無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路的研究與設(shè)計(jì)_射頻功率放大器的匹配

1、科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)技術(shù)科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)無線通信是利用電磁波信號(hào)在自由空間中傳播來進(jìn)行信息交換的一種通信方式。隨著無線通信技術(shù)的逐漸成熟，無線通信系統(tǒng)在越來越多的領(lǐng)域得以應(yīng)用。該通信方式具有通信質(zhì)量較好，設(shè)備簡單、建設(shè)周期短、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)的發(fā)送離不開發(fā)射電路。射頻電路的好壞影響著數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低。低成本，低功耗，小體積，高性能是一個(gè)優(yōu)秀射頻電路的主要要求。實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)射頻發(fā)射芯片是射頻發(fā)射電路的主要組成部件。它可以把輸入信號(hào)通過，等調(diào)制方式調(diào)制成的載有有用信號(hào)的高頻載波發(fā)射出去。本章將分析發(fā)射芯片的基本結(jié)構(gòu)和外圍電路。發(fā)射芯片結(jié)構(gòu)發(fā)射芯片主要包括壓控振蕩器，鎖相環(huán)，功率放大器，晶體振蕩器。鎖相環(huán)基本

2、原理鎖相環(huán)路是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng)，是將參考相位與輸出信號(hào)之間的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號(hào)的相位，以達(dá)到與參考信號(hào)同頻的目的。鎖相環(huán)是一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路結(jié)構(gòu)，由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩三部分組成。鑒相器用于比較輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位輸出電壓是對(duì)應(yīng)與這兩個(gè)信號(hào)相位差的函數(shù)。發(fā)射芯片外圍電路分析圖是實(shí)驗(yàn)芯片及其外圍電路。射頻功率放大器功率放大器簡述功放既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。功放有三個(gè)主要參數(shù)：最大輸出功率pom ，轉(zhuǎn)換效率和駐 波比。功放提供給負(fù)載的信號(hào)功率稱為輸出功率，表達(dá)式為。最大輸

3、出功率是在電路參數(shù)確定的情況下，負(fù)載上可能獲得的最大交流功率。功放的最大輸出功率與電源提供的直流功率之比是轉(zhuǎn)換效率。直流功率等于電源輸出電流平均值及電壓之積。功放將電源的直流功率轉(zhuǎn)化成交流信號(hào)功率輸出，只有一部分直流功率被轉(zhuǎn)化成為有用的信號(hào)功率并為負(fù)載所獲得，另一部分被放大器以及電路中的寄生元件所消耗。為了獲得最大的輸入功率，需要較小的輸入反射系數(shù)；為了獲得高效率，通常會(huì)在輸出端形成較大的駐波比。實(shí)驗(yàn)功放性能分析本實(shí)驗(yàn)中采用日本三菱公司的功率放大器，它的工作電壓是。此模塊式為非線性調(diào)制設(shè)計(jì)，但也可以通過控制輸入電壓工作在線性區(qū)域 內(nèi)。根據(jù)文獻(xiàn)可知，功放的等效電路圖包括兩級(jí)放大電路，匹配網(wǎng)絡(luò)由微

4、帶線和元件混合組成。微帶線又稱微帶傳輸線，是用介質(zhì)材料把單根帶狀導(dǎo)體與接地金屬板隔離而構(gòu)成。微帶線的電性能，如特性阻抗、帶內(nèi)波長、損耗和功率容量等，與絕緣基板的介電系數(shù)、基板厚度和帶狀導(dǎo)體寬度有關(guān)。對(duì)于輸入和輸出都要用到特征阻抗為的微帶線來進(jìn)行和前極和后極的電路匹配，所以需要設(shè)計(jì)該要求的微帶線。 微帶線的阻抗計(jì)算公式有許多，我們來驗(yàn)證其中個(gè)公式的合理化程度。已知介電常數(shù) ，板厚度，微帶線厚度，求寬度 。公式一 ，代入數(shù)據(jù)有：；公式二，代入數(shù)據(jù)有：。通過計(jì)算，兩個(gè)公式結(jié)果大致相同，可見都是正確的，可以通過他們?cè)谝院蟮脑O(shè)計(jì)中來計(jì)算微帶線的參數(shù)，畫出符合要求的電路板。功放匹配電路分析對(duì)于任何功率放大

5、器設(shè)計(jì)，輸出匹配電路的性能是個(gè)關(guān)鍵。當(dāng)功放與芯片匹配時(shí)，傳輸線上沒有反射波，只有入射波，傳輸線上各處的電壓幅度與電流幅度都相無線數(shù)據(jù)發(fā)送電路的研究與設(shè)計(jì)射頻功率放大器的匹配朱寬勝張彥煒（南京廣播電視大學(xué)江蘇南京河海大學(xué)江蘇南京）摘要：隨著現(xiàn)今社會(huì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同領(lǐng)域發(fā)揮愈來愈重要的作用，人們對(duì)功耗低，穩(wěn)定度高，體積小型化的超短波無線發(fā)送裝置的需求也越來越高。本論文首先在發(fā)射芯片的基礎(chǔ)上，提出一種發(fā)射功率在左右的無線發(fā)送電路的實(shí)驗(yàn)方案。論文重點(diǎn)介紹高頻功放的工作原理和因?yàn)樯漕l功率放大器與發(fā)送芯片輸入輸出阻抗不同而引發(fā)的匹配問題。關(guān)鍵詞：無線發(fā)送射頻功率放大器中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：

6、（）（）作者簡介： 朱寬勝（）男，漢，江蘇南京人，碩士研究生研究方向：電子與通信工程 張彥煒（）男，漢，山西大同人，碩士研究生研究方向：信號(hào)與信息處理圖電路科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)技術(shù)科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)等，傳輸線任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗；當(dāng)功放和芯片不匹配時(shí)，功放就只能吸收上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。開始使用并聯(lián)終端匹配。它是在信號(hào)源端阻抗很小的情況下，通過增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。并聯(lián)終端匹配后的信號(hào)傳輸具有以下特點(diǎn)：第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)近似以滿幅度沿傳輸線傳播；第二所有的反射都被匹配電阻吸收；第三負(fù)載端

7、接受到的信號(hào)幅度與源端發(fā)送的信號(hào)幅度近似相同。電阻形式的并聯(lián)匹配，也被稱作戴維南終端匹配，要求的電流驅(qū)動(dòng)能力比單電阻形式小。并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡單易行；顯而易見的缺點(diǎn)是會(huì)帶來直流功耗如圖：在圖中，滿足了芯片輸出阻抗為，但真正進(jìn)入功率放大器的信號(hào)功率并不大。設(shè)芯片輸出功率，電路總電路 ，通過電流， 電流。由此可得進(jìn)入功放的功率為。這種方法使大量的信號(hào)在匹配電路中損失，最后到達(dá)功放的信號(hào)可能不能達(dá)到激發(fā)功放工作的最小信號(hào)功率。所以輸出匹配電路的功率損耗決定一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣。這些功率損耗出現(xiàn)在匹配網(wǎng)絡(luò)的電容器、電感器，以及其他耗能元件中。輸出匹配的具體電路不同，損耗也不一樣，這里我們關(guān)心的是在

8、匹配網(wǎng)絡(luò)中，功率以熱量的形式耗散掉的損耗。效率低不僅會(huì)縮短工作時(shí)間，而且還會(huì)在散熱和可靠性方面帶來很大的問題。電容器的品質(zhì)因數(shù)與它的電容量是成反比的。要想使輸出匹配的耗散損失達(dá)到最小，那么在輸出匹配中，電容的值就必須盡可能地小。折衷是在帶寬和耗散損失之間做出的。對(duì)于一個(gè)功率放大器的效率而言，耗散損失是非常關(guān)鍵的。耗散損失的值就等于匹配網(wǎng)絡(luò)工作功率增益的倒數(shù)，而與源阻抗的任何特性都沒有關(guān)系。為了較小在匹配網(wǎng)絡(luò)上的能量損失，我們又做了一下改進(jìn)。如圖：理想情況下，理相變壓器初次級(jí)線圈之間的功 率相等 。 有：， 把代入公式，有：只要使初次級(jí)線圈匝數(shù)比滿足條件就可以達(dá)到電路匹配，通過這種匹配網(wǎng)絡(luò)到達(dá)功

9、率放大器兩端的功率為，大大提高了工作效率。但是在設(shè)計(jì)無線發(fā)射系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)時(shí)，引入一個(gè)變壓器不是一個(gè)明智的選擇。因?yàn)樽儔浩鞯捏w積較大，這會(huì)增加系統(tǒng)的總體積，攜帶極不方便，而且變壓器在耦合過程中，會(huì)向外泄漏大量的高頻信號(hào)，這對(duì)周圍的電路會(huì)產(chǎn)生干擾，甚至使電路因?yàn)樨?fù)反饋無法正常工作。所以需要進(jìn)一步集成化，低功耗的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。然后，我考慮使用傳輸線來進(jìn)行阻抗匹配。在負(fù)載與傳輸線之間加一段（當(dāng)頻率為時(shí)，）的傳輸線就可以使其匹配。根據(jù)傳輸線阻抗變換特性可知變換段的 特 性阻抗為：，所以有。但這種傳輸線的設(shè)計(jì)十分繁瑣，所以也沒有被采用。輸出匹配的種類很多，最終的損失也不同。在微波頻譜的低端，傳輸線占據(jù)了太

10、多的空間，所以采用了集總元件的方法。在一個(gè)功率放大器模塊的典型輸出匹配電路中，使用大容量的隔直電容器來防止直流電流從功率放大器電源流到負(fù)載中去。用表面貼裝電容器和印制電感器以及表面貼裝電感器組成的兩節(jié)低通匹配網(wǎng)絡(luò)，可以將的名義負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)化成合適的負(fù)載線。而負(fù)載線的設(shè)置是根據(jù)指定的功率放大器輸出功率和可用的電源電壓。我們可以采用標(biāo)準(zhǔn)的或高值電容器。還有另一個(gè)正在逐漸流行起來的做法就是采用集成電容。在許多工藝技術(shù)（包括和）中，高品質(zhì)的金屬高介電質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)存電容器都是可以用的。雖然匹配網(wǎng)絡(luò)可以不斷地優(yōu)化，但更好的方法是不用匹配網(wǎng)絡(luò)，使負(fù)載和芯片直接匹配。最后，我們采用了負(fù)載為的射頻功放，這樣大大

11、化簡了電路匹配問題，只要解決功放周圍所必需的一兩個(gè)元件就可以了。功放性能試驗(yàn)結(jié)果當(dāng)電路加上實(shí)驗(yàn)功放時(shí)，發(fā)現(xiàn)傳輸距離并沒有增加，但功放卻發(fā)出大量熱量。所以我們對(duì)此提出一系列問題：功放電路是否連接正確？功放發(fā)出的是否為有用信號(hào)？是否因?yàn)楣Ψ虐l(fā)出的信號(hào)太大，產(chǎn)生反饋信號(hào)，使電路發(fā)生諧振？是否因?yàn)樾盘?hào)頻率不在功放工作范圍之內(nèi)？為了解決這些問題我們通過降低功放電壓，使用頻率計(jì)測(cè)試輸出信號(hào)的頻率，甚至更換寬待功率放大器等方法進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果都是功率放大器在該電路中沒有起到任何作用，只是把電源的直流全部轉(zhuǎn)換成熱量發(fā)射出去。最后，通過查找資料發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中使用的功率放大器的最小輸入功率大致需要，而的最大輸出功率只有。這表明芯片不能驅(qū)動(dòng)功放工作，頻率計(jì)檢測(cè)到的和信號(hào)只是功放內(nèi)部的自由諧振。所以我們決定在功放前加一個(gè)小功率放大器，提高信號(hào)功率來驅(qū)動(dòng)工作。但因?yàn)闀r(shí)間問題并沒有完成這個(gè)設(shè)計(jì)，會(huì)在以后的學(xué)習(xí)工作中逐步完善。最后在老師的幫助下，我們使用一個(gè)功率為的小功率放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生了良