面向無線傳感網(wǎng)絡的雙向射頻功率放大器研究

摘?要：針對無線傳感網(wǎng)中通信模塊存在的發(fā)射功率小、接收靈敏度低、難以適應惡劣的工業(yè)無線環(huán)境的現(xiàn)狀，本文設計了一種工作于470MHz頻段的雙向射頻功率放大器。選用Renesas公司的SiGe工藝NPN晶體管NESG270034和NXP公司的第五代Si材料工藝NPN晶體管BFU530W分別設計正向放大器和反向放大器。利用ADS軟件對其進行仿真及實驗測試分析，測試結(jié)果表明：在470MHz頻段內(nèi)，正向放大器增益為18.9dB，S11小于-15dB，S22小于-15dB；反向放大器增益大于15dB，噪聲系數(shù)小于1dB，S11小于-15dB，S22小于-15dB。最后聯(lián)合cc1120～470MHz節(jié)點測試發(fā)射功率和接收靈敏度。

關(guān)鍵詞：工業(yè)無線通信；射頻前端；雙向射頻；功率放大器

中圖分類號：TN722.7+5；TN722.1+6??文獻標識碼：A

Research?on?Bidirectional?RFPower?Amplifier?for?Wireless?Sensor?Networks

Chen?Xinping

College?of?Artificial?Intelligence?and?Big?Data，Chongqing?College?of?Electronic?Engineering?Chongqing?401331

Abstract：Aimingat the?situation?of?less?transmit?power?and?low?receiving?sensitivity?in?wireless?communication?module?in?industrial?IOT?wireless?sensor?network，a?kind?of?bidirectional?RF?power?amplifier?working?in?470MHz?band?has?been?designed?in?this?paper.Choosing?SiGe?NPN?transistor?NESG270034?made?by?Renesas?and?the?fifth?generation?of?Si?material?technology?NPN?transistor?BFU530W?made?by?NXP?to?design?forward?amplifier?and?reverse?amplifier?respectively.The?test?results?show?that?in?the?470?MHZ?band，the?gain?of?forward?amplifier?is?18.9dB，S11?and?S22?is?less?than-15dB；the?gain?of?reverse?amplifier?is?greater?than?15dB，the?noise?factor?is?less?than?1dB，S11?and?S22?is?less?than-15dB.Testing?the?transmit?power?and?receiver?sensitivity?with?cc1120～470MHz?node?has?proved?the?practicability?of?the?bidirectional?RF?power?amplifier?at?last.

Keywords：Industrial?wireless?communication；RF?front?end；Bidirectional?RF；Power?amplifier

本文采用cc1120作為射頻芯片，通過在射頻前端電路中插入射頻功率放大器來優(yōu)化增益指標和噪聲系數(shù)［1］，同時在結(jié)構(gòu)上放棄了傳統(tǒng)的TX/RX路徑板級直連的結(jié)構(gòu)，通過引入射頻開關(guān)來降低TX與RX路徑的相互干擾，達到了提高接收靈敏度的效果。最終實現(xiàn)了30dBm的最大發(fā)射功率和-120dBm的接收靈敏度，測試最遠通信距離為3.8千米［2］。

1?射頻前端鏈路結(jié)構(gòu)研究

對于傳統(tǒng)的時分通信系統(tǒng)，其射頻前端鏈路結(jié)構(gòu)主要有TX/RX路徑板級分離（見圖1）和TX/RX路徑板級直連（見圖2）兩種。第一種結(jié)構(gòu)由于是TX和RX路徑分離設計［3］，在性能上消除了不同路徑相互串擾的影響，但是由于多出一個濾波器和一根天線的設計，增加了成本，同時在PCB設計上也是難以實現(xiàn)微型化。第二種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是改進了上一種結(jié)構(gòu)的缺陷，采用級聯(lián)的方式減少了一個濾波器和一根天線的物料消耗，同時也大大縮小了PCB面積。缺點是無法保證發(fā)射路徑和接收路徑之間沒有任何串擾［4］。

綜合考慮以上兩種鏈路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，本文通過在直連的結(jié)構(gòu)中插入一個高隔離度的射頻開關(guān)來隔離TX、RX路徑如圖3所示。同時為了不額外引入諧波能量，將射頻開關(guān)插入低通濾波器的中間，通過將低通濾波器拆分為兩部分截止頻率相近的“半濾波器”來濾除掉新生成的諧波能量。

2?主要模塊設計

在傳統(tǒng)的射頻前端鏈路中插入PA和LNA，設計框圖如圖4所示。

2.1?PA設計中的匹配網(wǎng)絡設計

在TX鏈路匹配網(wǎng)絡設計中，為了方便PA的插入，這里將射頻芯片的TX端口阻抗匹配到50歐姆。這樣在后面PA設計時只需要考慮將PA的輸入阻抗匹配到標準的50歐姆就可以實現(xiàn)射頻芯片TX端口到PA的共軛匹配。

為了提高射頻模塊的發(fā)射功率，需要兼顧增益、線性度、輸入輸出匹配、穩(wěn)定性等放大器指標［4］。本文選擇Renesas公司2W的NPN三極管NESG270034作為功放器件，單級放大方案，增益大于18dB，輸出大于30dBm（1W）@5v，在470MHz頻段輸入輸出回波損耗S11和S22均小于-15dB。

2.2?PA設計中的穩(wěn)定性設計

穩(wěn)定性分析往往作為放大器設計的第一步。不良的設計可能導致放大器自激，造成設備損壞［5］。

本文從兩端口網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)傳輸理論分析影響兩端口網(wǎng)絡穩(wěn)定性的因素，總結(jié)出射頻功率放大器絕對穩(wěn)定條件和提高穩(wěn)定性的措施［6］。射頻放大器兩端口網(wǎng)絡示意圖如圖5所示。

其中：ΓS為信號源反射系數(shù)，Γin為輸入反射系數(shù)，Γout為輸出反射系數(shù)，ΓL為負載反射系數(shù)。

Γin=S11+S21S12ΓL1－S22ΓL=Zin－Z0Zin+Z0（1）

Γout=S22+S12S21ΓS1－S11ΓS=Zout－Z0Zout+Z0（2）

其中：

ΓS=ZS－Z0ZS+Z0，ΓL=ZL－Z0ZL+Z0（3）

ZS，ZL為信號源和負載阻抗，Z0為特性阻抗。

根據(jù)微波傳輸理論，放大器穩(wěn)定的條件應滿足：

ΓS<1，ΓL<1（4）

Γin=S11－ΔΓL1－S22ΓL<1（5）

Γout=S22－ΔΓS1－S11ΓS<1（6）

其中：Δ=S11S22-S12S21。由公式（4）、（5）、（6）穩(wěn)定性條件推導出穩(wěn)定性條件：

K=1－S112－S222+Δ22S12S21>1（7）

當放大器輸入或者輸出端口不穩(wěn)定時，則|ΓS|>1，|Γin|>1或者|ΓL|>1，|Γout|&gt;1代入公式（1）、（2）、（3）中可得（Z0=50Ω）：

Re（ZS+Zin）<0，Re（ZL+Zout）<0（8）

綜上所述，對于不穩(wěn)定狀態(tài)下的放大器，其不穩(wěn)定的端口阻抗值實部小于零。故對于不穩(wěn)定的端口，提高穩(wěn)定性的措施可以通過在不穩(wěn)定端口串聯(lián)或者并聯(lián)一個電阻來保證總阻抗值為正［7］。

如圖6所示，在設計PA電路中，通過ADS軟件仿真分析，在輸出端口并聯(lián)一個15歐姆的電阻，放大器在470MHz頻段的穩(wěn)定因子Stab?Fact由之前的0.966改變?yōu)?.583，穩(wěn)定性有明顯的改善［8］。

3?結(jié)論

本文設計了一種工作在470MHz頻段的雙向射頻功率放大器，用于改善工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中無線通信模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度。對放大器穩(wěn)定性設計和輸入輸出匹配設計，使雙向射頻功率放大器在470MHz頻段穩(wěn)定工作，輸入輸出回波損耗均小于-15dB，正向增益大于18dB，反向增益大于15dB，噪聲系數(shù)小于1dB。

參考文獻：

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基金項目：重慶市技術(shù)創(chuàng)新專項（No.cstc2019jscxmsxmX0168）

作者簡介：陳新平（1979—?），男，博士，重慶電子工程職業(yè)學院副教授，研究方向：網(wǎng)絡安全、智能安防裝備。