2.4GHzWLAN無線功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在WLAN網(wǎng)絡(luò)中，由于WLAN的低功率與高頻率限制了其覆蓋范圍，所以現(xiàn)有的產(chǎn)品基本上通信距離都比較小，并且實(shí)現(xiàn)雙向收發(fā)的比較少。而目前很多功率放大器都集成在收發(fā)端內(nèi)部，這樣提高了集成度，簡(jiǎn)化了電路，但是這種集成的功率放大器的功率往往不夠大，要實(shí)現(xiàn)長距離傳輸必需外加功率模塊。本文主要研究的是無線功率放大器的設(shè)計(jì)方案與硬件的實(shí)現(xiàn)，通過增大發(fā)射信號(hào)功率、放大接收信號(hào)提高靈敏度來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的雙向收發(fā)，可運(yùn)用于 802.11b／g模式的遠(yuǎn)距離無線傳輸。

1無線功率放大器的設(shè)計(jì)

如圖1所示，在系統(tǒng)原理圖中，射頻輸入通道耦合一部分功率送到檢波電路進(jìn)行處理，檢出的射頻包絡(luò)和固定門限電平比較來控制信號(hào)端口的收發(fā)狀態(tài)，如果高于門限電平，切換射頻開關(guān)，有信號(hào)要發(fā)射，打開發(fā)射通道，反之處于接收狀態(tài)。

1.1傳輸微帶線的設(shè)計(jì)

微帶線是RF電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，是模塊匹配網(wǎng)絡(luò)中的一部分，也是連接各個(gè)功能模塊的橋梁。傳輸微帶線用以輸入／輸出信號(hào)或者連接電路，如果它與前端電路的輸出阻抗和后端電路的輸入阻抗匹配，就可以使信號(hào)傳輸過程中的功率損耗減至最校本設(shè)計(jì)中的傳輸微帶線特征阻抗為50Ω。

微帶線的特征阻抗值由微帶線的寬度w、PCB板的介電常數(shù)ε、PCB板的大厚度H、銅箔厚度T等參數(shù)決定。在材料一定的條件下，特征阻抗只取決于微帶線的寬度w，本設(shè)計(jì)中采用FR4板材。由式(1)：

1.2雙管平衡放大電路的設(shè)計(jì)

發(fā)射功率放大電路的作用是將發(fā)射信號(hào)放大，輸出大功率。在本電路中采用雙管平衡放大電路，采用并聯(lián)的方法來提高輸出功率。功率放大芯片選擇 anadigics公司的AWL6153UM7P8，其在5V直流電壓，802.11g模式下54Mb／s信號(hào)速率最大輸出功率可以達(dá)到 25dBm，將芯片的兩個(gè)相同的應(yīng)用電路并聯(lián)后構(gòu)成平衡放大電路提高輸出功率。圖2中，在軟件AgilentADS2004環(huán)境下，對(duì)參數(shù)S仿真的結(jié)果可以看到，端口插入損耗在2.4GHz小于3dB，放大電路的輸出功率最大可以達(dá)到27dBm，即500mW。

1.3低噪聲放大接收電路的設(shè)計(jì)

低噪聲放大接收電路則是提高接收信號(hào)靈敏度。設(shè)計(jì)電路選擇RFMD2373芯片，可以提供最大15dB的增益和1.3dB的低噪音系數(shù)并且耗電僅10mA，在2.4GHz時(shí)一階增益壓縮點(diǎn)(P1dB)-3.5dBm，三階交詞截取點(diǎn)(IP3)為9.5dBm。在輸入端加一級(jí)帶通濾波器，可以有效濾除噪聲。

1.4檢波電路設(shè)計(jì)

為了不使接收功率較大時(shí)功率檢波器輸出大電壓值，同時(shí)避免功率檢測(cè)電路影響電路的特征阻抗，因此功率檢波器輸入端采用定向耦合器從通路中耦合出一部分功率輸入到檢波電路中。而切換控制信號(hào)由功率檢波電路輸出信號(hào)整形變換得到。在電路中從射頻主通路耦合出一部分能量提供給芯片MAX4003檢波出發(fā)射信號(hào)，主通路衰減小于1dB，耦合度為13dB，ADS軟件下S參數(shù)仿真如圖3所示。微帶耦合線的物理尺寸為：微帶線寬度w=11.8mil，間距s=3.9mil，耦合線長L=531mil。

1.5開關(guān)切換控制電路和電源電路設(shè)計(jì)

檢波電路輸出的信號(hào)不能直接控制射頻信號(hào)，通過三極管MBT2222作為驅(qū)動(dòng)電路來控制射頻開關(guān)，實(shí)現(xiàn)功率放大器的收發(fā)切換。電源電路將 9V電壓轉(zhuǎn)換為5V提供功率模塊的正常工作電壓。

2無線功率放大器的測(cè)試

2.1端口S參數(shù)的測(cè)試

功率放大器端口S參數(shù)測(cè)試使用的是AgilientE5071B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

2.2通信測(cè)試

用IQVIEW測(cè)試儀器發(fā)射出-30dBm的射頻信號(hào)作為功率放大器輸入信號(hào)測(cè)試接收性能，在軟件 IQsignalvectorSignalAnalyzer中可以得到由功率放大器放大后的接收信號(hào)在54Mb／s(802.11g模式)和 11Mb／s(802.11b模式)速率下的數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如圖5所示。

因?yàn)镮QVIEW不能發(fā)出太大功率的射頻信號(hào)，所以將IQVIEW發(fā)出的發(fā)射信號(hào)經(jīng)過自制的模塊放大后(功率達(dá)到13.44dBm)輸入到功率放大器的發(fā)射通路，進(jìn)行發(fā)射功率增益放大測(cè)試，經(jīng)過功率放大器后發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)如圖6所示。

吞吐率是指在一指定時(shí)間內(nèi)由一處傳輸?shù)搅硪惶幓虮惶幚淼臄?shù)據(jù)量。由于功率放大器提高了原有WLAN的功率，但功率放大器不可避免的對(duì)原有 WLAN網(wǎng)絡(luò)的吞吐率有所影響。將功率放大器加入到現(xiàn)有WLAN局域網(wǎng)后測(cè)試網(wǎng)絡(luò)吞吐率，經(jīng)過比較之后，功率放大器加入之后網(wǎng)絡(luò)前后吞吐率平均均能達(dá)到 20Mb／s以上。

3結(jié)語

本文所研究并實(shí)現(xiàn)的2.4GHzWLAN無線功率放大器，發(fā)射功率可以達(dá)到500mW，接收增益大于10dB，收發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，在實(shí)際使用中與各大公司的無線AP直接串接使用，有效工作范圍達(dá)到5km，可以廣泛應(yīng)用在WLAN網(wǎng)絡(luò)中。