面向无线传感网络的双向射频功率放大器研究

摘 要：针对无线传感网中通信模块存在的发射功率小、接收灵敏度低、難以适应恶劣的工业无线环境的现状，本文设计了一种工作于470MHz频段的双向射频功率放大器。选用Renesas公司的SiGe工艺NPN晶体管NESG270034和NXP公司的第五代Si材料工艺NPN晶体管BFU530W分别设计正向放大器和反向放大器。利用ADS软件对其进行仿真及实验测试分析，测试结果表明：在470MHz频段内，正向放大器增益为18.9dB，S11小于-15dB，S22小于-15dB；反向放大器增益大于15dB，噪声系数小于1dB，S11小于-15dB，S22小于-15dB。最后联合cc1120～470MHz节点测试发射功率和接收灵敏度。

关键词：工业无线通信；射频前端；双向射频；功率放大器

中图分类号：TN722.7+5；TN722.1+6  文献标识码：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作为射频芯片，通过在射频前端电路中插入射频功率放大器来优化增益指标和噪声系数［1］，同时在结构上放弃了传统的TX/RX路径板级直连的结构，通过引入射频开关来降低TX与RX路径的相互干扰，达到了提高接收灵敏度的效果。最终实现了30dBm的最大发射功率和-120dBm的接收灵敏度，测试最远通信距离为3.8千米［2］。

1 射频前端链路结构研究

对于传统的时分通信系统，其射频前端链路结构主要有TX/RX路径板级分离（见图1）和TX/RX路径板级直连（见图2）两种。第一种结构由于是TX和RX路径分离设计［3］，在性能上消除了不同路径相互串扰的影响，但是由于多出一个滤波器和一根天线的设计，增加了成本，同时在PCB设计上也是难以实现微型化。第二种结构优点是改进了上一种结构的缺陷，采用级联的方式减少了一个滤波器和一根天线的物料消耗，同时也大大缩小了PCB面积。缺点是无法保证发射路径和接收路径之间没有任何串扰［4］。

综合考虑以上两种链路结构的优缺点，本文通过在直连的结构中插入一个高隔离度的射频开关来隔离TX、RX路径如图3所示。同时为了不额外引入谐波能量，将射频开关插入低通滤波器的中间，通过将低通滤波器拆分为两部分截止频率相近的“半滤波器”来滤除掉新生成的谐波能量。

2 主要模块设计

在传统的射频前端链路中插入PA和LNA，设计框图如图4所示。

2.1 PA设計中的匹配网络设计

在TX链路匹配网络设计中，为了方便PA的插入，这里将射频芯片的TX端口阻抗匹配到50欧姆。这样在后面PA设计时只需要考虑将PA的输入阻抗匹配到标准的50欧姆就可以实现射频芯片TX端口到PA的共轭匹配。

为了提高射频模块的发射功率，需要兼顾增益、线性度、输入输出匹配、稳定性等放大器指标［4］。本文选择Renesas公司2W的NPN三极管NESG270034作为功放器件，单级放大方案，增益大于18dB，输出大于30dBm（1W）@5v，在470MHz频段输入输出回波损耗S11和S22均小于-15dB。

2.2 PA设计中的稳定性设计

稳定性分析往往作为放大器设计的第一步。不良的设计可能导致放大器自激，造成设备损坏［5］。

本文从两端口网络结构出发，根据传输理论分析影响两端口网络稳定性的因素，总结出射频功率放大器绝对稳定条件和提高稳定性的措施［6］。射频放大器两端口网络示意图如图5所示。

其中：ΓS为信号源反射系数，Γin为输入反射系数，Γout为输出反射系数，ΓL为负载反射系数。

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为信号源和负载阻抗，Z0为特性阻抗。

根据微波传输理论，放大器稳定的条件应满足：

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）稳定性条件推导出稳定性条件：

K=1－S112－S222+Δ22S12S21>1（7）

当放大器输入或者输出端口不稳定时，则|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）

综上所述，对于不稳定状态下的放大器，其不稳定的端口阻抗值实部小于零。故对于不稳定的端口，提高稳定性的措施可以通过在不稳定端口串联或者并联一个电阻来保证总阻抗值为正［7］。

如图6所示，在设计PA电路中，通过ADS软件仿真分析，在输出端口并联一个15欧姆的电阻，放大器在470MHz频段的稳定因子Stab Fact由之前的0.966改变为1.583，稳定性有明显的改善［8］。

3 结论

本文设计了一种工作在470MHz频段的双向射频功率放大器，用于改善工业物联网中无线通信模块的发射功率和接收灵敏度。对放大器稳定性设计和输入输出匹配设计，使双向射频功率放大器在470MHz频段稳定工作，输入输出回波损耗均小于-15dB，正向增益大于18dB，反向增益大于15dB，噪声系数小于1dB。

参考文献：

［1］LEYe，LIAOHualin，LI Chen，et al.A 1.5mA 470MHz CMOS variable gain amplifier for wideband communication［C］//Microelectronics & Electronics，2009.PrimeAsia 2009.Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in.IEEE，2009：169172.

［2］LUOXiaojun，LIUTaijun，YANYe，et al.A 460MHz Doherty power amplifier for IMTAdvanced systems［C］//International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology.IEEE，2012：14.

［3］LUOXiaojun，LIUTaijun，YANYe，et al.A 460MHz threestage Doherty power amplifier with uneven power driving［C］//International Conference on Electronics，Communications and Control.IEEE，2011：24042407.

［4］茍元潇，傅佳辉，林茂六，等.基于矢量测量的射频微波器件非线性参数化行为建模技术评述［J］.仪器仪表学报，2013，34（6）：13191329.

［5］张良浩，谢红云，赵彦晓，等.采用PIN二极管反馈的射频可变增益放大器［J］.电子学报，2016，44（1）：206210.

［6］吕剑锋，孙虹.射频功率放大器的稳定性分析［J］.国外电子测量技术，2005，24（3）：1114.

［7］PARKJonghoon，LEEChanghyun，PARKChangkun.Study of stability problems due to undesired coupling of a RF power amplifier using a distributed active transformer［J］.Microelectronics Journal，2015，46（11）：10461052.

［8］WU Haifeng，CHENGQianfu.A high efficiency and high linearity twostage power amplifier［C］//Wireless Symposium.IEEE，2015：14.

基金项目：重庆市技术创新专项（No.cstc2019jscxmsxmX0168）

作者简介：陈新平（1979— ），男，博士，重庆电子工程职业学院副教授，研究方向：网络安全、智能安防装备。