在WLAN網絡中，由于WLAN的低功率與高頻率限制了其覆蓋范圍，所以現有的產品基本上通信距離都比較小，并且實現雙向收發的比較少。而目前很多功率放大器都集成在收發端內部，這樣提高了集成度，簡化了電路，但是這種集成的功率放大器的功率往往不夠大，要實現長距離傳輸必需外加功率模塊。本文主要研究的是無線功率放大器的設計方案與硬件的實現，通過增大發射信號功率、放大接收信號提高靈敏度來實現，同時實現了信號的雙向收發，可運用于802.11b／g模式的遠距離無線傳輸。

1 無線功率放大器的設計

如圖1所示，在系統原理圖中，射頻輸入通道耦合一部分功率送到檢波電路進行處理，檢出的射頻包絡和固定門限電平比較來控制信號端口的收發狀態，如果高于門限電平，切換射頻開關，有信號要發射，打開發射通道，反之處于接收狀態。

1.1 傳輸微帶線的設計

微帶線是RF電路設計的重點，是模塊匹配網絡中的一部分，也是連接各個功能模塊的橋梁。傳輸微帶線用以輸入／輸出信號或者連接電路，如果它與前端電路的輸出阻抗和后端電路的輸入阻抗匹配，就可以使信號傳輸過程中的功率損耗減至最小。本設計中的傳輸微帶線特征阻抗為50Ω。

微帶線的特征阻抗值由微帶線的寬度w、PCB板的介電常數ε、PCB板的大厚度H、銅箔厚度T等參數決定。在材料一定的條件下，特征阻抗只取決于微帶線的寬度w，本設計中采用FR4板材。由式(1)：

1.2 雙管平衡放大電路的設計

發射功率放大電路的作用是將發射信號放大，輸出大功率。在本電路中采用雙管平衡放大電路，采用并聯的方法來提高輸出功率。功率放大芯片選擇anadigics公司的AWL6153UM7P8，其在5 V直流電壓，802.11g模式下54 Mb／s信號速率最大輸出功率可以達到+25 dBm，將芯片的兩個相同的應用電路并聯后構成平衡放大電路提高輸出功率。圖2中，在軟件Agilent ADS2004環境下，對參數S仿真的結果可以看到，端口插入損耗在2.4 GHz小于3 dB，放大電路的輸出功率最大可以達到27 dBm，即500 mW。

1.3 低噪聲放大接收電路的設計

低噪聲放大接收電路則是提高接收信號靈敏度。設計電路選擇RFMD2373芯片，可以提供最大15 dB的增益和1.3 dB的低噪音系數并且耗電僅10 mA，在2.4 GHz時一階增益壓縮點(P1dB)-3.5 dBm，三階交詞截取點(IP3)為9.5 dBm。在輸入端加一級帶通濾波器，可以有效濾除噪聲。

1.4 檢波電路設計

為了不使接收功率較大時功率檢波器輸出大電壓值，同時避免功率檢測電路影響電路的特征阻抗，因此功率檢波器輸入端采用定向耦合器從通路中耦合出一部分功率輸入到檢波電路中。而切換控制信號由功率檢波電路輸出信號整形變換得到。在電路中從射頻主通路耦合出一部分能量提供給芯片MAX4003檢波出發射信號，主通路衰減小于1 dB，耦合度為13 dB，ADS軟件下S參數仿真如圖3所示。微帶耦合線的物理尺寸為：微帶線寬度w=11.8 mil，間距s=3.9 mil，耦合線長L=531 mil。

1.5 開關切換控制電路和電源電路設計

檢波電路輸出的信號不能直接控制射頻信號，通過三極管MBT2222作為驅動電路來控制射頻開關，實現功率放大器的收發切換。電源電路將9 V電壓轉換為5 V提供功率模塊的正常工作電壓。

2 無線功率放大器的測試

2.1 端口S參數的測試

功率放大器端口S參數測試使用的是AgilientE5071B矢量網絡分析儀，測試結果如圖4所示。

2.2 通信測試

用IQVIEW測試儀器發射出-30 dBm的射頻信號作為功率放大器輸入信號測試接收性能，在軟件IQsignal vector Signal Analyzer中可以得到由功率放大器放大后的接收信號在54 Mb／s(802.11g模式)和11 Mb／s(802.11b模式)速率下的數據，具體數據如圖5所示。

因為IQVIEW不能發出太大功率的射頻信號，所以將IQVIEW發出的發射信號經過自制的模塊放大后(功率達到13.44 dBm)輸入到功率放大器的發射通路，進行發射功率增益放大測試，經過功率放大器后發射信號數據如圖6所示。
吞吐率是指在一指定時間內由一處傳輸到另一處或被處理的數據量。由于功率放大器提高了原有WLAN的功率，但功率放大器不可避免的對原有WLAN網絡的吞吐率有所影響。將功率放大器加入到現有WLAN局域網后測試網絡吞吐率，經過比較之后，功率放大器加入之后網絡前后吞吐率平均均能達到20 Mb／s以上。

3 結語

本文所研究并實現的2.4 GHz WLAN無線功率放大器，發射功率可以達到500 mW，接收增益大于10 dB，收發信號實現自動切換，在實際使用中與各大公司的無線AP直接串接使用，有效工作范圍達到5 km，可以廣泛應用在WLAN網絡中。

作者：鄧中亮，戚威