摘 要： 介紹了一種小功率(1 W)、2.45 GHz微波無線輸電系統(tǒng)的發(fā)射端設(shè)計。直流電平經(jīng)過鎖相頻率合成芯片ADF4360-0轉(zhuǎn)換為S波段的2.45 GHz微波信號，ADF4360-0的寄存器配置由MSP430控制；2.45 GHz微波信號經(jīng)過由功放芯片ERA-5SM及ADL5606組成的驅(qū)動級功率放大器將功率放大到1 W，加上喇叭天線即組成了小功率微波輸電系統(tǒng)的發(fā)射端。利用矩形微帶整流天線接收并整流微波信號，整流后的直流電平供給負(fù)載，便形成了完整的微波無線輸電系統(tǒng)。詳細(xì)分析了設(shè)計參數(shù)與方法，并進(jìn)行了仿真及驗證試驗。
關(guān)鍵詞： 鎖相頻率合成器； 功率放大器； ADF4360-0； ADL5606
在近年研究熱點(diǎn)中，微波無線輸電是一個既有難度又相當(dāng)熱門的方向。無線輸電對于新能源的開發(fā)和利用、解決未來能源短缺等問題有重要意義。在利用微波實現(xiàn)無線輸電的系統(tǒng)中，將直流電變換為微波信號(也就是頻率源)以及提高微波信號功率是重要的研究部分[1]。本文利用以鎖相環(huán)(PLL)為基礎(chǔ)的頻率合成技術(shù)來設(shè)計高性能的射頻信號頻率源，使用射頻功放芯片設(shè)計1 W的驅(qū)動級功率放大器，加上標(biāo)準(zhǔn)增益矩形喇叭天線即組成了2.45 GHz微波無線輸電系統(tǒng)的發(fā)射端，在無線輸電研究中邁出一步。
鎖相環(huán)是頻率合成技術(shù)的基礎(chǔ)，是建立在相位負(fù)反饋基礎(chǔ)之上的閉環(huán)控制系統(tǒng)，鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成。ADI公司的ADF4360系列芯片是一款性價比很高的內(nèi)部集成VCO的鎖相芯片，外接環(huán)路濾波器即可構(gòu)成一個性能穩(wěn)定的頻率合成器。
使用單片集成的功率放大器芯片來設(shè)計驅(qū)動級功率放大器可以省去阻抗匹配環(huán)節(jié),簡化放大器的設(shè)計[2]。ERA-5SM與ADL-5606分別是Mini-Circuits公司與ADI公司的單片集成功率放大器芯片，結(jié)合這兩款芯片在2.45 GHz可以得到30.2 dBm的P1dB輸出。
1 原理與設(shè)計
1.1頻率合成器電路、參數(shù)設(shè)計
在微波無線輸電接收端是微帶整流天線，而微帶天線的相對帶寬較窄，所以在發(fā)射端需要一個穩(wěn)定的振蕩源。ADF4360-0可以產(chǎn)生性能穩(wěn)定的、噪聲較低的微波信號。在設(shè)計中使用軟件ADIsimpll、Altium Designer及IAR Systems進(jìn)行電路設(shè)計、仿真及程序燒寫的工作。
1.1.1 ADF4360_0芯片原理及特性簡介
鎖相頻率合成的基本方法是:鎖相環(huán)路對參考振蕩器鎖定，環(huán)內(nèi)串接可編程的程序分頻器，通過編程改變程序分頻器的分頻比N，進(jìn)而得到N倍參考頻率的穩(wěn)定輸出[3]。其基本的原理框圖如圖1所示。
鎖相環(huán)可用來實現(xiàn)輸出和輸入兩個信號之間的相位同步。ADF4360-0是一款高集成度N個合成器集成VCO芯片，主要由數(shù)字鑒相器、電荷泵、R分頻器、A/B計數(shù)器及雙模前置P/P+1分頻器等組成，輸出頻率范圍為2 400 MHz~2 725 MHz，并可選擇二分頻，輸出信號的功率可控制范圍為-13 dBm～-6 dBm,鑒相器對R計數(shù)器與N計數(shù)器的輸出信號進(jìn)行相位比較， 得到一個誤差電壓。14 bit可編程參考R分頻器對外部晶振分頻后得到參考頻率。該器件可以通過可編程6位A計數(shù)器、13位B計數(shù)器及雙模前置分頻器(P/P+1)來共同完成主分頻比N(N=BP+A)。因此,設(shè)計時只需外加環(huán)路濾波器,并選擇合適的參考值,即可獲得穩(wěn)定的頻率輸出,其輸出頻率為：
1.2 功率放大器設(shè)計
本文設(shè)計的驅(qū)動級功率放大器設(shè)計指標(biāo)為：頻率2.45 GHz，增益36 dB,輸入功率-6 dBm,輸出功率30 dBm，輸入輸出駐波比≤2.0。
由于單個功放芯片在2.45 GHz的頻率上很難直接有36 dB的增益，所以需要聯(lián)合使用兩片功放芯片，以達(dá)到本文中的增益及輸出功率的要求。在設(shè)計中使用ADS2009進(jìn)行原理圖仿真及Altium Designer進(jìn)行PCB版圖設(shè)計[6]。
ERA-5SM是Mini-Circuits公司的功放芯片,采用四引腳貼片式封裝,工作頻率區(qū)間為DC~4 GHz,在2.45 GHz時的典型增益為16 dB，P1dB為18.4 dBm，電壓駐波比為1:1.3,最大電流120 mA。
ADL5606是ADI公司生產(chǎn)的16引腳LFCSP封裝的單片集成功放芯片，工作頻率為1.8 GHz~2.7 GHz，單電源5 V供電，典型工作電流362 mA，增益23.8 dB，P1dB為30.7 dBm。
2 實驗
2.1頻率合成器部分
2.1.1頻率合成器電路設(shè)計
環(huán)路濾波器選擇無源三階濾波器(2R3C形式)，使用ADI公司提供的ADIsimpll確定濾波器2R3C的參數(shù)。選擇芯片類型ADF4360-0，確定輸出頻率(2.45 GHz)與鑒相頻率(1 MHz)，選擇環(huán)路濾波器類型(2R3C)及帶寬(20 kHz)后進(jìn)行仿真。電路圖如圖2所示，仿真計算后得到環(huán)路濾波器參數(shù)各電阻、電容值為C1=680 pF,C2=10 nF,C3=330 pF,R1=2.4 kΩ,R2=5.1 kΩ。
ADIsimpll仿真后可以得到頻域、時域曲線圖，仿真結(jié)果表明時間t>100 μs后輸出頻率穩(wěn)定在2.45 GHz，t>200 μs后相位誤差為零。
ADF4360-0外部晶振選用高穩(wěn)定度有源晶振，為芯片提供10 MHz的參考頻率，晶振應(yīng)接在芯片的參考時鐘輸入引腳CLK_ref。由單片機(jī)控制芯片鎖存器，三個引腳分別為LE、Data及Clock。
2.1.2 控制軟件設(shè)計
控制芯片選用MSP430低功耗單片機(jī)，三個I/O口接ADF4360-0的LE、Data及Clock三個引腳。ADF4360-0芯片的MUXOUT引腳為鎖定檢測端，通過對C寄存器的DB5、DB6、DB7三位編程。設(shè)計中設(shè)定MUXOUT在C寄存器中的控制位為“001”，鎖相后該引腳輸出高電平，LED燈被點(diǎn)亮，判定鎖相。
對ADF4360_0芯片寄存器賦值順序為R-C-N。C和N寄存器的賦值間隔應(yīng)大于5 ms。根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)與芯片數(shù)據(jù)手冊，得到寄存器數(shù)據(jù)如表1所示。
使用固緯頻譜分析儀GSP-827對本文設(shè)計的頻率合成器進(jìn)行測試，將其輸出接口通過一個40 dB的同軸衰減器經(jīng)轉(zhuǎn)換接頭接入頻譜儀測量接口，由測量曲線圖可知，此頻率合成器實現(xiàn)了2.45 GHz的射頻信號輸出，經(jīng)過40 dB衰減后電壓幅度達(dá)到了77.0 dBuV左右，即合成器的輸出功率達(dá)到-9 dBm左右，相位噪聲及其他參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計要求。
2.2 功率放大器仿真設(shè)計
安捷倫公司的ADS2009是微波/通信/射頻/IC設(shè)計輔助工具，此軟件極大地縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期。在仿真原理圖中，ADS沒有集成ERA-5SM及ADL5606的原理圖庫模型，只能使用兩種芯片的S2P文件，此文件在生產(chǎn)芯片廠家的官方網(wǎng)址上提供下載。
利用ADS的HB仿真控件在頻率段1 GHz~3 GHz對電路進(jìn)行掃描仿真。其中，SNP1與SNP2分別為ERA-5SM及ADL5606的S2P模型，C1與C7為隔直電容。設(shè)置S參數(shù)仿真控件掃描頻率為1 GHz~3 GHz，步長10 MHz，調(diào)節(jié)C8與C10電容值大小，最后優(yōu)化所得的功率-頻率曲線如圖3所示。此時C8為3.9 pF，C10為1.3 pF。
由仿真圖3可知，2.45 GHz信號經(jīng)過功率放大器后所得功率為30.711 dBm，符合本文的功放設(shè)計要求。
由于Altium Designer設(shè)計PCB要比ADS方便，并且此功放電路含有S2P文件,沒有辦法在ADS中進(jìn)行l(wèi)ayout與原理圖聯(lián)合仿真,所以在AD10中設(shè)計PCB再生成dwg文件導(dǎo)入ADS中進(jìn)行完善,其PCB版圖如圖4所示。
2.3系統(tǒng)測試
將頻率合成器與功率放大器電路連接，將矩形喇叭天線接入功率放大器的輸出端，由于使用的GSP-827頻譜儀的測量上限遠(yuǎn)小于30 dBm，故在天線與功放之間加入兩個40 dB的同軸衰減器。將標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形天線接入頻譜儀的測量端，使用環(huán)形天線在距離喇叭天線20 cm左右的距離檢測信號強(qiáng)度是95 dBuv即-12 dBm左右，換算后可知，在距離發(fā)射天線20 cm處檢測到了28 dBm左右的微波信號。基于此功率，設(shè)計了一款矩形微帶整流天線，即可構(gòu)成一套小功率的微波輸電系統(tǒng)。測試中得到了最高4.22 V、8.2 mA的直流電平。如果整流天線做成天線陣列，將會獲得更多的功率輸出，這也是將來的研究工作。
本文介紹了一個用于微波輸電系統(tǒng)的發(fā)射端設(shè)計，其中發(fā)射端包含利用ADF4360-0設(shè)計的2.45 GHz微波振蕩源，利用ADL5606與ERA-5SM設(shè)計的1 W驅(qū)動級功率放大器，一個標(biāo)準(zhǔn)增益矩形喇叭天線。利用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形天線、同軸衰減器及頻譜儀進(jìn)行了驗證測試，所得結(jié)果均達(dá)到了設(shè)計要求；同時利用矩形微帶整流天線，成功接收并整流微波信號，獲得了最大4.22 V、8.2 mA的直流電平。在此后的工作中將設(shè)計微帶整流天線陣列提高接收功率，并且在此基礎(chǔ)上研究微波輸電的效率及其安全性。
參考文獻(xiàn)
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