摘  要： 介紹了一種小功率(1 W)、2.45 GHz微波無線輸電系統的發射端設計。直流電平經過鎖相頻率合成芯片ADF4360-0轉換為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微波信號經過由功放芯片ERA-5SM及ADL5606組成的驅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的發射端。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載，便形成了完整的微波無線輸電系統。詳細分析了設計參數與方法，并進行了仿真及驗證試驗。
關鍵詞： 鎖相頻率合成器； 功率放大器； ADF4360-0； ADL5606

    在近年研究熱點中，微波無線輸電是一個既有難度又相當熱門的方向。無線輸電對于新能源的開發和利用、解決未來能源短缺等問題有重要意義。在利用微波實現無線輸電的系統中，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(PLL)為基礎的頻率合成技術來設計高性能的射頻信號頻率源，使用射頻功放芯片設計1 W的驅動級功率放大器，加上標準增益矩形喇叭天線即組成了2.45 GHz微波無線輸電系統的發射端，在無線輸電研究中邁出一步。
    鎖相環是頻率合成技術的基礎，是建立在相位負反饋基礎之上的閉環控制系統，鎖相環由鑒相器、環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部集成VCO的鎖相芯片，外接環路濾波器即可構成一個性能穩定的頻率合成器。
    使用單片集成的功率放大器芯片來設計驅動級功率放大器可以省去阻抗匹配環節,簡化放大器的設計[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 原理與設計
1.1頻率合成器電路、參數設計
    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，所以在發射端需要一個穩定的振蕩源。ADF4360-0可以產生性能穩定的、噪聲較低的微波信號。在設計中使用軟件ADIsimpll、Altium Designer及IAR Systems進行電路設計、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:鎖相環路對參考振蕩器鎖定，環內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，進而得到N倍參考頻率的穩定輸出[3]。其基本的原理框圖如圖1所示。

    鎖相環可用來實現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，主要由數字鑒相器、電荷泵、R分頻器、A/B計數器及雙模前置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計數器與N計數器的輸出信號進行相位比較， 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計數器、13位B計數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,設計時只需外加環路濾波器,并選擇合適的參考值,即可獲得穩定的頻率輸出,其輸出頻率為：
    
1.2 功率放大器設計
    本文設計的驅動級功率放大器設計指標為：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，所以需要聯合使用兩片功放芯片，以達到本文中的增益及輸出功率的要求。在設計中使用ADS2009進行原理圖仿真及Altium Designer進行PCB版圖設計[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頻率合成器電路設計
       環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。選擇芯片類型ADF4360-0，確定輸出頻率(2.45 GHz)與鑒相頻率(1 MHz)，選擇環路濾波器類型(2R3C)及帶寬(20 kHz)后進行仿真。電路圖如圖2所示，仿真計算后得到環路濾波器參數各電阻、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，仿真結果表明時間t>100 μs后輸出頻率穩定在2.45 GHz，t>200 μs后相位誤差為零。
    ADF4360-0外部晶振選用高穩定度有源晶振，為芯片提供10 MHz的參考頻率，晶振應接在芯片的參考時鐘輸入引腳CLK_ref。由單片機控制芯片鎖存器，三個引腳分別為LE、Data及Clock。
2.1.2 控制軟件設計
    控制芯片選用MSP430低功耗單片機，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。設計中設定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大于5 ms。根據所設置的參數與芯片數據手冊，得到寄存器數據如表1所示。

    使用固緯頻譜分析儀GSP-827對本文設計的頻率合成器進行測試，將其輸出接口通過一個40 dB的同軸衰減器經轉換接頭接入頻譜儀測量接口，由測量曲線圖可知，此頻率合成器實現了2.45 GHz的射頻信號輸出，經過40 dB衰減后電壓幅度達到了77.0 dBuV左右，即合成器的輸出功率達到-9 dBm左右，相位噪聲及其他參數均達到了設計要求。
2.2 功率放大器仿真設計
    安捷倫公司的ADS2009是微波/通信/射頻/IC設計輔助工具，此軟件極大地縮短了產品設計周期。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，此文件在生產芯片廠家的官方網址上提供下載。
    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。設置S參數仿真控件掃描頻率為1 GHz~3 GHz，步長10 MHz，調節C8與C10電容值大小，最后優化所得的功率-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信號經過功率放大器后所得功率為30.711 dBm，符合本文的功放設計要求。
      由于Altium Designer設計PCB要比ADS方便，并且此功放電路含有S2P文件,沒有辦法在ADS中進行layout與原理圖聯合仿真,所以在AD10中設計PCB再生成dwg文件導入ADS中進行完善,其PCB版圖如圖4所示。

2.3系統測試
      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。將標準環形天線接入頻譜儀的測量端，使用環形天線在距離喇叭天線20 cm左右的距離檢測信號強度是95 dBuv即-12 dBm左右，換算后可知，在距離發射天線20 cm處檢測到了28 dBm左右的微波信號。基于此功率，設計了一款矩形微帶整流天線，即可構成一套小功率的微波輸電系統。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的發射端設計，其中發射端包含利用ADF4360-0設計的2.45 GHz微波振蕩源，利用ADL5606與ERA-5SM設計的1 W驅動級功率放大器，一個標準增益矩形喇叭天線。利用標準環形天線、同軸衰減器及頻譜儀進行了驗證測試，所得結果均達到了設計要求；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計微帶整流天線陣列提高接收功率，并且在此基礎上研究微波輸電的效率及其安全性。
參考文獻
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[2] 陳麗.2.4 GHz收發系統射頻前端的ADS設計與仿真[J]. 現代電子技術, 2009(19):23.
[3] 秦娜，周勝源.射頻鎖相頻率合成器的設計與仿真[J].電子設計工程,2011,19(8):97-99.
[4] 王宇舟.三階鎖相環環路濾波器參數設計[J].電訊技術,2008，48(9):51-55.
[5] 李慧芳，戴志平，李嵩斌. 低相噪頻率合成器中環路濾波器仿真研究[J].空軍雷達學院學報,2010，24(6):432-434.
[6] LUDWIG R,BRETCHKO P.射頻電路設計-理論與應用[M]. 王子字，張肇儀，徐承和,等譯.北京:電子工業出版社，2002.