怎么设计2.4GHz WLAN无线功率放大器？

在WLAN网络中，由于WLAN的低功率与高频率限制了其覆盖范围，所以现有的产品基本上通信距离都比较小，并且实现双向收发的比较少。而目前很多功率放大器都集成在收发端内部，这样提高了集成度，简化了电路，但是这种集成的功率放大器的功率往往不够大，要实现长距离传输必需外加功率模块。

刘羽扬

2019-8-20 15:23:31

本文主要研究的是无线功率放大器的设计方案与硬件的实现，通过增大发射信号功率、放大接收信号提高灵敏度来实现，同时实现了信号的双向收发，可运用于802.11b／g模式的远距离无线传输。
1 无线功率放大器的设计
如图1所示，在系统原理图中，射频输入通道耦合一部分功率送到检波电路进行处理，检出的射频包络和固定门限电平比较来控制信号端口的收发状态，如果高于门限电平，切换射频开关，有信号要发射，打开发射通道，反之处于接收状态。

1.1 传输微带线的设计
微带线是RF电路设计的重点，是模块匹配网络中的一部分，也是连接各个功能模块的桥梁。传输微带线用以输入／输出信号或者连接电路，如果它与前端电路的输出阻抗和后端电路的输入阻抗匹配，就可以使信号传输过程中的功率损耗减至最小。本设计中的传输微带线特征阻抗为50Ω。
微带线的特征阻抗值由微带线的宽度w、PCB板的介电常数ε、PCB板的大厚度H、铜箔厚度T等参数决定。在材料一定的条件下，特征阻抗只取决于微带线的宽度w，本设计中采用FR4板材。由式(1)：

1.2 双管平衡放大电路的设计

发射功率放大电路的作用是将发射信号放大，输出大功率。在本电路中采用双管平衡放大电路，采用并联的方法来提高输出功率。功率放大芯片选择anadigics公司的AWL6153UM7P8，其在5 V直流电压，802.11g模式下54 Mb／s信号速率最大输出功率可以达到+25 dBm，将芯片的两个相同的应用电路并联后构成平衡放大电路提高输出功率。图2中，在软件Agilent ADS2004环境下，对参数S仿真的结果可以看到，端口插入损耗在2.4 GHz小于3 dB，放大电路的输出功率最大可以达到27 dBm，即500 mW。

1.3 低噪声放大接收电路的设计
低噪声放大接收电路则是提高接收信号灵敏度。设计电路选择RFMD2373芯片，可以提供最大15 dB的增益和1.3 dB的低噪音系数并且耗电仅10 mA，在2.4 GHz时一阶增益压缩点(P1dB)-3.5 dBm，三阶交词截取点(IP3)为9.5 dBm。在输入端加一级带通滤波器，可以有效滤除噪声。
1.4 检波电路设计
为了不使接收功率较大时功率检波器输出大电压值，同时避免功率检测电路影响电路的特征阻抗，因此功率检波器输入端采用定向耦合器从通路中耦合出一部分功率输入到检波电路中。而切换控制信号由功率检波电路输出信号整形变换得到。在电路中从射频主通路耦合出一部分能量提供给芯片MAX4003检波出发射信号，主通路衰减小于1 dB，耦合度为13 dB，ADS软件下S参数仿真如图3所示。微带耦合线的物理尺寸为：微带线宽度w=11.8 mil，间距s=3.9 mil，耦合线长L=531 mil。
1.5 开关切换控制电路和电源电路设计
检波电路输出的信号不能直接控制射频信号，通过三极管MBT2222作为驱动电路来控制射频开关，实现功率放大器的收发切换。电源电路将9 V电压转换为5 V提供功率模块的正常工作电压。

本文主要研究的是无线功率放大器的设计方案与硬件的实现，通过增大发射信号功率、放大接收信号提高灵敏度来实现，同时实现了信号的双向收发，可运用于802.11b／g模式的远距离无线传输。
1 无线功率放大器的设计
如图1所示，在系统原理图中，射频输入通道耦合一部分功率送到检波电路进行处理，检出的射频包络和固定门限电平比较来控制信号端口的收发状态，如果高于门限电平，切换射频开关，有信号要发射，打开发射通道，反之处于接收状态。

1.1 传输微带线的设计
微带线是RF电路设计的重点，是模块匹配网络中的一部分，也是连接各个功能模块的桥梁。传输微带线用以输入／输出信号或者连接电路，如果它与前端电路的输出阻抗和后端电路的输入阻抗匹配，就可以使信号传输过程中的功率损耗减至最小。本设计中的传输微带线特征阻抗为50Ω。
微带线的特征阻抗值由微带线的宽度w、PCB板的介电常数ε、PCB板的大厚度H、铜箔厚度T等参数决定。在材料一定的条件下，特征阻抗只取决于微带线的宽度w，本设计中采用FR4板材。由式(1)：

1.2 双管平衡放大电路的设计

发射功率放大电路的作用是将发射信号放大，输出大功率。在本电路中采用双管平衡放大电路，采用并联的方法来提高输出功率。功率放大芯片选择anadigics公司的AWL6153UM7P8，其在5 V直流电压，802.11g模式下54 Mb／s信号速率最大输出功率可以达到+25 dBm，将芯片的两个相同的应用电路并联后构成平衡放大电路提高输出功率。图2中，在软件Agilent ADS2004环境下，对参数S仿真的结果可以看到，端口插入损耗在2.4 GHz小于3 dB，放大电路的输出功率最大可以达到27 dBm，即500 mW。

1.3 低噪声放大接收电路的设计
低噪声放大接收电路则是提高接收信号灵敏度。设计电路选择RFMD2373芯片，可以提供最大15 dB的增益和1.3 dB的低噪音系数并且耗电仅10 mA，在2.4 GHz时一阶增益压缩点(P1dB)-3.5 dBm，三阶交词截取点(IP3)为9.5 dBm。在输入端加一级带通滤波器，可以有效滤除噪声。
1.4 检波电路设计
为了不使接收功率较大时功率检波器输出大电压值，同时避免功率检测电路影响电路的特征阻抗，因此功率检波器输入端采用定向耦合器从通路中耦合出一部分功率输入到检波电路中。而切换控制信号由功率检波电路输出信号整形变换得到。在电路中从射频主通路耦合出一部分能量提供给芯片MAX4003检波出发射信号，主通路衰减小于1 dB，耦合度为13 dB，ADS软件下S参数仿真如图3所示。微带耦合线的物理尺寸为：微带线宽度w=11.8 mil，间距s=3.9 mil，耦合线长L=531 mil。
1.5 开关切换控制电路和电源电路设计
检波电路输出的信号不能直接控制射频信号，通过三极管MBT2222作为驱动电路来控制射频开关，实现功率放大器的收发切换。电源电路将9 V电压转换为5 V提供功率模块的正常工作电压。

张芳

2019-8-20 15:23:34

2 无线功率放大器的测试
2.1 端口S参数的测试
功率放大器端口S参数测试使用的是AgilientE5071B矢量网络分析仪，测试结果如图4所示。
2.2 通信测试
用IQVIEW测试仪器发射出-30 dBm的射频信号作为功率放大器输入信号测试接收性能，在软件IQsignal vector Signal Analyzer中可以得到由功率放大器放大后的接收信号在54 Mb／s(802.11g模式)和11 Mb／s(802.11b模式)速率下的数据，具体数据如图5所示。
因为IQVIEW不能发出太大功率的射频信号，所以将IQVIEW发出的发射信号经过自制的模块放大后(功率达到13.44 dBm)输入到功率放大器的发射通路，进行发射功率增益放大测试，经过功率放大器后发射信号数据如图6所示。
吞吐率是指在一指定时间内由一处传输到另一处或被处理的数据量。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对原有WLAN网络的吞吐率有所影响。将功率放大器加入到现有WLAN局域网后测试网络吞吐率，经过比较之后，功率放大器加入之后网络前后吞吐率平均均能达到20 Mb／s以上。

3 结语
本文所研究并实现的2.4 GHz WLAN无线功率放大器，发射功率可以达到500 mW，接收增益大于10 dB，收发信号实现自动切换，在实际使用中与各大公司的无线AP直接串接使用，有效工作范围达到5 km，可以广泛应用在WLAN网络中。
作者：邓中亮，戚威

杨文英

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刘羽扬

张芳

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