射频宽带放大器设计在电子竞赛指导中的应用

马延军， 朱代先， 庞立华， 张 红

(西安科技大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710054)

射频宽带放大器设计在电子竞赛指导中的应用

马延军， 朱代先， 庞立华， 张 红

(西安科技大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710054)

介绍了指导学生参与竞赛的过程中设计的若干射频模块和测试实例。这些射频模块的排列组合能够完成若干竞赛题目，大大简化了学生完成题目的难度。通过对竞赛题目指标进行实践测试及展示，使学生对射频模块的指标有了直观的认识。由于所设计的射频模块具有很强的通用性，可广泛应用到竞赛指导上，极大提高了学生的学习效率，提高了教学效果。

射频模块； 电子竞赛； 射频放大器； 功率放大

射频电路是一门理论及实践性都很强的课程。其以模拟电路及电磁场与电磁波为理论基础，以各种专业软件设计开发工具为实践对象，并涉及到电路板设计与制作等环节。可以说，完成射频功能电路的设计及测试工作能反映一个学生的综合专业素养。

组织学生参加全国大学生电子竞赛，已经成为培养学生专业素养的一个重要的途径。组织学生参加全国大学生电子竞赛，并给予充分的有针对性的指导是指导教师面临的一个重要任务。如何有效地提高培训效果是各位指导教师面临的问题。由于竞赛涉及的知识面非常宽泛，涉及模拟电路、单片机及嵌入式系统、射频及微波电路及各类开发工具等，很难在短时间内给予足够指导。因此，在指导学生参加竞赛的过程中采取了针对性很强的面向题目的指导。具体来讲，就是以往年的题目为培训内容，一步一步教给学生如何达到要求的指标参数。由于一个题目往往包含了各类具体的专业工具及专业知识，通过这些有针对性的训练，使学生能够很快地得到解决问题的思路及解决这些问题的方法。后期，进一步通过单元训练及模拟训练，使学生积累一定的开发经验。这些经验及技能也是学生将来作为一位专业工程师所必备的专业素养。这种训练在某种程度上也是一种专业综合培训，大大提高了学生的综合专业素养，增加了学习兴趣。

1 射频模块设计及测试实例

1.1 射频宽带放大器模块设计

射频宽带放大器能考验学生的综合分析设计能力。同时，此题目设计的具体内容实际上在各类测量仪器设备中广泛使用[1-9]。比如2015年全国大学生电子竞赛题目“增益可控射频宽带放大器”，此题目的关键要求是频带覆盖很宽，3 dB带宽覆盖到40～200 MHz，增益要求大于52 dB且输出功率要高于19 dBm。简单的几个指标使设计工作难度大大提高。一方面，很难找到一款芯片直接满足如此大功率及高频宽要求；另一方面，高增益给系统稳定性设计提出了很高的要求。此题目的方案设计尤为关键。图1是本实例的功能单元图，分别由VCA821模块、OPA695模块、由2片OPA695芯片构成的功放模块及单片机控制模块组成，这些模块可用到其他竞赛题目中。

图1 增益可控射频放大器功能单元

1.2 VCA821及OPA695模块

VCA821芯片是TI公司的一款可变增益放大器，此芯片具有较大的工作带宽及较大的增益调整范围，比如20 dB增益时，其带宽达到300 MHz以上。一个VCA821芯片即可达到增益控制要求，但是其最大增益不能太大，否则会影响其频宽响应。本文设计VCA821使其增益在-36 dB～16 dB可调，通过控制VCA821的控制电压即可控制其增益，此芯片外围电路比较简单。OPA695芯片也是TI公司推出的一款射频宽带运算放大器，这里作为固定增益放大，设置其增益为20dB左右，能基本满足频宽要求[5-7]。VCA821及OPA695组合，其增益可控范围在-16 dB～36 dB之间。图2是由VCA821及OPA695组成的射频模块实物图。

图2 VCA821及OPA695模块实物图

1.3由2片OPA695组成的射频功率放大器模块

此题目难度最大的是如何满足高功率宽带输出。由于单一芯片很难满足此题目要求，因此，此模块的方案设计直接反映了学生的综合专业水平。这里采取了由2片OPA695组成的功率合成电路，使输出功率大于20 dBm，能满足题目要求。同时，在大功率输出的情况下，为了满足频宽要求，其最大增益不能太高[8-9]。本文设计的电路采取了12 dB增益放大，基本满足带宽要求。图3是所设计的射频宽带功率放大器模块实物图。

图3 射频功率放大器模块实物图

2 系统测试实例

对此射频模块的测试，最好的方案是采用矢量网络分析仪，该仪器可以测试增益带宽及输入输出阻抗等全部指标[10-14]。当然，也可以采用频谱仪加跟踪源的方式，此方式测量增益带宽精度没有问题，但不能测量输入输出阻抗。

2.1 VCA821及OPA695模块测试结果

图4是VCA821及OPA695组合模块的S参数测试图。测试频率范围为40 MHz～2 GHz，S11反映输入阻抗匹配情况，S22反映输出阻抗匹配情况。测试表明, 在500 MHz以下频段均得到了良好的匹配。S21为传输参数测试情况，反映了放大器增益及相位响应[10-11]。由图右边的标记可见，实际测试结果表明：在40 MHz时放大器的增益最大为38.6 dB，在417 MHz时放大器的最大增益为35.6 dB。可见，放大器的3 dB带宽达到了360 MHz，完全满足项目要求。

图4 VCA821及OPA695模块测试结果

2.2 功率放大器模块测试

图5是功率放大器模块的S参数测试图。由图中S11及S22参数可见，在360 MHz以下取得了良好的匹配。由图中S21参数可见，在40 MHz时候功率放大器增益为19 dB，在360 MHz时候，功率放大器增益下降到16.2 dB。可见，其3 dB带宽达到了300 MHz以上，完全满足题目要求[11-14]。

图5 射频功放模块测试结果

2.3 联合测试

图6是宽带放大器的组合测试结果。这里仅仅测试了S21传输参数，重点观察其增益参数。由图可见，在40 MHz时其增益为57.7 dB，在201 MHz时其增益为54.6 dB。其3 dB带宽也满足了题目要求,且最大增益达到了57 dB。

图6 宽带放大器组合测试

3 结语

在指导学生参加全国大学生电子竞赛的时候，针对性地设计了相关模块，让学生自己动手做出满足项目要求的模块。通过这些直观的展示，激发了学生的学习兴趣,学生动手能力得到提高，实践技能得到充分的锻炼。

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Application of design on RF wide-band amplifier in guidance for electronic competitions

Ma Yanjun, Zhu Daixian, Pang Lihua, Zhang Hong

(College of Communication and Information Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Several RF (radio frequency) modules designed to guide students to participate in the competitions and the real test examples are introduced. The arrangement and combination of these RF modules can complete a number of competition topics, greatly simplifying the difficulty for the students to finish these topics. Through the practical test and demonstration of the competition indexes, the students have an intuitive understanding of the indexes of the RF module. As the design of the RF module has a strong versatility, it can be widely applied to the competition guidance, greatly raising the students’ learning efficiency, and improving the teaching effect.

RF module；electronic competition； RF amplifier； power amplification

TN722；G642

A

1002-4956(2017)10-0094-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.024

2017-04-06

陕西省自然科学基础研究计划项目(2016JM6086);陕西省高等教育改革项目(15BY50);西安科技大学2016年度校级教育教学改革与研究项目(JG16037, JG14100);西安科技大学教育教学改革与研究(JG16038，JG14069，GJY-2013-ZD-1)

马延军(1978—)，男，山东莱芜，博士，讲师，主要研究方向为移动通信与射频通信电路.

E-mail：bj_ma@126.com