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技术文章:USB供电、915 MHz ISM无线电频段

电路功能与优势

国际电信联盟(ITU)分配了免许可的915 MHz工业、科学和医学(ISM)无线电频段供区域2使用,该区域在地理上由美洲、格陵兰岛和一些东太平洋群岛组成。在该区域内,多年来无线技术和标准的进步使此频段在短距离无线通信系统中颇受欢迎。该ISM频段对应用和占空比没有任何限制,常见用途包括业余无线电、监视控制与数据采集(SCADA)系统以及射频识别(RFID)。

但是,无论何种应用,该频段中的无线电传输都要求信号链电路之后有一个放大器模块来驱动天线。在美国,根据FCC的规定,对于使用直接序列扩频(DSSS)或跳频扩频(FHSS)的50通道无线电系统,以及对于使用FHSS的少于50个通道的无线电系统,采用915 MHz ISM频段的扩频发射机的最大峰值输出功率分别为36 dBm和30 dBm。

图1.CN-0522简化功能框图

电路描述

工作在915 MHz ISM频段

电路的RF输入信号必须通过表面声波(SAW)滤波器,以将驱动放大器的输入限制为902 MHz至928 MHz频段。选择滤波器时,必须在带内平坦度和带外抑制之间取得平衡。在选择过程中,应注意SAW滤波器也是插入损耗的来源,它会降低信号链的总增益。

该参考设计所用的SAW滤波器的典型最大插入损耗为2.9 dB,端接阻抗为50Ω。

放大器

ADI公司的两级RF功率放大器 ADL5605的工作频率范围为700 MHz至1 GHz,典型增益为23.0 dB,最小噪声系数为4.7 dB,从881 MHz±13 MHz开始的最小输出三阶交调截点(IP3)为43.4 dBm。

有源偏置已集成在ADL5605中,只需将5 V电压施加于VBIAS引脚并通过RF扼流电感(L1)施加于RFOUT引脚,便可设置两个放大器级的最优偏置点。建议使用18 nH的电感,因为这也会为915 MHz ISM频段提供一定的输出匹配。为了滤除电源线上的RF信号和高频噪声,ADL5605的输出级偏置以及VCC和VBIAS引脚上均需要三个去耦电容。

图2.ADL5605功能框图

阻抗匹配

对于915 MHz ISM频段,ADL5605的RFIN引脚上不需要外部匹配元件。同时,使用微带线作为电感,并连接一个额外的串联电感(L2)和一个并联电容(COUT),即可将其RFOUT引脚轻松匹配至50Ω。RFIN和RFOUT引脚均需要外部隔直流电容。

图3.ADL5605 RFOUT匹配参数

根据ADL5605数据手册,当放大器的工作频率高于868 MHz时,L2和C OUT的推荐值分别为1.6 nH和8.0 pF。这些元件的正确布局对于匹配至关重要。然而,在Keysight Advanced Design System (ADS)软件中对该参考设计进行仿真得到的建议元件间距值为:λ1 = 94.5 密耳,λ2 = 240 密耳(与925 MHz至961 MHz频段相同,参见ADL5605数据手册)。这些值是从元件中心测量到放大器的边缘。

小信号性能和相位噪声

该设计产生的S参数和相位噪声测量结果如图4和图5所示。在915 MHz的中心频率,该电路实现了20 dB的增益,输入和输出回波损耗分别大于11 dB和6 dB。该系统的相位噪声很低,在10 kHz和100 kHz的频率偏移时,相位噪声值低于-110 dBc/Hz;在1 MHz和10 MHz的频率偏移时,相位噪声值分别低于-130 dBc/Hz和-140 dBc/Hz。

图4.输入回波损耗(S11)、反向隔离(S12)、正向增益(S21)、输出回波损耗(S22)与频率的关系

图5.相位噪声与频率偏移的关系(915 MHz输入)

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