射頻寬帶放大器設計在電子競賽指導中的應用

馬延軍， 朱代先， 龐立華， 張 紅

(西安科技大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710054)

射頻寬帶放大器設計在電子競賽指導中的應用

馬延軍， 朱代先， 龐立華， 張 紅

(西安科技大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710054)

介紹了指導學生參與競賽的過程中設計的若干射頻模塊和測試實例。這些射頻模塊的排列組合能夠完成若干競賽題目，大大簡化了學生完成題目的難度。通過對競賽題目指標進行實踐測試及展示，使學生對射頻模塊的指標有了直觀的認識。由于所設計的射頻模塊具有很強的通用性，可廣泛應用到競賽指導上，極大提高了學生的學習效率，提高了教學效果。

射頻模塊； 電子競賽； 射頻放大器； 功率放大

射頻電路是一門理論及實踐性都很強的課程。其以模擬電路及電磁場與電磁波為理論基礎，以各種專業軟件設計開發工具為實踐對象，并涉及到電路板設計與制作等環節。可以說，完成射頻功能電路的設計及測試工作能反映一個學生的綜合專業素養。

組織學生參加全國大學生電子競賽，已經成為培養學生專業素養的一個重要的途徑。組織學生參加全國大學生電子競賽，并給予充分的有針對性的指導是指導教師面臨的一個重要任務。如何有效地提高培訓效果是各位指導教師面臨的問題。由于競賽涉及的知識面非常寬泛，涉及模擬電路、單片機及嵌入式系統、射頻及微波電路及各類開發工具等，很難在短時間內給予足夠指導。因此，在指導學生參加競賽的過程中采取了針對性很強的面向題目的指導。具體來講，就是以往年的題目為培訓內容，一步一步教給學生如何達到要求的指標參數。由于一個題目往往包含了各類具體的專業工具及專業知識，通過這些有針對性的訓練，使學生能夠很快地得到解決問題的思路及解決這些問題的方法。后期，進一步通過單元訓練及模擬訓練，使學生積累一定的開發經驗。這些經驗及技能也是學生將來作為一位專業工程師所必備的專業素養。這種訓練在某種程度上也是一種專業綜合培訓，大大提高了學生的綜合專業素養，增加了學習興趣。

1 射頻模塊設計及測試實例

1.1 射頻寬帶放大器模塊設計

射頻寬帶放大器能考驗學生的綜合分析設計能力。同時，此題目設計的具體內容實際上在各類測量儀器設備中廣泛使用[1-9]。比如2015年全國大學生電子競賽題目“增益可控射頻寬帶放大器”，此題目的關鍵要求是頻帶覆蓋很寬，3 dB帶寬覆蓋到40～200 MHz，增益要求大于52 dB且輸出功率要高于19 dBm。簡單的幾個指標使設計工作難度大大提高。一方面，很難找到一款芯片直接滿足如此大功率及高頻寬要求；另一方面，高增益給系統穩定性設計提出了很高的要求。此題目的方案設計尤為關鍵。圖1是本實例的功能單元圖，分別由VCA821模塊、OPA695模塊、由2片OPA695芯片構成的功放模塊及單片機控制模塊組成，這些模塊可用到其他競賽題目中。

圖1 增益可控射頻放大器功能單元

1.2 VCA821及OPA695模塊

VCA821芯片是TI公司的一款可變增益放大器，此芯片具有較大的工作帶寬及較大的增益調整范圍，比如20 dB增益時，其帶寬達到300 MHz以上。一個VCA821芯片即可達到增益控制要求，但是其最大增益不能太大，否則會影響其頻寬響應。本文設計VCA821使其增益在-36 dB～16 dB可調，通過控制VCA821的控制電壓即可控制其增益，此芯片外圍電路比較簡單。OPA695芯片也是TI公司推出的一款射頻寬帶運算放大器，這里作為固定增益放大，設置其增益為20dB左右，能基本滿足頻寬要求[5-7]。VCA821及OPA695組合，其增益可控范圍在-16 dB～36 dB之間。圖2是由VCA821及OPA695組成的射頻模塊實物圖。

圖2 VCA821及OPA695模塊實物圖

1.3由2片OPA695組成的射頻功率放大器模塊

此題目難度最大的是如何滿足高功率寬帶輸出。由于單一芯片很難滿足此題目要求，因此，此模塊的方案設計直接反映了學生的綜合專業水平。這里采取了由2片OPA695組成的功率合成電路，使輸出功率大于20 dBm，能滿足題目要求。同時，在大功率輸出的情況下，為了滿足頻寬要求，其最大增益不能太高[8-9]。本文設計的電路采取了12 dB增益放大，基本滿足帶寬要求。圖3是所設計的射頻寬帶功率放大器模塊實物圖。

圖3 射頻功率放大器模塊實物圖

2 系統測試實例

對此射頻模塊的測試，最好的方案是采用矢量網絡分析儀，該儀器可以測試增益帶寬及輸入輸出阻抗等全部指標[10-14]。當然，也可以采用頻譜儀加跟蹤源的方式，此方式測量增益帶寬精度沒有問題，但不能測量輸入輸出阻抗。

2.1 VCA821及OPA695模塊測試結果

圖4是VCA821及OPA695組合模塊的S參數測試圖。測試頻率范圍為40 MHz～2 GHz，S11反映輸入阻抗匹配情況，S22反映輸出阻抗匹配情況。測試表明, 在500 MHz以下頻段均得到了良好的匹配。S21為傳輸參數測試情況，反映了放大器增益及相位響應[10-11]。由圖右邊的標記可見，實際測試結果表明：在40 MHz時放大器的增益最大為38.6 dB，在417 MHz時放大器的最大增益為35.6 dB。可見，放大器的3 dB帶寬達到了360 MHz，完全滿足項目要求。

圖4 VCA821及OPA695模塊測試結果

2.2 功率放大器模塊測試

圖5是功率放大器模塊的S參數測試圖。由圖中S11及S22參數可見，在360 MHz以下取得了良好的匹配。由圖中S21參數可見，在40 MHz時候功率放大器增益為19 dB，在360 MHz時候，功率放大器增益下降到16.2 dB。可見，其3 dB帶寬達到了300 MHz以上，完全滿足題目要求[11-14]。

圖5 射頻功放模塊測試結果

2.3 聯合測試

圖6是寬帶放大器的組合測試結果。這里僅僅測試了S21傳輸參數，重點觀察其增益參數。由圖可見，在40 MHz時其增益為57.7 dB，在201 MHz時其增益為54.6 dB。其3 dB帶寬也滿足了題目要求,且最大增益達到了57 dB。

圖6 寬帶放大器組合測試

3 結語

在指導學生參加全國大學生電子競賽的時候，針對性地設計了相關模塊，讓學生自己動手做出滿足項目要求的模塊。通過這些直觀的展示，激發了學生的學習興趣,學生動手能力得到提高，實踐技能得到充分的鍛煉。

References)

[1] 危凡. 1.9～2.0GHz窄帶射頻放大器的研制[D]. 武漢：華中科技大學, 2007.

[2] 吳一多. 射頻放大器的設計與實現[D]. 上海：復旦大學, 2010

[3] 尤覽. 射頻放大器的效率增強與線性化技術研究[D]. 合肥：中國科學技術大學, 2011.

[4] 徐鋒. 射頻放大器的研究[D]. 大連：大連海事大學, 2009.

[5] 羅建國, 游治. 基于史密斯圓圖分析射頻放大器的設計[J]. 武漢大學學報, 2005, 51(1):123-128.

[6] 王琦. 現代矢量網絡分析儀的校準與測量[J]. 實驗技術與管理, 2006,23(2):31-34.

[7] 陳建新, 謝萬波, 楊微明,等. 射頻放大器前饋技術仿真[J]. 北京工業大學學報,2006, 32(10):870-873.

[8] 郭小鳳, 劉帥, 李楠楠, 等. 一種增益可控射頻放大器的設計與實現[J]. 電子測量, 2015(19):19-22.

[9] 郭銳. 應用于北斗導航接收機的寬帶射頻放大器[J]. 中國集成電路, 2016(11):37-40.

[10] 趙永久. 多端口矢量網絡分析儀校準技術研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2011.

[11] Dunsmore J P. Handbook of microwave component measurements with advanced VNA techniques [M].United Kingdom: John Wiley & Sons Ltd, 2012.

[12] Teppati V, Ferroro A, Sayed M. Modern RF and microwave measurement techniques [M]. New York: Cambridge university Press, 2013.

[13] Nelson C. High-frequency and microwave circuit design[M]. Boca Raton: CRC Press, 2007.

[14] Isaksson M. Zenteno E. A synthetic vector network analyzing measurement system [J]. IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, 2011, 60(6):2154-2161.

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

陜西省自然科學基礎研究計劃項目(2016JM6086);陜西省高等教育改革項目(15BY50);西安科技大學2016年度校級教育教學改革與研究項目(JG16037, JG14100);西安科技大學教育教學改革與研究(JG16038，JG14069，GJY-2013-ZD-1)

馬延軍(1978—)，男，山東萊蕪，博士，講師，主要研究方向為移動通信與射頻通信電路.

E-mail：bj_ma@126.com