915 MHz ISM频段1 W功率放大器电路设计与测试

在无线通信领域，915 MHz ISM（工业、科学和医疗）频段由于其无需授权且适用于短距离无线通信系统，得到了广泛应用。今天我们就来详细探讨一款针对该频段设计的1 W功率放大器电路——CN - 0522。

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一、电路概述

CN - 0522是一款USB供电的915 MHz ISM频段1 W功率放大器，具备过温管理功能。该电路由Analog Devices工程师设计和构建，经过实验室环境测试和验证。其主要涉及的器件包括ADL5605（700 MHz - 1000 MHz，1 W RF驱动放大器）、ADT6402（低成本、2.7 V - 5.5 V、引脚可选温度开关）和LTM8045（反相或SEPIC μModule DC/DC转换器）。

二、电路功能与优势

国际电信联盟（ITU）为2区（包括美洲、格陵兰和一些东太平洋岛屿）分配了915 MHz的ISM频段。该频段对应用和占空比没有限制，常见用途包括业余无线电、监控和数据采集（SCADA）系统以及射频识别（RFID）等。在该频段进行无线电传输时，信号链电路后需要一个放大器模块来驱动天线。在美国，使用915 MHz ISM频段的扩频发射机的最大峰值输出功率根据不同的扩频方式有所不同。

CN - 0522电路是一个针对915 MHz ISM频段发射机信号链优化的1 W（30 dBm）RF驱动放大器模块。在中心频率处，该电路的正向增益（S21）约为20 dB，输入回波损耗（S11）约为11.5 dB，其RF输入和输出端口均匹配到50 Ω。

三、电路详细描述

1. 915 MHz ISM频段操作

RF输入信号需通过声表面波（SAW）滤波器，将驱动放大器的输入限制在902 MHz - 928 MHz频段。选择滤波器时，需要在频段平坦度和带外抑制之间取得平衡。同时，SAW滤波器会引入插入损耗，降低信号链的整体增益。本参考设计中使用的SAW滤波器典型最大插入损耗为2.9 dB，终端阻抗为50 Ω。

2. 放大器

采用两级RF功率放大器ADL5605，工作频率范围为700 MHz - 1 GHz，典型增益为23.0 dB，最小噪声系数为4.7 dB，在881 MHz ±13 MHz范围内最小输出三阶截点（IP3）为43.4 dBm。通过在VBIAS引脚施加5 V电压，并通过RF扼流电感（L1）连接到RFOUT引脚，可设置放大器两级的最佳偏置点。建议使用18 nH的电感，它还能为915 MHz ISM频段提供部分输出匹配。此外，ADL5605在输出级偏置以及VCC和VBIAS引脚需要三个去耦电容，以滤除电源线上的RF信号和高频噪声。

3. 阻抗匹配

对于915 MHz ISM频段，ADL5605的RFIN引脚无需外部匹配组件。而将其RFOUT引脚匹配到50 Ω，可通过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）来实现。RFIN和RFOUT引脚都需要外部隔直电容。从ADL5605数据手册可知，当放大器工作在868 MHz以上频率时，L2和Cout的推荐值分别为1.6 nH和8.0 pF。这些组件的正确放置对匹配至关重要，通过Keysight的Advanced Design System（ADS）软件模拟，得到推荐的组件间距值为λ₁ = 94.5 mils和λ₂ = 240 mils。

4. 小信号性能和相位噪声

在915 MHz中心频率处，电路增益为20 dB，输入和输出回波损耗分别大于11 dB和6 dB。系统具有低相位噪声，在10 kHz和100 kHz频率偏移时，相位噪声值低于 - 110 dBc/Hz；在1 MHz和10 MHz频率偏移时，相位噪声值分别低于 - 130 dBc/Hz和 - 140 dBc/Hz。当输入功率约为11 dBm时，可实现1 W的最大输出功率。该设计的RF输入受限于SAW滤波器或放大器的最大额定值，默认板载SAW滤波器的最大输入为15 dBm，而ADL5605本身可处理高达20 dBm的输入。

5. 过温管理

使用ADT6402温度开关实现过温管理功能，用于监测电路板温度。当达到设定阈值时，放大器将被禁用，使EVAL - CN0522 - EBZ冷却。ADT6402具有 ±0.5°C的典型高精度（ - 45°C至 + 115°C范围内最大 + 6°C），在额定温度范围内能保持精度和线性度，无需用户校准或校正。通过S0、S1和S2引脚的状态可选择ADT6402的温度触发点和迟滞。考虑到ADL5605的高散热，建议将触发点至少设置为95°C。ADT6402的有源高、推挽输出（TOVER/TUNDER）在温度测量超过触发点时启用，通过缓冲门连接到ADL5605的DISABLE引脚，当温度开关触发时，放大器关闭，直到系统冷却到触发点以下并加上迟滞值时才重新开启。为获得最佳性能，需最小化ADT6402的GND引脚和热源GND引脚的热阻，因此ADT6402安装在EVAL - CN0522 - EBZ的次级侧，靠近连接到ADL5605外露焊盘的热过孔。

6. 布局考虑

功率放大器在使用时会产生大量热量，因此电路的散热问题需要特别关注。EVAL - CN0522EBZ采用3层厚接地平面设计，并在ADL5605周围和下方设置多个热过孔，以促进功率耗散。通过Cadence® Sigrity™ PowerDC™软件模拟显示，正常运行时放大器周围的印刷电路板（PCB）温度接近85°C。为实现小尺寸设计，电路板未添加散热片，而是通过过温管理功能将EVAL - CN0522 - EBZ的温度保持在系统性能最佳的水平，同时防止ADL5605芯片达到其最大结温。

7. USB电源管理

CN - 0522的电源通过微型USB端口提供，并由LTM8045 μModule进行调节。这个小型独立的DC - DC转换器简化了调节器电路设计，因为它已经包含了用于低噪声放大器电源的电流模式控制器和功率器件。正常运行时，该设计大约需要307 mA电流，主要由ADL5605消耗（ADT6402仅需30 μA）。但需要注意的是，ADL5605在较高输出水平时会消耗更多的电源电流。将LTM8045配置为单端初级导体（SEPIC）时，其输出电压由VOUT +和FB引脚之间的反馈电阻（RFB）值设置，可通过公式 (R{FB}=(V{out}-1.215) / 0.0833) 计算。对于5 V输出电压，RFB值为45.3 kΩ，在CN - 0522中通过两个60.4 kΩ和182 kΩ的电阻并联实现。为了最小化LTM8045开关瞬态引入的噪声，调节后的输出通过阻尼LC滤波器和铁氧体磁珠。该滤波器旨在抑制80 MHz - 150 MHz的开关噪声。LTM8045的开关频率由跨RT引脚和GND的外部电阻设置，可通过公式 (R{T}=(91.9 / f{osc}) - 1) 计算。对于5 V的输入和输出电压，LTM8045的最佳开关频率为800 kHz，此时外部电阻值计算为115 kΩ。该配置推荐的输入和输出电容分别为4.7 μF和100 μF。为了限制启动时电源的浪涌电流，LTM8045使用外部电容在SS和GND之间实现软启动功能，软启动时间可通过公式 (t{ss}=(C{ss}/5.45)) 计算。本设计使用两个0.1 μF电容并联作为软启动电容，软启动时间约为367 ms。

四、常见变体

如果不需要1 W的功率水平，HMC450可作为915 MHz ISM频段的替代驱动放大器。与ADL5605相比，HMC450具有更高的增益、噪声系数和输入回波损耗，但需要更大的输出匹配要求，且输出IP3和输出1 dB压缩点（P1dB）较低，其饱和输出水平约为700 mW。如果使用HMC450，温度开关需替换为ADT6401，它与ADT6402引脚兼容且规格相同，但输出为有源低电平。此外，Analog Devices还提供了适用于2.45 GHz ISM频段的类似放大器设计，更多信息可参考Circuit Note CN - 0417。

五、电路评估与测试

1. 所需设备

进行测试需要以下设备：EVAL - CN0522 - EBZ、Keysight® E5061B矢量网络分析仪、Rohde & Schwarz® SMA100A信号发生器、Rohde & Schwarz FSUP信号源分析仪、5 V交流/直流USB电源适配器、USB Type A到微型USB电缆、SMA电缆，以及一个可选的20 dB衰减器用于信号源分析仪的输入保护。

2. 测试步骤

S参数测量

• 设置矢量网络分析仪的测量条件，频率范围应包含902 MHz - 928 MHz频段，源电平设置为0 dBm。
• 使用校准套件对矢量网络分析仪进行全2端口校准，EVAL - CN0522 - EBZ的RF输入（J1）可直接连接到测试端口，测试设置仅需一根测量电缆。
• 使用5 V电源适配器和微型USB电缆为EVAL - CN0522 - EBZ供电。
• 使用校准后的测试设置将EVAL - CN0522 - EBZ连接到矢量网络分析仪的测试端口。
• 设置测量所需的S参数。
• 在矢量网络分析仪上执行自动缩放功能，如有需要可调整比例。

相位噪声测量

• 设置信号源分析仪的测量配置。
• 将信号发生器输出设置为915 MHz频率和0 dBm电平。
• 参考信号源分析仪数据手册中的最大输入电平，判断设备是否能处理放大器输出（输入0 dBm时约20 dBm），如有必要，在信号源分析仪输入处连接衰减器。
• 使用5 V电源适配器和微型USB电缆为EVAL - CN0522 - EBZ供电。
• 将信号发生器输出连接到EVAL - CN0522 - EBZ的RF输入（J1）。
• 将EVAL - CN0522 - EBZ的RF输出（J2）连接到信号源分析仪。
• 在信号源分析仪上执行测量运行。

六、学习资源

在设计和测试过程中，我们可以借助一些工具和资料，如ADIsimRF™ RF信号链计算器、LTspice SPICE仿真软件、LTpowerCAD®设计工具、功率耗散与芯片温度计算器等。同时，还可以参考相关的教程和文章，如MT - 093教程《热设计基础》、MT - 101教程《去耦技术》等。另外，我们还可以获取相关器件的数据手册和评估板信息，如CN - 0522电路评估板（EVAL - CN0522 - EBZ）、ADL5605数据手册等。

大家在实际设计和测试过程中，是否也遇到过类似的电路散热和电源管理问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。