + 2 2 m h z f f c + 5 5 m h z - 5 0 d b 注l ：为信道中心频率 注2 ：上述要求的测量条件为：r b w 一1 0 0k h z ；v b w 一1 0 0k h z 。 对于o f d m 、d s s s o f d m 方式，发射频谱模扳如图2 2 所示。 一3 02 0 1 1 - 9 f c9 1 12 03 0 频率( m h z 图2 2 2 4 g h z 频段发射频谱模阪( o f d m 、d s s s o f d m ) 对于o f d m 、d s s s o f d m 方式，发射频谱模板应满足表2 5 的要求 24g h z 无线局域网射频双向放大器设计 表252 4 g h z 频段发射频谱模板( o f d m 、d s s s o f d m ) 相对信道中心频率的频偏( m h z ) 91 l2 03 0 相对电平( d b r ) o2 0- 2 84 0 注：上述要求的测量条件为：r b w 一1 0 0k h z ；v b w 一3 0 k h z 。 2 1 7 杂散发射 杂散发射包括：谐波辐射、寄生辐射、互调产物和变频产物。杂散发射指落 到载波中心频率f c 2 5 0 信道带宽( c s ) 以外的带外辐射功率电平。 杂散发射功率电平限值应( 杂散发射功率电平n 试参考带宽b w r ) 符合表2 6 规定。 表2 6 杂散发射电平限值 测试参考带宽( b w r ) p q 的杂散发射功率电平限值 3 0 1 0 0 0 m 畦z- 3 6d b m ，1 0 0 k h z 2 4 24 8 3 5 g h z3 3d b m ，1 0 0 k h z 3 4 3 5 3 g h z一4 0d b l 3 3 t1n z 5 7 2 5 - 5 8 5 g h z- 4 0d b m ，lm h z 1 1 2 7 5o h z - t ；它频段3 0d b i l l ，1m h z 2 1 8 调制精度 调制精度表征的是实际发射波形与理想信号波形间的差异。通过测量每一码 片周期内的峰值矢量误差幅度( e v m ) 来决定调制精度的大小。最坏情形下的归 一化矢量误差幅度不应超过0 3 5 ，见图2 3 。 2 1 9 发射机的开关时间 发射机发射功率从最大功率的1 0 增大到最大功率的9 0 的时间应不大于2 u s 。 发射机发射功率从最大功率的9 0 减d , n 最大功率的1 0 的时间应不大于2 u s 。 2 1 1 0r f 载波抑制 无线信道中心频率测量的r f 载波抑制应低于功率谱峰值最小1 5 d b 。 测量条件：发射机发送周期的0 1 数据序列，不进行扰码，采用q p s k 调制，r b w 为1 0 0k h z 。 第二章无线通信标准和参数 图2 3 误差矢量星座图 2 1 1 1 接收机门限电平 对于1 lm b p sc c k 调制，在p s d u 长度为1 0 2 4 字节，帧差错率( f e r ) 8 1 0 。2 下的接收机门限电平为。7 6 d b m 。 对于5 5 m b p sc c k 调制，在p s d u 长度为1 0 2 4 字节，帧差错率( f e r ) 8 x 1 0 2 下的接收机门限电平为一7 8 d b m 。 对于2m b p sd s s s d q p s k 调制，在p s d u 长度为10 2 4 字节，帧差错率( f e r ) 8 x 1 0 2 下的接收机门限电平为8 0 d b m 。 对于1m b p sd s s s d b p s k 调制，在p s d u 长度为1 0 2 4 字节，帧差错率( f e r ) 8 1 0 。2 下的接收机门限电平为8 2 d b m 。 对于o f d m 、d s s s o f d m 方式，接收机门限电平应符合表2 7 的要求。当采 用1 0 0 0 字节长的p s d u ，某一数据速率下接收信号电平为相应的门限电平时的包差 错率( p e r ) 应低于1 0 。 对于2 2 m b p sp b c c 调制，在p s d u 长度1 0 2 4 字节，帧差错率( f e r ) 8 x 1 0 2 下的接收机门限电平为7 6 d b m 。 对于3 3 m b p sp b c c 调制，在p s d u 长度1 0 2 4 字节，帧差错率( f e r ) 、 9 k ，a2 4 ，则根据三阶交调的定义，可得到干扰项与信号项之间 的关系为： 1 2 0 1 0 9 a p 3 = 寺( 2 0 1 0 9 a 。1 。2 2 0 l o g a m , 3 ) + 2 0 l o g d 。 ( 2 1 3 ) 其中a ，表示三阶交调点，a 。，表示输出三阶交调项功率，彳。：表示双音信号输 出功率，4 。则为输入功率。重新整理该式，使其以d b 表示，对应的输出三阶交 调点可得 o i p 3 ( d b m ) ：3 0 p o , l - = - o p i m 3 ( 2 1 4 ) z 其中d 以为输出三阶交调点，吡，为双音测试下主信号的输出功率，0 | ，则为双 音测试下三阶交调输出功率，r o i e ，与k ，、k ，的关系在5 0 t 2 负载下可表示为： 3 0 1 p 3 ( d b m ) = 1 0 l o g j 鲁+ 1 1 2 5 ( 2 1 5 ) f 墨i 同样，利用上式可推导出n 阶交调点，其结果可整理为下式： o p e c = 肚匕l 一( n 一1 ) o i p o ( 2 ，1 6 ) 实际工作中总结出两级级联放大器级联后的i m d 3 计算经验公式： m d 3 = l o l o g ( 1 0 47 1 0 + 1 0 也7 1 0 ) = d 2 + 1 0 1 0 9 1 + 1 0 4 一畦7 o ( 2 1 7 ) 假设两级放大器的三阶交调系数之差的绝对值为a ，即a = d 2 ，则驱动级的 i m d 3 对末级的i m d 3 的影响值b ( 末级交调恶化值) 可用下面的式来表示： b = 1 0 l o g 1 + 1 0 “1 0 ( 2 1 8 ) 根据式2 ，1 8 的计算，当级联放大器前级的i m d 3 高出后级8 d b 时，后级的i m d 3 值恶化o 6 4 d b ，在选择级联放大器的放大管时，应尽量选择前级的i m d 3 高出后 级8 d b ，才能够满足末级i m d 3 指标不过差的要求。 第二章无线通信标准和参数 2 6 工作状态和效率i 5 】 2 6 1 放大器分类 根据设计用途的不同，放大器需要有特定的偏置条件。放大器的工作状态分 为几类，他们对应于射频电路中有源器件的不同偏置状态。 控制 图28 ( a ) a 类放大器原理图 图2 8 ( b ) 不同的工作状态是根据所谓导通角来划分的，导通角对应于个信号周期内 有电流流过负载的时间。如图所示，在a 类工作状态下，整个信号周期内都有集电 极电流存在，即导通角0 = 3 6 0 。如果晶体管在线性区内的传输特性近似于线性函 数，那么输出信号则是没有任何失真的，放大了的输入信号。然而，在实际中总 会出现一定程度的非线性效应，从而产生放大器输出信号畸变。图2 8 ( a ) 所表示的 是一个公发射极的a 类放大器，它的偏置电流，。要大于发射极电流，集电极电流i 。 在整个输入信号的周期内都导通，它的导通角为3 6 0 度。集电极电流的波形如图 2 8 m ) 所示。 在b 类工作状态下，只有半个信号周期内有集电极电流存在，这对应于 o = 1 8 0 。的导通角。在信号周期的第二个半周内，晶体管进入了截止状态，没有集电 极流过。a b 类工作状态结合了a 类和b 类工作状态的特点，其导通角。的范围在 18 0 。至3 6 0 。之间这种放大器通常用于对射频信号进行大功率”线性”放大。 c 类放大器的导通角小于1 8 0 度，它具有比较高的效率，但是线性比较差。对 于对效率要求比较高的设备中，c 类放大器是不错的选择，但是它的比较差的线性 是它的一个比较严重的缺点。 2 6 2 效率的定义 功率放大嚣的主要目的是将信号提升到一定的功率，这个信号会被送到负载， 负载通常是天线，而放大器本身也会消耗定的功率。为了评估功率放大器的效 率，有三种常用的定义：第一种为漏极效率( d r a i ne f f i c i e n e y l p 。= 孚 ( 2 1 9 ) 2 4g h z 无线局域网射频双向放大器设计 第二种为功率附加效率( p o w e r a d d e d e f f i c i e n c y ) = 警 第三种是整体转换效率( o v e r a l le f f i c i e n c y ) 厶。 驴赢 ( 2 t 2 0 ) ( 2 2 1 ) 2 7 相邻信道功率 = h ( a c p r ) 由文献【6 1 分析可知，邻道功率( a c p ) 定义为当主信道加一信号时，紧邻主 信道的两个信道内的功率大小。邻道功率的产生主要来自两个方面，一是由于器 件的非线性作用产生，它的载波会产生相近的频谱成分，这些成份的交互调制会 在中央载波频率旁产生肩峰频谱信号，而发射器的非线性特性则会将这些频谱成 份散布到相邻的信道中，从而信道间会产生干扰。二是由于主信道信号本身频谱 较信道宽。a c p r 的值即为频道外信号对频道内信号在等宽频带内的功率比，定义 如下： d a c p r = 望 ( 2 2 2 ) 匕， a c p r 值越低表示对邻近信道的干扰越小，系统容量可以提升。一般而言，习 惯将a c p r 取对数后乘以l o ，而以d b c 为单位。在多数情况下a c p r 是衡量c d m a 、 w l a n 等系统的一个关键指标，它与器件( 放大器、混频器) 非线性、信号的调 制等因素有关。 图2 9 邻道功率( a c p ) 定义 n p u t o u t p u t 图2 1 0 器件非线性产生的邻道功率 第二章无线通信标准和参数 级联放大器a c p r 的计算，一般通过功率进行估算。例如两级放大器，前级 的增益和a c p r 分别为g i ( d b ) 平l ia l ( d b c ) ，术级的增益和a c p r 分别为g 2 ( d b ) n a 2 ( d b c ) ，输入功率为p ( d b m ) ，则整个放大器的a c p r 为： 爿c p r 划- g 坐竺筹裂攀z ， 2 8 误差矢量幅度( e v m ) 误差矢量在无线通讯收发系统测试中占有很重要的地位，误差向量的大小常 用于衡量该发射方向调制性能的好坏。误差向量的概念，乃是发射链路输出的是 实际调制向量与理想调制向量的差距。图2 “为误差向量示意图。 误差向量大小，即实际信号向量与理想调制向量之间的差异绝对值，过大的 误差向量可能造成接收端对于信号产生误判的现象。误差向量的产生，通常源自 发射链路上的噪声以及电路的非线性失真，因此准确的分析并掌握误差向量的特 性，不但可以了解发射链路对于调制信号特性的影响，更可以弄清链路上的噪声 源与失真源，便于分析。 球 l 图2 1 1 误差向量( e v m ) 示意图 幅度误差、相位误差和e v m 误差分别计算如下： m a g n i t u d ee r r o r = 厄了砀j 一、厩忑 p h a s ee r r o r = a r c t 姐望矗一a r c t a n 望遗 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 2 4g h z 无线局域网射频取向放大器设计 e v m = ( ，。一 i d e a l ) 2 + ( q 一q 。，) 2 ( 2 2 6 ) 2 9 本章小结 本章详细介绍了中华人民共和国通信行业标准公众无线局域网接入子系 统的技术要求，同时给出了无线通信主要参数定义及理论推导计算，并就其对系 统性能的影响作了说明。 第三章职向放大器设计与测量 第三章双向放大器设计与测量 3 1 双向放大器介绍 双向放大器用来匹配直频或跳频扩频系统，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。 在无线局域网中连接系统中，双向放大器一端连接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1 2 d b 的增益，可以有效的弥 补a p 和放大器之间射频电缆的损耗，真实体现接收的实际信号。它可以用在无线 局域网( w l a n ) ，无线本地环( w l l ) ，无线因特网接入( w i a ) 等。双向放大器指 标见下表： 表3 1 双向放大器的指标 工作频率 2 4 g h z _ 2 5 g h z 工作模式 t d d 发射输出功率2 7 i d b m ( 5 0 0 m w ) 发射输入功率 0 d b m ( m i t a - 2 0 d b m ( m a x ) 接受增益1 2 d b 频率平坦度1 d b 噪声系数 3 5 3 8 d b 发射频谱符合8 0 2 1 l b 模板 它的功能框图如下： 图3 】双向放大器的功能框图 2 4g h z 无线局域网射频双向放大器设计 如图3 1 所示，在双向放大器的两个端口各有一个收发切换开关以实现t d d 工作 方式。当a p 处在接收状态时，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r x 档，即接收状态，与a p 的工作方式保持一致， 此时，功率放大器p a 处于关闭状态，低噪放l n a 正常工作：当a p 处在发射状 态时，功率检测器通过耦台检测到来自于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t x 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，使输 出功率保持恒定，并阻止发射功率达到饱和状态。 3 2a d 8 3 1 3 检波分析与测量 a d 8 3 1 3 【7 1 是一个完整的多级检波对数放大器，有很宽的工作带宽和7 0 d b 的 高动态范围以及4 0 n s 的快速响应时间。其实用在这里它并不起放大的作用，它的 主要功能就是把输入端的射频输入信号转化为直流电压输出。在这里可以看作是 测试装置，或者说是一个对数转换器，把一种方式表达的信号转换成另一种方式 表达。它的典型连接如下： 图3 2a d 8 3 1 3 典型应用连接方式 拐角1 和4 均接工作电压，电阻r 1 、r 2 ，电容c 3 、c 4 避免两者在p c b 布线 时产生耦合；信号通过电容c 1 、c 2 交流耦舍进入a d 8 3 1 3 ，两输入跨接5 4 ，9 q 电 阻是为了与a d 8 3 1 3 内部9 0 0 q 电阻并联，使输入阻抗接近5 0 q ，起输入网络匹配 作用。输出端口接r 4 ，目的是分压增加输出。电阻r 5 的作用是增加电路的驱动 负载能力同时略微降低输出斜率( m v d b ) 。其输入信号功率与输出电压之间的关系 是： = k l o g ( ) ( 3 1 ) 其中，圪。、v , o 分别是输出电压和输入电压；圪为电压斜率，单位是( r a v d b ) ：k 第三章取向放大器设计与测量 是截断电压。 通过调整v o u t 和v s e t 之间的电阻可以得到不同的电压斜率，最大能达到 4 0 m v d b 。在这个电阻值确定情况下a d 8 3 1 3 检波斜率与频率和供电电压有关，一 般来说，供电电压越高斜率越低。下图是a d s 3 1 3 在2 4 5 g h z 、+ 5 v 供电时输出电 平随输入信号变化的测量结果： 一u4 uj u- z 0- 1 001 0 i n p u ta m p 呲u d e ( d b m ) 图3 3 频率为2 4 5 g h z 时输出电压与输入曲线 由图3 3 可以看到电压斜率大概为2 2 ( m v d b ) ，截断电压k 大概为一9 0 d b m 。 当输入信号功率接近0 d b m 时，输出电压接近饱和，这是由检波器本身内部结构决 定的。 3 3 耦合器仿真设计 本文设计了一个2 4 g h z 的3 d b 9 0 度定向耦合器【”，用于双向放大器中，结构 如图3 4 所示。 p l n1p i n2 p i n4p i n3 图3 4 耦合器结构 如果信号功率自端口1 输入，则端口2 为隔离端口，端口3 是0 。耦合端口， 端口4 是一9 0 。耦合端口。耦合度c 方向性d 和隔离度i 的定义分别为： 啪 瞄 栅 | 暑 咖 啪 一e)a口璺o，=：9o 兰l 生生竺生2 苎塑翌! ! 翌里堑翌塑垫查堡望生 c = 圳1 0 9 蚓 ：， d - 。s 倒 s ， 卜肛如川昭蚓 。， 这里，暑是端口1 的输入功率：e 、只和只分别是端口2 、3 和4 的输出功率。 下面是根据给定的参数讲行估直的结晕 3 点m 吉 盘 f r e q ( g h 力 图3 5 隔离度随频率的关系 盒 罾锄 譬 一 g 暑。 匠 - 1 1 1 日 2 1 z 2 2 j 2 f r e q ( g h z ) 图3 6 回波损耗随频率的关系 兰三兰翌旦垫二! ! ；墨堡生兰型量一旦 f 幢q 瞄h z l 图3 7 耦合度随频率( g h z ) 的关系 f r m q ( g h z ) 图3 8 耦合相位差随频率( g h z ) 的关系 由上面的几图可以看到，在2 到2 5 g h z 频率范围内，耦合度不平衡小于o 2 d b 方向性大于2 0 d b ，输出端口相角差在9 0 。l o 范围内，满足设计要求。 3 。4 自动电平控制 控制接收和发射电子系统增益的方法很多。最基本的方法就是改变放大晶体 管的直流工作状态，即改变晶体管的正向传输导纳，从而达到改变增益的目的； 利用p i n 二极管或场效应管的变阻特性构成电控衰减器也可用于增益控制。本文 拟采用p i n 二极管作可变衰减器来改变增益，其优点是线性度比较高，电路简单 且控制灵活。 3 4 1 长和短的二极管模型 二极管有两种结构： 1 r e g i o n 宽度比较大，称为b u l kd i o d e s ；宽度较小的称 为e p ld i o d e s ，见图3 9 。在文献吲和文献呷1 中我们得到p i n 管的特性。 2 4 g h z 无线局域网射频双向放大器设计 m k l - l a 悝 自w * 鼻v e 最 图3 9 长短二极管的结构 在外加正向偏压的情况下，流过二极管的电流是根据每个半导体区注入的额 外载流子浓度进行计算的。根据半导体层的长度不同，我们必须区别出长和短的 二极管模型。 在外加电场的情况下，结不再处于平衡状态且产生了超过热平衡条件时p 层 的h 。在n 层的n 。少数载流子浓度。按照热力学考虑，可预示在每个层中少数载 流子浓度为磊( 矗) = 鼠。ej _ j f _ ，和h 。( 一d p ) = r t p o g 。，对应的额外电荷密度为： a p 。= 以一a 。和a n p = h 。一”开始扩散进入半导体层，该过程由静态扩散方程决 定。对于n 层的方程表示式为： 掣：鱼l( 3 5 ) 庙c 。d 乒p 其中，d 。，f 。分别是在n 层的空穴扩散常数和额外电荷载流子的寿命。通常所说 的扩散长度为： 三，= 两和o = i ( 3 6 ) 与每个半导体层的长度有关，取决于我们所用的是长和短的二极管模型。通解是 a p 。= c l e 2 f ，+ c 2 e 一再，通过在半导体两端的边界条件定出两个未知数。最终可以求 得通过二极管的总电流： = l o ( e h 一一1 1 ( 3 7 ) 其中，对长二极管的反向饱和电流为： i o 叫华+ 华】 ( 3 8 ) 第三章双向放大器设计与测量 对短二极管为： ，o 一爿 q d p p , , o 十訾， 其中，v 1 为偏压，v 2 是热电势，近似为2 6 m y 。 3 4 2p i n 二极管特性 由上面分析可知p i n 二极管是电流控制衰减器，它的导通电阻为： 脏w 2 ”“) v ，) 。1 0 其中，w 为区域，的宽度。为导通电流，r 为少数载流子的寿命，。和以分别 为电子和空穴移动速率，其值分别为0 0 5 m 2 加。s ，0 1 3 m 2 力+ s 。 b u l k 型和e p i 型二极管结构不同，特性完全相反，见表3 2 。 表3 2e p i 和b u l k 二极管特性比较 c h a r a c t e r i s t i ee p id i o d eb u l kd l o d e l j f e t i m es h o r t l o n g d i s t o i t i o n h i 曲 l o w i c u r r e n t r e q u i r e d l o w h i g i l lir e g i o nt h i c k n e s sv e r yt h i nt h i c k 少数载流予寿命r 定义为i 区内贮藏电荷在由正向电压变为反向电压时，它 耗尽到某个预定值所用的时间。这个时间可以短至几十纳秒( 对e p i ) ，也可以长 到几千纳秒( 对b u l k ) 。它对p i n 二极管的失真和基本特性有很大影响。 我们首先定义个截止频率，= 二，对载流子寿命比较短的二极管而言，它的截 止频率可以高达几十m h z ；而对载流子寿命长的二极管，它的截止频率大于 4 0 0 k h z 。当频率大于1 0f 时，二极管才可以看作是电流控制的可变阻抗器：当频 率小于f j l 0 时，二极管可视为普通的p n 结；而当频率介于两者之间时，它的特 性非常复杂，它可以呈现为非常大的容抗和感抗特性；当没加正向偏压或偏压很 大时，它又分别呈现为高阻和低阻特性，这时与少数载流子寿命长短无关。 从图3 1 0 可以清楚的看到，在给定电流和结电容情况下，e p i 型二极管阻抗 明显低于b u l k 型二极管，也就是说它相比于b u l k 型二极管需要较小电流就达到饱 和。 2 4g h z 无线局域同射频双向放大器设计 i h s 斟p 0e 9 0e u l 耗fi h o 吣o 二 ： 步 、 一 、 一 1 4 8 i渤 o