[硕士论文精品]移动计算机网络中的双向功放与天线技术研究

武汉理I人学硕二F学位论文摘要随着人们对网络通信需求的不断提高，人们希望不论何时、何地、与何人都自E够进行包括数据、语音、图像等任何内容的通信，并希望实现主机在网络中的漫游。为了提高工作效率和随时能够交换和处理信怠，人们提出了移动训算机网络的概念。为了使无线网络系统刁J仅支持移动终端之问的通信，而且应允许无线设备接入有线网络，达到宽带通信和全球连接的目标，一个新的领域一无线局域网WLANWIRELESSLOCALAREANETWORK应运而生。随着WLAN的广泛应用，作为增加WLAN通信距离、增大WLAN覆盖范围的重要的高频部件双肉功旅和天线的作用越来越重要。本文以双向功放和天线在WLAN中的应用为线索，对双向功放在使用过程中出现的非线性失真问题和组网天线技术进行了理论研究和实验仿真。文章首先介绍了功放中的线性化技术预失真技术和前馈技术。分析研究了预失真技术和前馈技术的原理、性能及其实现方法，并在深入研究两种技术的基磁土，提出了集合两者优点于一体的自适应前馈预失真线性比系统方案。接着对典型WLAN功放进行了电路结构和性能的分析研究，并着重分析了功放电路中线性化技术的应用以及在线性化方面的改进，同时对功放相关的性能进行了测试。最后本文介绍了WLAN中的组网天线技术，分析了常见天线性能指标，对几种不同种类天线进行了性能分析与比较，并以某定向天线为例进行了结构和性能的分析研究。同时也研究了天线在WLAN中的应用技术。由于WLAN的应用臼益广泛，人们的需求迅速增长。本课题的研究成果对WLAN的覆盖面积，解决传输接收信号中等面临的问题，改善WLAN的通信性能具有重要的理论指导意义。关键词无线局域网。功效，线性化，预失真，前馒，天线武汉理I人学硕二F学位论文ABSTRACTWITHTHEINCREASINGDEMANDFORNETWORKCOMMUNICATION，PEOPLEHOPETOHAVEANYFORMOFCOMMUNICATIONSWHENEVERANDWHEREVERINCLUDINGDATA，VOICEANDVIDEOWITHANYONE，ANDTOREALIZETHATHOSTCOMPUTERSCANROAMINTHENETWORKPEOPLEHAVEPUTFORWARDTHECONCEPTOFMOBILECOMPUTERNETWORKTOMAKEWIRELESSNETWORKSYSTEMNOTONLYSUPPORTTHECOMMUNICATIONBETWEENMOBILETERMINALS，BUTALSOMAKEWIRELESSDEVICESACCESSTOWIREDNETWORKTOOBTAINTHEGOAIOFBROADBANDCOMMUNICATIONANDGLOBALINTERNETWORKING，ANEWFIELDWIRELESSLOCALAREANETWORKWLANHASCOMEINTOBEINGASTHEIMPORTANTCOMPONENTTOLENGTHENTHECOMMUNICATIONDISTANCEANDENLARGETHECOVERINGAREAOFWLAN，THEPOWERAMPLIFIERPAANDANTENNAFUNCTIONSWITHMOREANDMORESIGNIFICANCETHISARTICLETAKESTHEAPPLICATIONOFPAANDANTENNAINWLANASTHECLUE，ANDMAKESRESEARCHANDEXPERIMENTIMPLEMENTOFTHENONLINEARDISTORTIONOCCURRINGINPAANDNETWORKINGANTENNATECHNIQUETHEARTICLEFIRSTLYINTRODUCESTHELINEARIZATIONTECHNIQUESPREDISTORTIONTECHNIQUEANDTECHNIQUEFEEDFORWARD，ITANALYSESTHECONCEPTANDCAUSESOFTHENONLINEARDISTORTION，ANDCONSEQUENTLYINTRODUCESTHEPRINCIPLEANDIMPLEMENTOFPREDISTORTIONANDFEEDFORWARD，ANDPUTSFORWARDTHEINNOVATIVEPROJECTOFSELFADAPTABLEPREDISTORTIONANDFEEDFORWARDTHENITGIVESTHECIRCUITDESIGNOFTHEPASAPPLICATIONOFINWLANANDPAYSMOREATTENTIONTOTHELINEARIZATION，FINALLYITILLUSTRATESWLANNETWORKINGANTENNATECHNIQUE，ANALYSESTHETHEORYBASISANDWLANAPPLICATIONOFITANDINTRODUCESTHEPRESENTHOTTECHNIQUEOFSMARTANTENNAONTHEASPECTOFPALINEARIZATION，APROJECTCOMBININGPREDISTORTIONWITHFEEDFORWARDISPRESENTEDINPRINCIPLEINTHISARTICLE。THISPROJECTTAKESTHEADVANTAGEOFTWOTECHNIQUESANDOVERCOMESTHEIRDEFECTS，WHICHTAKESEFFECTONPALINEARIZATIONONTHEASPECTOFNETWORKINGANTENNA，THISARTICLEDISCUSSESTHEAPPLICATIONOFSMARTANTENNAUSEDINWLAN，WHICHMAKESITMEETUSERSNEEDINII武汉理I人学硕二F学位论文GREATATEAFORTHEWLANAPPLICATIONMOREANDMOREWIDELY,PEOPLESNEEDSHAVERISENQUICKLYACCORDINGLYTHERESEARCHRESULTSOFTHISARTICLEHASGREATSIGNIFICANCEONENLARGINGCOVERINGSQUAREINWLANTECHNOLOGY，SETTLINGWITHTHEPROBLEMEXISTINGINTHEPROCESSOFSIGNALSTRANSMILANDRECEIVING，IMPROVINGTHECQM呲N沁AIONPROPA矗YOFWLAN。KEYWORDSWIRELESSLOCALAREANETWORKWLAN，POWERAMPLIFIERPA，LINEARIZATION，PREDISTORTION，FEEDFORWARD，ANTENNAIII武汉理I人学硕二F学位论文第一章绪论11课题研究背景随着人们对网络通信需求的不断提高，人们希望不论何时、何地、与何人都能够进行包括数据、语音、图像等任何内容的通信，并希望实现主机在网络中漫游。为了提高工作效率和随时能够交换和处理信息，人们提出了移动计算的概念。移动计算是指人们可以随时、随地进行“计算”。这种为移动便携机或通信设备提供全球连接的愿望刺激了无线分组网络的发展，为了满足这种要求和将来可能的通信需求，除了在都市和广域范围内使用高性能的有线媒介外，未来的通信网络还应该提供局域范围内的无线媒介。同时，无线网络系统不仅支持移动终端之间的通信，而且应允许无线设备接入有线网络。正是为了达到宽带通信和全球连接的目标，一个新的领域无线局域网WLANWIRELESSLOCALAREANETWORK应运而生。WLAN是90年代计算机网络技术与无线通信技术相结合的产物，它是一种能支持较高数据率、采用微蜂窝结构、自主管理的计算机局域网【21。它采用无线电或红矫线作为传输介质，采用扩展频谱技术，移动终端可通过无线接入点来实现对INTEMET的访问。世界上第一个试验性WLAN是1987年建立的，随后在医疗、零售、机场等地方也出现了WLAN，由于各厂商的WLAN不能互联，于是1990年11月成立IEEE8021LINSTILULEOFELECTRICALANDELECTRONICSENGINEERING80211委员会着手制定WLAN标准，并于1997年6胃裁定蹬全球第一个WLAN标准1EEE80211【21。IEEE8021IWLAN标准使得不同供应商的产品具有了互操作性。目前1MBPS和2MBPS的WLAN技术和产品已相当成熟，整个系统的实现成本也正逐渐下降，但与以太N10MBPS相比，WLAN较慢的数据传输率成了其进一步发展的瓶颈。为此，IEEE又相继推出了80211B和8121LA两个薪标准，速率分别达到11MBPS和54MHPS，工作频率分别为24G和5。4G。由于80211B和8021LA不兼容，IEEE在2003年又推出了相当于前两者的混合标准802119，使得WLAN的发展又向前迈进了一大步13】。另外，欧洲电信标准化协会的宽带无线电接入网络小组也在着手制定HIPERHI曲武汉理工大学硕士学位论文PERFORMANCERADIO接入标准，研究任务之一是HIPERLAN标准，已推出HIPERLANI和HIPERLAN2HJ。HIPERLANL对应IEEE8021LB，HIPERLAN2对应IEEE0821LA。目前，在无线标准和规范方面，由不同厂商支持的不同标准和规范争夺激烈，主要有IEEE80211家族、HOMERF、HYPERLAN2以及蓝牙技术等，它们各有特点，其应用领域也不尽相同。除了各种WLAN标准的不断推出推动了WLAN的发展，实现WLAN离不丌跳频扩频FREQUENCYHOPPINGSPREADSPECTRUMFHSS和直序扩频DIRECTSEQUENCESPREADSPECTRUMDSSS等技术的发展【5LODSSS和FHSS的WLAN都使用无线电作为传输介质，覆盖范围广，通信非常安全。WLAN的物理层大都采用DSSS技术。除了扩频技术外，WLAN还离不开诸如调制、无线中继、漫游、功率控制和节能等技术【6J。WLAN自问世以来，以其无可比拟的优势迅速深入到各行各业。由于WLAN具有许多优点，因此可广泛应用于下列领域接入网络信息系统，如电子邮件、文件传输和终端仿真；难以布线的环境，如老建筑、布线困难或昂贵的露天区域、城市建筑群、校园和工厂；频繁变化的环境，如野外勘测、试验、军事、公安和银行等；使用便携式计算机等可移动设备进行快速网络连接远距离信息的传输，还可使流动工作者随时随地得到信息，使信息覆盖及接收区域大大增加；其它需要方便快捷地安装小型网络的用户7L。随着WLAN这项新技术的推广和不断更新，用户希望能够在更大的范围和更远的距离享受无线网络所带来的种种好处【8J。因此，各种基于WLAN技术的高频工程部件在市场上的需求越来越大，在这些部件中双向信号放大器和天线是最常用的重要部件。在大型开放的空间如大型工业区、港口码头中，要求无线信号覆盖的范围很大，这时APACCESSPOINT的覆盖范围通常不能达到有效构建合适的网络的要求。在类似的环境下，需要使用WLAN专用的功率放大器以及天线等辅助设施，通过与AP相配合来扩大无线网络覆盖面积，实现大型开放空间网络覆盖的需求。根据不同的需求选择合适功率的放大器来放大AP的无线信号。另外，不同类型天线的选择，对于大型开放空间进行有效的无线覆盖来说是非常重要的，针对不同的工程应用环境和设备组合，用户应当选择更为合适的WLAN天线咧。武汉理工大学硕十学位|仑文双向功放和天线作为WLAN中广泛应厢的高频部件，对于增加WLAN通信距离、增大WLAN覆盖范围发挥了越来越重要作用，因此针对它们的研究对于扩大WLAN覆盖面积，解决传输接收信号中面临的问题，提高WLAN的通信性能具有重要意义。12国内外研究现状和发展趋势随着WLAN的迅速发展，WLAN双向功率放大器和天线己获得广泛应用。功放在工作过程中，会出现非线性失真。非线性失真问题很普遍，有关功放的线性化研究己越来越受到人们的重视，并得到了广泛的应用。早在20世纪20年代，贝尔室验室的HSBLACK就提出了减小放大器失真的两种方法前馈和负反馈。随后又出现了预失真技术。至今人们已研究出了多种功率放大器线性化技术，常见的有功率回退、预失真、负反馈和前馈。预失真技术和前馈技术是广泛使用的线性化技术，基于这两种技术的线性化系统正逐步成为研究热点。另外，WLAN除了考虑线性化问题，还要考虑其它满足WLAN要求所要具有的性能。因此对WLAN功放的分析和研究具有重要意义。在IEEE80211标准推出不久，几个参与制定该标准的国外大公司随即推出支持该标准的功放。这些功放除了具有输入电平放大和输出功率放大的基本功能外，还具有诸如双向信号控制，智能调节输出功率等其它功能。随着IEEE80211新标准的推出，这些公司相应推出更多新产品。这些功放产品可以支持不同的标准，兵有不同的输出功率，可以满足不同的覆盖要求【I。最近几年，WLAN技术进入我国并在一定范围内获得应用，国内也出现了生产WLAN功放的厂家。国产的功放性能还比不上国外的，所使用的技术也不够先进，市场上以国外的功放为主，主要的功放品牌有ABOVECABLE、HYPERLINK和YDI等。另外，天线作为WLAN中常用的高频器件，它的应用研究也受到越来越多的重视。不同类型天线的选择，对于空间进行有效的无线覆盖来说是非常重要的。针对不同的工程应用环境和设备缀合，用户应当选择更为合适的WLAN天线，包括全向天线、扇面天线、定向天线等【“】。选择了合适的天线后，天线的组网技术也是要仔细研究的问题。工程天线的安装对整个WLAN系统来说是个重要的问题，设备安装的位置对最终无线连接的质量将起到重武汉理1大学硕十学位论文要的作用，需要考虑的因素包括天线的安装角度和安装高度。日前围内外关于天线的技术研究已很深入，各种天线产品种类丰富，性能优良，已在WLAN组网中广泛应用。13论文研究内容和结构安排本文研究的对象是WLAN中豹双向功放和天线，以功放的线性化技术和组网天线技术为线索，进行了理论上的分析研究和工程实验的研究。具体研究内容如下1对预失真和前馈两种线性化技术的原理、特点和实现方法等进行了较为系统深入的分析研究。在此基础上，结合两种技术的优点，提出了一种集合有两者优点的组合式功放线性化设计方案。2对典型功放电路的分析与研究，分析功放的功能和采用的技术。研究线性化技术在功放中的应用，对线性化方面的性能进行分析与测试。3分析研究WLAN组网天线技术并对典型天线的结构和性能进行分析，提出理论上的设计构想，同时对WLAN天线的应用也做了相关研究。本文的结构安排如下第一章介绍论文的研究背景，WLAN及功放和天线等技术的发展情况。第二奄对功放中的预失真线性化技术的原理，结构和实现进行了分析和研究，分析和设计基带预失真的结构和实现方法。第三章对功放中的前馈线性化技术进行了分析和研究，同时设计了将预失真技术和前馈技术相结合的线性化系统。第四章对典型功放的结构进行了分析研究功放采用的技术，尤其是线性化技术的应用并对相关性能进行了分祈与测试。第五章研究了WLAN组网天线技术并对典型天线的结构和性能进行分析，提出理论上的设计构想，同时对WLAN天线的应用也做了研究。第六章对本论文的工作进行了总结，并对后续工作进行了展望。武汉理I人学硕二F学位论文第二章功放中的预失真线性化技术在无线通信中使用功率放大器是为了实现高功率效率和低的带外发射，但在使用功放的过程中会出现非线性失真。为了克服这一问题，人们对放大器的线性化技术迸行了研究12。迄今，人们已研究出了多种对功率放大器进行线性化的技术。预失真技术是对功率放大器进行线性化的理想技术，这种技术可使放大器得到宽的频带和宽的动态范围。这种技术的实质就是预先使放大爨的输入信号在幅度和相位方面产生预定的反失真去抵消放大器内的非线性失真。本章研究了功放工作中非线性失真和它对功放的影响，对功放中常用的线性化技术作了综述性分析。接下来重点研究了基带预失真线性化技术，分析了它的结构组成和原理以及实现方式。最后讨论了预失真器的结构方式，研究了预失真的实现方法。21功放中的非线性失真及线性化技术众所周知，高效频谱调制技术是线性的，放大过程也必须要求是线性的。事实上，所有的放大器几乎都是非线性的，因此，输出信号中就会产生不需要的失真分量1131。一般来说，非线性放大过程产生两种最令人讨厌的结果一种是接收信号的失真将导致系统性能的下降，达不到信号传输的目的；另一种是产生带外功率和互调分量祷对发射机载频的邻近信道产生干扰，影响其它用户正常传输信号。在这几章我们将探讨WLAN中射频系统引起的非线性失真对射频信号传输的影响。这里讨论的失真是幅度幅度AMAM失真和幅度丰目位AMPM失真。引起这些失真的原因有在大功率放大器输入端的峰值平均功率比、基带变频器中振荡器的相位噪声、限制波形的峰值幅度所引起的限幅噪声、为了较小的带外频谱发射而在发射机中进行的滤波，以及基带信号同相和正交部分的不平衡影响等。211非线性失真基本概念放大器的作用是将射频信号放大，提供定的增益，从而保证在远端的武汉理I人学硕二F学位论文接收机那端获得足够的能量H1，以较高的信噪比解调出射频信号的调制包络。假定输入信号为VIT，输出信号为VOT，放大器的转移函数为H，则有下式成立VOT2HVIT211定义放大器的功率增益为GT，相位偏移为OT，输入信号的功率为PINT输出信号的功率为POUTT。假设输入输出阻抗均为Z，则有一地2ARS删PI。T20I。G08一LOI。GZPO。TT201098FL】一10109Z综合式212，213，214，215可以得到OT2POUTTPI。T西TA唱0屹F1】一0TM。TL】2122132一L4215216217对于理想的功率放大器，输出信号应该仅与当前输入放大器的信号有关，而且放大器的幅度增益和相位偏移应该不随输入信号，系统工作时间和外部环境变化。实际的放大器通常使用半导体材料制成，不可避免地具有一定的非线性特性。放大器的复增益不仅与当前激励信号的幅值有关，还与以前的激励信号和周围环境有关。同时随着放大器使用时间的增长，其内部参数也会发生一定的变化15J。因此实际的功率放大器应该是一个有记亿的缓慢时变非线性系统。考虑到其时变效应是比较缓慢的，我们可以近似认为在某一段时间内放大器是时不变非线性系统，以达到简化分析的目的。以A类放大器为例，随着放大器输入信号功率的增强，放大器幅度增益和相位偏移都会有所降低。放大器的效率刁表示放大器将电源消耗功率转化为射频功率的能力，定义为其输出功率POU和电源消耗功率PD。之比。P叩二詈2186武汉理I人学硕二F学位论文在同等输出功率下，功放效率越高，所需要消耗的电源功率越小。在通信电路中，功率放大器所消耗的电源功率往往占据总消耗功率的绝大部分。尤其是在使用电池的移动通信中，减小电源的功放消耗有助于延长系统工作时间。因此，提高功率放大器的效率具有很重要的意义形】。但是，高效率的放大器，其非线性程度大。对信号的失真也大，这是一对矛盾。212非线性失真描述在无线网络通信系统中，除了存在系统本身的噪声和有限带宽以外，当线性网络转移函数H0曲|HLEXPMJRA】的振幅HO0和相角叫中，棚与频率有关时，还会出现信号失真。这种失真通常称为“线性失真”或“传输偏移”。换句话说，任何偏离等振幅K和负的线性相移一，耐。都要引起与频率有关的振幅和相位失真。除了这种失真以外，如果系统有非线性元件，还可能出现其它失真。在这种情况下，不能够将系统用一个简单的转移函数作为线性情况来描述，代替输出的经常是表示成输入的非线性函数，即VT1TXT，如图21所示。由这种偏差引起的信号失真常称为“非线性失真”。图21非线性失真功率放大器最基本的非线性描述方法之一是它的振幅失真，结果导致其非线性转移特性。如果我们假设功率放大器是无记忆的，即其输出电压是其输入电压的瞬时函数，并且其非线性很弱这是大多数通信系统的情况，则输出电压VOT可以用输入电压VT的级数表示为武汉理I人学硕二F学位论文KIK女2K2女3K3F21。91注意对于线性功放，所有的K，都为零I2，3，并且式219中V。T的表示式忽略了功放的相位特性，此相位特性导致输出相对于任意输入信号的相位变化旧。这样的描述方法将在以后讨论。1单频率输入研究具有适度非线性的功放，使V。T可以用式21一LO水J前三项来表示，即圪矗巧也K2屯321一10令ACOSO，则圪可以写成VOKLACOSCOLFK2A2IZOS2国。FKAA3COS309。F三尼爿2矗4丢屯彳3COSCOIT1K2ACOS2CO，TLK3爿3C。SSQR2111由式2111可见，输出信号由所加的基频CO。分量、直流寄生信号、二次谐波频率2CO,和三次谐波频率3Q分量组成。由式2111我们注意到，圪的基波分量振幅为毛41寻，如果屯。，则它大于毛彳系统为线性时的增益；如果K，船的，后R一壤预鲨号信一真一入一失一输一獭一一困剐一射一删压一生口R一闸型武汉理R大学硕士学位论文较容易实现的优点，因此在模拟预失真器中被广泛采用。由前面的分析可知，功率放大器的AMAM和AMPM特性曲线有很大不同，幅度非线性特性比较严重而相位非线性则一般，因此两者的非线性特性是不平衡的。对于采用多项式预失真器，可以通过选择多项式的阶次来方便地实现不平衡预失真，比如选择N。4GHZ选用GAAS微波FET。由于设计的WLAN功放工作在24G，本设计中选用GAAS管子，选用它的另一个原因，它是一个非线性模型，并提供封装参数，特别是射频工作范围内管子的寄生参数，对电路的影响有着至关重要的作用。根据上述该类产品的功能和特性，给出如下的个典型的智能功能的双向信号放大器的电路结构如图42所示。这是一个接收发射双向的信号的放大器，它包含了功率放大模块、稳压电路、负压产生电路、输入输出匹配电路、自动增益控制电路、接收发送开关电路、衰减控制电路和输入输出接口等几个主要的部分。从WLAN设备输入的信号经过输入接口进入衰减控制电路，经过匹配电路进入功放模块得到功率放大，放大的信号通过匹配电路调制后至输出接口送往天线P”。其中一小部分输出通过功率检测得到反馈信号，此信号提供给自动增益控制电路，通过运算比较判断是否超出放大范围，反馈后的信号送往衰减电路。通过衰减电路控制输入，使输出功率的大小能够被智能的监控并保持。功放一般都运行在指定的偏置电压上，以保证稳定的工作状态，为此还需要一个稳压电路，负压电路转换出来的负压为功放模块提供工作电压。由于功放同时具有接收信号电平放大和发射功率放大的功能。为了完成该功能，需要设计一个具备接收发射转换开关功能的电路。由于室外的复杂使用环境，该功放还提供一些必要的防护措旌。另外，功放的线性化问题是必须着重考虑的。对于功放中的线性化问题，武汉理L人学硕士学位论文采用带有反馈的预失真线性化系统。该系统由于工作频率低，易于实现，适应性强【56I，因此在功放电路中得到广泛应用。图42双向信号放大器的电路结构1功率放大模块功放中的功率放大模块采用TELETRONICSINTEMATIONALINC的TC3151ATC3151是24GHZ的2WMMIC单片微波集成电路。它是一个两相I拘PHEMTMMICCJ率放大器，被设计用于低成本和高容量的2425GHZISM频段的无线应用。MMIC提供典型的28DB的增益和多于34DBM的功率饱和P”，它采用,刺JSO一8的功率封装。它的输入输出匹配需要最小外部组件。TC3151的引脚和增益曲线如下图所示图43TC3151引脚图34武汉理JF大学颐二F学位论文TC3151的增益曲线如下图所示FREQUENCYGHZ图44TC315I增益曲线图它在功放中的连接通常如下面的图45电路所示VGG提供功放工作的负压，输入和输出带有匹配电路。图45TC3151在电路中的连接示意图2TXRX切换电路由于功放是双向的，因此它同时具有接收信号电平放大和发射功率放大的功能。为了完成该功能1591，需要有一个具备接收发射转换开关功能的电路。这个开关功能将使用AW002R2来实现。AW002R2是一个使用SOIC8封装的高功率ICFETSPDT开关。这个开关设计用于尤其需要高线性化的场合。可以使用正极性、负极性或者两者都用来控制这个开关60L，该开关可以用于很多模拟或数字的无线通信系统中包括微蜂窝、GSM和PCS应用。AW002R2开关特性TR开关；高绝缘在30DB和09GHZ；设计用于移动无线应用场合；PLDB10W在09GHZ和25。C时；高截止点IP363DBM，35嚣娜武汉理I人学硕二F学位论文09GHZ时。AW002R2的引脚图如下所示山O叫幽46AW002R2的引脚图在图中，通过控NVJ和V2来使JJ与J2还是B接通，实现接收发送的开关功能。切换电路有两个，分别放在靠近输入和输出接口的地方。3负压产生电路TC3151功放模块工作在指定的负压上。为保证它的工作状态，为此需要设计一个负压产生电路，将负压供给TC315L工作。偏置电路对电路整体来说属于辅助电路，但又必不可少。在设计偏压电路时，必须注意使其对主电路的微波特性影响尽可能的小，即不应造成大的附加损耗、反射及漏泄。对这个功放电路中的主要模块芯片TC3151而言，由于其工作需要稳定的负电压供给，采用MAXIM公司的MAX851芯片。它是无线通信中常用的的低噪声可调负偏压源，它对于无线通信发射放大器中的砷化镓二极管来说是一个理想的选择。MAX851既可以提供预置负压一4IV，同是也可以提供可调05至，90的输出负压。它的输入电压范围是45V至10V，输出电流是5MA。MAX851使用在以下场合微蜂窝电话；可调负偏压；个人通信系统，PDA；无线数据载体；连续可调砷化镓二极管偏置等场合。MAX851的引脚图和电路连接通常如下所示武汉理I人学硕二F学位论文圈46MAX851的引脚圈图47MAX85L电路连接图经MAX851的辱脚6输出的负电压提供绘功放TC3_15I的一V龆俸为偏置电压，使TC3151在稳定范围内正常工作。4稳压电路在功放中使用MIC29152为TC315L提供稳压，使它在指定的电压范围正常工作，MIC29152是高电流、高精度，低损耗电压调节器。它用于高电流或低毫流负载，同时它可以转换输入极性和过温度对正负极性的保持。MIC29T52有5个引脚，常用与高效率线性电源的场合。MIC29152的引脚图如下所示武汉理I人学硕二F学位论文1ZJ45图4，SMIC29152的引脚固PINL2ERTABE，2INPUT，3GROUND，4OUTPUT，5ADJUZT使用ONOFF可调节15，功率检测和自动增益控韵JAGCL功放电路带有智能检测电路和自动增益控NAOC电路组成的，用于保证输出电平，并防LE传输信号饱和。此产品可以智能地在一个大范围内适应输入功率的大小，并且可咀进一步自动调整由长度或者配置引起的电缆和连接损失。输出功率的大小被智能地盗控并傈箨。功放的增益被设定在个范围，当增益超过临界值时，需要AGC电路来调节输入，使相应的输出增益保持在指定的范围。设计功放的检测电路，采用LM293，这是一个双向比较器。它与TC3151的输出相连接，当检测到的输出值与指定的值相比超出范围时，LM293会输出耜应豹控制信号来告诱和它褶连AGC宅路。AGC电路和衰狨控剑电路裙连接，AGC电路收到来自LM293的信号来决定是否需要对衰减控制进行调节。AGC电路在接收机中经常用到，也很重要。AGC环路可以放在模拟与数字电路之间，增益控制算法在数字部分来实现，合适的增益设置反馈给模拟可变增益放大器VGA。AGC电路的实现采用前馈环路，前馈AGC收敛速度比较快。为了决定合适蠹勺增益，还要求对接收黪信号蝠度进行估诗。图4,8前馈AGC在AGC电路中需要一个运放来实现增益的控制，采用TLC2272。它能提供高带宽，具有良好的动态输出性能。38武汉理I人学硕二F学位论文6衰减控制电路AVL0512是一个单极性电压控制的，可提供35DB衰减范围的衰减器。AVL0512具有良好的线性性能，适用于对线性化要求高的场合，将它来控制功放的输入信号，使功放的输出增益能够保持在一定范围。AVL0512的电路框图如下图49所示0厂飞R一谛F一。古L一图49AVL0512的电路框图AVL0512的输入端JL连接RF输入信号，输出端J2连接功放模块。通过VC来控制输出J2。它使用5V供电电压VS，05V的控制电压VC，通过控NVC来调节输出。7功放线性化电路实现功放线性化电路使用带反馈的预失真实现。当信号峰值功率远小于饱和功率时，功放的非线性特性可近似表示成三次多项式，而输出信号幅度随输入信号幅度的改变而出现的失真AMAM和输出信号相位随输入信号幅度的改变而出现的失真AMVM变换曲线近似相同。通过可交衰减器和相位补偿可以减小功率放大器的非线性失真。实现框图如下图410所示。衰减器AVL0512具有良好的线性性能，它能提供很大的衰减范围，将它用于线性化电路非常合适。用它来控制功放的输入信号，使输出信号的幅度失真通过它产生的衰减补偿；通过电路中的移相器补偿输出的相位失真；另外通过电路中的差放计算失真幅度相位，并将结果反馈给衰减器和移相器。这样功放的输出增益能够保持在一定范围。武汉理I人学硕二F学位论文图410带反馈的预失真线性化电路实现8滤波、偏置、输入输出匹配等电路在功放电路设计中要考虑到滤波、偏置、输入输出匹配等电路。这些电路虽然是辅助电路，但它们对功放的正常工作很重要。9功放的避雷和防水等保护措施室外型功放安装在室外的天线的馈点上，所以要注意防止在恶劣天气出现的以外的情况，防电击和静电是一个很重要的问题。4_3系统仿真与分析本节对线性化系统进行了仿真研究，仿真是为了验证线性化技术在功放中的性能。图36是MATLABSIMULINK中建立的基于相关检测的信号消除回路仿真模型。为进行性能比较，该前馈预失真系统与未引入该技术系统时的情况进行性能对比。功率放大器AMAM特性曲线拟合用网络分析仪测得，在输入信号频率为60MHZ时输入输出功率关系如表1给出。PJNDBM18161412108642POUTDBM95816856_4639363534根据上表中的数据可粗略绘出功放的AMAM特性曲线如图41L所示。武汉理I人学硕二F学位论文图41160MHZ时放大器AMAM特性为了仿真信号通过功放的线性化部分，最后通过功率放大器，得出输出信号的整个过程并且便于计算，这里使用MATLAB平台模拟了一个双音信号通过线性化系统的情形。放大器的AMAM特性曲线由图41L给出。图412为两个输入正弦信号叠加后信号采样序列的1500点DFT仿真图，仿真结果信号通过放大器后，输出信号的频谱如图412A。由图可知，交调失真是严重的。图412B贝JJ给出了系统引入线性化后输出信号频谱的情况。仿真结果说明，引入预失真后，功率放大器的线性度至少可以提高20DB。未引入预失真补偿A引入预失真补偿CO图412功率放大器输出信号序列DFT模值图同样加入的是双音信号，放大器利用带反馈预失真技术的一个控制电路来控制可变衰减器和可变移相器以保持系统的幅度和时延等因素相匹配，工4L武汉理I人学硕二F学位论文作于最住点。结果表明三阶交调能获得40DBC的改进，五阶交调可获得65DBC的改进如图4，13功率放大器的输出的三阶互调最大可抑制到一90DB以下。凰4T3加线性化毫路压交调改进仿真型频率GHZ颠攀GHZ图414加线性化电路前后功率放大器输出频谱比较图理论分析和及纺真实验表劈，用这静萤反馈黔预失真线性化技术对R，功率放大器进行线性化补偿，可以大大提高微波功率放大器的线性度，从而达到减小各谐波和互调分量的目的。因此，这种放大器完全能很容易地满足现代通信信号电磁环境模拟器对谐波和互调失真的技术指标要求；三阶互调优于38DBC，二阶互调优于20DBC，三阶谐波抑制优于40DB。同时，在提出的实际方案中，预失真偿器电路结果简单、调整方便、便于实现，它充分显示了这一技术的优越性稳定性好，系统调试方便，而且精度高线性度改善效果显著。当然，仿真结果同时也说明了这样一个事实，即功率放大器线性度的明显改善是以降低放大器的输出功率为代价的。因此，如何有效的处武汉理I大学硕一J学位论文理功率放大器的线性度改善和输出功率之间的关系是一个值得进一步研究探讨的课题。随着电子技术和电路技术的发展，预失真技术在功率放大器的线性化方面将会得到越来越广泛的应用。44本章小节本章设计基于WLAN应用的双向功放，该功放具有满足WLAN应用条件的多项要求。首先介绍了功放在WLAN中的应用情况，给出了功放常用的性能指标和设计注意的地方。然后结合具体的24G环境，给出功放结构功能图，并分析采用合适的芯片实现功放电路。在设计中，特别注意在线性化方面的考虑，对功放线性化电路也进行了实验和仿真。武汉理I人学硕二F学位论文第五章WLAN天线典型结构分析与应用研究众所周知，凡是依靠空间无线电磁波传输信息的系统或设备都离不开天线。天线是无线传输系统中的关键装置之一。天线等效于人体的“五官”，可表达和接受信息。根据IEEE的天线定义为“是辐射和接收无线电波的装置。”更专业化定义是一种将导行波转换为空间波发射，或将空间波转换为导行波接收的能量转换装置。本章分析WLAN天线性能，并对某型天线进行了理论分析与设计，同时对WLAN天线应用进行了研究。51WLAN天线性能在宽带WLAN系统的实际工程中，一般按天线辐射方向图来分类，即全向天线、定向天线和扇面天线三大类。天线辐射方向图的定义天线辐射空间能量分布图，或天线辐射特性与空间坐标间的函数关系图形511天线的主要技术指标由于天线的收发互易性，接收和发送参数相同F63】。1工作频率范围指天线适用的工作频段。如宽带WLAN系统所用的工作频段为IEEE80211B24002500MHZ；IEEE80211A51505825MHZ。2天线增益定义最大辐射方向辐射强度与天线无耗时平均辐射强度之比。平均辐射强度是指具有相同输入功率，且为无耗各向同性源的辐射强度。即特定参考天线的辐射强度。公式表达为GUMPI。4N或G1019CTRMYPJ4R0D13I5一L1其中UM为最大辐射方向辐射强度，PI。为输入功率，4冗为全向立体角。3电压驻波比FVSWRVOKAGESTANDWAVERATIO是描述天线输入端与传输系统特性阻抗一般为50N的匹配状况。一般该指标为15。4极化极化是描述电场矢量方向和幅度的时变特性，即瞬时电场矢量的端点随时间变化的图形，称为电场矢量的极化，简称波的极化。极化一般分为三类A】线极化分水平极化、垂直极化和任意方向的极化的三种情况；B圆极化分左旋极化和右旋极化两种情况；C椭圆极化分左椭圆极化和右椭圆极化两种情况。44武汉理一1人学硕士学位论文关键点1宽带WLAN系统都是线极化，一般均为水平或垂直极化。2当极化方向相同时耦合最强，天线安装时收发天线极化一定要一致，否则会因为极化不同产生极化隔离或极化失配而影响系统信号传输效果。5与辐射方向图相关的参数1半功率点波瓣宽度；2水平面主波瓣宽度；3垂直面主波瓣宽度；4波瓣立体角；5第N瓣电平；6FI口后比。概念般主瓣越窄增益越高，反之亦然。副瓣越小，前后比越大，天线性能就越好。6天线输入输出接口与AP的连接。宽带WLAN系统中天线输入输出接口一般均为N一50JK或SMAJK。N一50JK为英制，L16为公制。天线输入输出接口与AP的连接通常须用一段50F低损耗馈线，一般要求这段馈线尽可能短。而AP接口为SMAJ，但内导体为针状特制，本公司有专用转接器备用选件硬转换为标准SMAJ接口，或专用转接低损耗短电缆备用选件直接与AP连接，以解决低损耗粗电缆转接带来得不便。7雷电防护般均采用直接接地方式。S抗风指标9最大输入功率一般均为100W，宽带WLAN系统中是小功率一般为几十毫瓦功率，高功率的网卡输出功率可达200MW23DBMW，或加双向放大器目前输出功率一般为0SW，1W或5W，已基本满足要求公式为SKSMAX512SMAX。Q4NGTPTGRPR“5L3其中S为传输距离，K为传输系数1，SMAX力爱7C传输距离，九为波长，GT发射天线增益，GR接收天线增益，PT发射功率，PR接收灵敏度。处理增益的近似公式GD2BCBM2BC俺其中GB为处理增益，BC为已扩展信号的射频带宽，BM原始基带信号带宽，R；信息传输速率。根据信息论香农公式，处理增益等效与接收灵敏度的改善。宽带WLAN系统中由于采用扩频方案，这就可采用降低信息传输速率办法提高数据传输可靠性。亟望堡二查鲎翌主鲎堡堡奎512组网天线分类及性能比较宽带WLAN组网中电磁波覆盖有几种形式如点对点、ANNA、区域覆盖室内和室外或是几种形式组合等情况1。对应的天线也有不同的形式，下面分析宽带WLAN组网天线的性能及使用范围。1不同增益的全向天线。全向天线将信号均匀分布在中心点周围360度全方位区域，一般用于一点对多点室内和室外的电磁波覆盖，通常连接点距离较近，分布角度范围大，且数量较多。全向天线增益范围通常为315DBI。通常35DBI多为吸顶全向天线用于室内电磁波覆盖。515DBI通常多为竿状全向天线用于室外电磁波覆盖。全向天线方向图水平面是圆。吸顶全向天线垂直面方向图为蝴蝶状。竿状全向天线垂直面方向图为橄榄状。竿状全向天线有常规、高效率和主瓣下倾几种情况。2不同增益和形式的定向天线16“。定向天线的能量聚集能力很强，信号的方向指向性极好，一般用于点对点和一点对多点固定扇形角的室内和室外电磁波覆盖。因此当远程连接点数量较少，或者角度方位相当集中时，采用定向天线是最为有效的方案。定向天线增益范围通常333DBI。通常35DBI多为用于室内电磁波覆盖。1033DBI通常用于室外电磁波覆盖。一般用于点对点、一点对多点的电磁波覆盖。3不同增益和形式的扇面天线。扇面天线具有能量定向聚集功能，可以有效地进行水平180度、120度、90度范围内的覆盖，因此如果远程连接点在某一角度范围内比较集中时，可以采用扇面天线。上述三种天线各具有一定的特性，因此在实际项目中，经常会出现组合使用的情况，例如利用多副扇面天线，或者扇面天线和定向天线相结合。天线形式有低增益固定扇形角室内定向天线、角反射天线、平板天线、八木YAGI天线、背射天线、抛物面天线、切割抛物面栅格天线、抛物面栅格天线等。要根据用户要求、电磁波覆盖范围、传输方式如点对点、一点对多点、区域覆盖室内和室外或是几种形式组合等情况和距离选取合适的天线及架设条件，室内尽可能保证视距传播，按其方向图有效覆盖。室外除尽可能保证无阻挡视距传播，按其方向图有效覆盖外，还要尽可能保证理想架高条件武汉理一I火学硕士学位沧文以减小地面对传播的影响661。此外可根据系统具体情况合理选取双向放大器来保证系统性能。有关细节在后续的相关内容中介绍。52某型WLAN八木定向天线结榭陛能分析和设计虽然WLAN使用的天线种类繁多，但基本原理类似。这里以某型号的WLAN八木定向天线为例分析天线的结构和性能指标。该定向天线是不锈钢八木定向天线，采用国外先进的线天线分析专用软件，进行优化设计的产品，是专门为24G频段远距离通讯开发的系列天线。其特点是增益高，工作频带宽，前后辐射比大，抗干扰力强，不锈钢结构简单坚固，架设方便。它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型【6”。八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用612单元的八木定向天线，其增益可达1015DB。主要性能参数频率范围24002483MHZ带宽83MHZ增益13DBI电压驻波比115标称阻抗50Q极化垂直或水平最大功率100W波瓣宽度E面30。H面30。前后比18DB长度065M重量O8K抗风强度60MS521八木天线结构眭能分析1天线的结构通常把图所示的这类天线叫八木天线，英文译音叫亚其YAGI天线，也有人称之为寄生天线，引向天线等。叫八木天线习惯一些还有点形象之意。垫坚堡查堂堡望堡鲨塞常规八木天线有一根反射元、一根激励元、多根引向元组成。撒2玎匹弓I州睦AJB图51八术天线与分区从其机理与实践来看，这种用杆子排成的特殊传输线，是一种慢波传输线。杆长接近半波长时，衰减很快，慢波建立不起来。杆子越长波速越慢，杆子越短波速越快，以致与自由空间相同【68】。杆子的间距也影响相速。根据这种理论和实践，把八木天线由第一根引向元开始向右所有引向元看成是个整体，而把激励元与反射元看成是激励区。2线尺寸的选定1总长L的选定天线总长L是由天线增益要求决定的，该天线是中等增益的天线。最高点增益，G“10二521LMLN有的书上说，增加一元增加一分贝，或认为增益正比于元数691。由于增益来自方向图，方向图主要决定于参与形成方向图的口径在这里是总长，因此增益正比于总长的波长数是更合适的。犯元间距的选定总长L选定后就要选定各元之间的间距，主要指引向元之间的间距。变间距可以调节天线性能，八木天线有用变间距的。由于变间距外形不好看，因此习惯于用等间距的。从排阵的要求出发，选定密间距的。若仅仅着眼于增益，用大间距可减少元数，大批生产中可降低成本。该天线采用单反射元，与激励元之间的间距在O15凡左右。这样的天线容易固定。但单反射元在激励效率上不如双反射元。反射元长度是低频的05武汉理一I人学硕十学位论文左右。激励元使用折合振子，长度为中频的半波长或稍短一些。折合振TTJ宽度没有深究，宽度以匀称以及能穿过托杆为准。激励元有横放、竖放、斜放多种，这里采用竖放，这样便于连接平衡器，同时可使风吹时抖动不大。八木天线的带宽决定于引向元的长度，而于粗细的关系不大，当然粗了后给人一种结构牢固的感觉。引向体与激励体的间距，约为引向元间距的065左右，通过测景可引为经验数据。总长与间距选定后，就可以调试了，调试时以方向图调试为主。3元长度的获得引向元的长度放在高频的044，然后逐步调整各元长度，使得方向图满足预定的要求。引向元的逐步变短是为了波速与自由空间匹配，而不至于产生突变。4八木天线的激励元最常见的激励元为折合振子，适用于双线传输线701。在调好了方向图的八木天线中，采用扇形振子与折合振子进行数据比较，结果这个振子的匹配带宽要来得宽些。折合振子与八木天线配合起来更优越，所以折合振子是八木天线的首选激励元。3木天线激励元的馈电方法八木天线激励元的馈电常用的大致方法有三种穿入式，采用2U形环和采用板线平衡器7L】。该八木天线采用穿入式。穿入式是一种最简洁的方法。这种做法是将电缆由短路固定处穿入，通过弯管跨过馈电点将芯线接到对面，折合振子与同轴线阻抗比为6比150Q电缆。有两种方法解决阻抗匹配问题一是加