【導(dǎo)讀】國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)分配了免許可的5.8 GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)無(wú)線電頻段供全球使用。隨著無(wú)線技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步，以及最低的法規(guī)合規(guī)要求，使此頻段在短距離無(wú)線通信系統(tǒng)中頗受歡迎。
評(píng)估和設(shè)計(jì)支持
● 電路評(píng)估板
○ CN0534電路評(píng)估板(EVAL-CN0534-EBZ)
● 設(shè)計(jì)和集成文件
○ 原理圖、布局文件、物料清單
電路功能與優(yōu)勢(shì)
國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)分配了免許可的5.8 GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)無(wú)線電頻段供全球使用。隨著無(wú)線技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步，以及最低的法規(guī)合規(guī)要求，使此頻段在短距離無(wú)線通信系統(tǒng)中頗受歡迎。
因?yàn)榭捎玫耐ǖ罃?shù)量和帶寬，短距離數(shù)字通信應(yīng)用（例如WiFi）更傾向于使用5.8 GHz頻段。雖然傳輸范圍比2.4 GHz頻段要短，但它提供150 MHz帶寬，可支持高達(dá)23個(gè)非重疊WiFi通道。其他常見(jiàn)用例包括軟件定義無(wú)線電、無(wú)線接入點(diǎn)、公共安全無(wú)線電、無(wú)線中繼器、毫微微蜂窩、長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)/微波存取的全球互操作性(WiMAX)/4G、收發(fā)器基站(BTS)基礎(chǔ)設(shè)施。
這種設(shè)計(jì)尺寸小巧，提供高增益、可靠的過(guò)功率監(jiān)測(cè)和保護(hù)，對(duì)于面臨信號(hào)強(qiáng)度低，或覆蓋范圍小的ISM頻段應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)附加優(yōu)勢(shì)。
圖1所示的電路來(lái)自高性能RF接收器系統(tǒng)，具有+23 dB增益，優(yōu)化之后，支持采用5.8 GHz中心頻率。其輸入未經(jīng)濾波，保持2 dB噪聲系數(shù)，但輸出端配有帶通濾波器，會(huì)衰減帶外干擾。
該電路中包含高速過(guò)功率檢測(cè)器和開(kāi)關(guān)，用于保護(hù)連接至接收器系統(tǒng)的下游敏感設(shè)備。當(dāng)RF功率電平下降到可接受范圍內(nèi)時(shí)，接收器系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。RF輸入和輸出是標(biāo)準(zhǔn)的SMA連接器，整個(gè)設(shè)計(jì)由一個(gè)微型USB連接器供電。
圖1.EVAL-CN0534-EBZ簡(jiǎn)化功能框圖
ADI公司的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設(shè)計(jì)構(gòu)建。每個(gè)電路的設(shè)計(jì)和構(gòu)建都嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)工程規(guī)范，電路的功能和性能都在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中以室溫條件進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)。然而，您需負(fù)責(zé)自行測(cè)試電路，并確定對(duì)您是否適用。因而，ADI公司將不對(duì)由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導(dǎo)致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負(fù)責(zé)。
電路描述
RF低噪聲放大器(LNA)
HMC717A是一款砷化鎵(GaAs)假晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)、單芯片微波集成電路(MMIC) LNA，適用于工作頻率為4.8 GHz至6.0 Ghz，適合多種信號(hào)通信協(xié)議（例如ISM、MC-GSM、W-CDMA和TD-SCDMA）的后端接收器。
如圖2所示，在其RF工作頻段內(nèi)，HMC717A具有14.5 dB增益。噪聲系數(shù)為1.1 dB，放大器由一個(gè)5 V電源供電，總電源電流為68 mA。為了實(shí)現(xiàn)23 dB總增益，將兩個(gè)HMC717A放大器級(jí)聯(lián)。HMC717A提供1.1 dB噪聲系數(shù)、27 dBm 3階交調(diào)點(diǎn)(IP3)和15 dB壓縮點(diǎn)(P1dB)，適用于第一級(jí)LNA，也適用于中間增益級(jí)。
圖2.HMC717A寬帶增益(S21)和回波損耗(S11)與頻率的關(guān)系
LNA阻抗匹配
如圖3所示，HMC717A的RFIN（引腳2）和RFOUT（引腳11）引腳是單端引腳，在4.8 GHz至6.0 GHz頻率范圍內(nèi)具有50Ω標(biāo)稱電阻，允許HMC717A直接連接至50Ω端接系統(tǒng)，無(wú)需使用額外的阻抗匹配電路。
RFOUT具有集成式隔直流電容，所以無(wú)需在第二級(jí)采用外部電容，支持在不使用外部匹配電路的情況下以背靠背的方式將多個(gè)HMC717A放大器級(jí)聯(lián)在一起。唯一的要求是，第一級(jí)的RFIN必須與1.2 pF電容交流耦合。
圖3.用于級(jí)聯(lián)HMC717A放大器的基本連接
帶通濾波器
LNA輸出被帶通濾波器濾波。如圖4所示，該濾波器的通帶范圍為5400 MHz至6400 MHz，典型的回波損耗為14.7 dB，在5.8 GHz中心頻率下的插入損耗為1.6 dB。
圖4.帶通濾波器的典型電氣性能：插入損耗(S21)和回波損耗(S11)
過(guò)功率保護(hù)
相對(duì)較低的功率電平會(huì)損壞敏感電路。例如，AD9363收發(fā)器的RF輸入的絕對(duì)最大功率電平為+2.5 dBm。CN0534包含一個(gè)過(guò)功率保護(hù)，當(dāng)功率電平下降到可接受范圍內(nèi)時(shí)，運(yùn)行自動(dòng)復(fù)位電路，如圖5所示。
圖5.RF衰減器和功率檢波器保護(hù)框圖
電路描述
RF功率檢波器和自動(dòng)復(fù)位電路
ADL5904是一款RF功率檢波器，工作頻率范圍是DC至6 GHz。建議在ADL5904的輸入端配備一個(gè)470 nF交流耦合電容和一個(gè)外部82.5Ω分流電阻，以提供寬頻段輸入匹配。ADL5904使用內(nèi)部RF包絡(luò)檢波器和用戶定義的輸入電壓，根據(jù)RF輸入功率電平提供可編程的閾值檢測(cè)功能。當(dāng)來(lái)自RF包絡(luò)檢波器的電壓超過(guò)VIN?引腳上用戶定義的閾值電壓時(shí)，內(nèi)部比較器將事件鎖存到觸發(fā)器上。超過(guò)用戶編程閾值的RF輸入信號(hào)至輸出鎖存的響應(yīng)時(shí)間為極快的12 ns。鎖存事件保持在觸發(fā)器上，直至對(duì)RST引腳施加復(fù)位脈沖。
CN0534的帶通濾波器的輸出功率電平由一個(gè)耦合因子為+13 dB的集成薄膜耦合器采樣，并轉(zhuǎn)發(fā)到ADL5904的RFIN引腳。ADL5904在VIN?上的閾值電平由一個(gè)電阻分壓器設(shè)置，值設(shè)置為約32 mV，相當(dāng)于在未經(jīng)校準(zhǔn)的情況下，在5.8 GHz下運(yùn)行時(shí)的?9 dBm閾值功率，如ADL5904數(shù)據(jù)手冊(cè)所示。結(jié)合耦合器和RF衰減器在0 dB狀態(tài)下的損耗，輸出保持在對(duì)敏感器件來(lái)說(shuō)安全的水平下。
如果需要更高的過(guò)功率閾值精度，可以在多個(gè)頻率下執(zhí)行簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)程序，以補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)器件之間的差異。關(guān)于校準(zhǔn)程序的信息，參見(jiàn)ADL5904數(shù)據(jù)手冊(cè)。
在正常運(yùn)行期間，ADL5904的Q輸出使LTC6991可編程低頻率定時(shí)器保持復(fù)位狀態(tài)。發(fā)生過(guò)功率事件時(shí)，LTC1991啟用，并且開(kāi)始4 ms延遲。ADL5904在4 ms后復(fù)位，對(duì)功率電平重新采樣。如果過(guò)功率狀態(tài)持續(xù)，ADL5904再次斷路，衰減器保持在-20 dB狀態(tài)。衰減器控制信號(hào)被延遲，在對(duì)功率電平重新采樣期間，它將持續(xù)保持-20 dB狀態(tài)。如果過(guò)功率情況消除，衰減器恢復(fù)到0 dB狀態(tài)，恢復(fù)正常工作，如圖6所示。
圖6.自動(dòng)重試電路功能框圖
RF衰減器
HMC802A是一款寬帶雙向1位GaAs IC數(shù)字衰減器。該器件在旁路模式下，在5.8 GHz頻率下具有1.5 dB低插入損耗，啟用時(shí)具有20±0.6 dB準(zhǔn)確衰減。由一個(gè)5 V電源供電，IP3為+55 dBm，衰減控制信號(hào)兼容CMOS/TTL。雖然RF開(kāi)關(guān)通常用于過(guò)功率保護(hù)應(yīng)用，但在5.8 GHz下，HMC802A的20 dB衰減要優(yōu)于大多數(shù)RF開(kāi)關(guān)的關(guān)斷隔離狀態(tài)。
如圖7所示，在5.8 GHz中心頻率下，該器件在旁路模式下的典型插入損耗為1.5 dB。圖8顯示在5.8 GHz中心頻率下，衰減模式下的隔離系數(shù)為-20.5 dB。
圖7.在旁路模式下時(shí)，HMC802A的典型插入損耗和輸入回波損耗性能
圖8.在衰減模式下時(shí)，HMC802A的典型插入損耗和輸入回波損耗性能
組合來(lái)自帶通濾波器、耦合器和來(lái)自RF衰減器的插入損耗，在5.8 GHz中心頻率下，在正常工作條件下，RF衰減器輸出端的總插入損耗約為3 dB，在衰減模式下時(shí)，約為21.5 dB。
保護(hù)結(jié)果
使用圖9所示的設(shè)置測(cè)試過(guò)功率保護(hù)功能。RF信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率設(shè)置為5.8 GHz，CN0534的輸入功率從-30 dBm增加到-20 dBm。CN0534的輸出功率由ADL6010高速包絡(luò)檢波器監(jiān)控，該檢波器提供從過(guò)功率事件到輸出功率衰減的響應(yīng)時(shí)間的精確測(cè)量值。
電路描述
圖9.RF過(guò)功率響應(yīng)測(cè)試的簡(jiǎn)化框圖
圖10.典型的過(guò)功率保護(hù)響應(yīng)時(shí)間
圖11.過(guò)載保護(hù)狀態(tài)后，典型的恢復(fù)時(shí)間
一旦觸發(fā)，檢波器鎖存在250 Hz的頻率下復(fù)位，如果輸出功率下降到低于2.5 dBm，則輸出開(kāi)關(guān)啟用。開(kāi)關(guān)使能信號(hào)被延遲，以確保它不會(huì)在過(guò)功率情況仍然存在時(shí)被確認(rèn)。結(jié)果如圖10和圖11所示。
USB電源管理
升壓轉(zhuǎn)換器
圖12顯示EVAL-CN0534-EBZ功率樹，它通過(guò)微型USB接口，從5 V電源消耗1.1 W功率。
圖12.CN0534系統(tǒng)功率架構(gòu)
LT8335是一款電流模式DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠利用單個(gè)反饋引腳生成正或負(fù)輸出電壓。它可以配置為升壓、SEPIC或反相轉(zhuǎn)換器，消耗低至6μA靜態(tài)電流。在典型應(yīng)用中，低紋波突發(fā)模式可在低輸出電流時(shí)保持高效率，同時(shí)使輸出紋波保持在15 mV以下。內(nèi)部補(bǔ)償電流模式架構(gòu)可在寬輸入和輸出電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。集成軟啟動(dòng)和頻率折返功能，以便在啟動(dòng)期間控制電感電流。要配置LT8335提供5.6 V輸出，所需的基本連接如圖13所示。
圖13.LT8335的5.6V輸出框圖
輸出電壓通過(guò)輸出端和FBX引腳之間的電阻分壓器進(jìn)行編程。根據(jù)公式1選擇電阻值，以提供正輸出電壓：
超低噪聲線性穩(wěn)壓器
ADM7150是一款超低噪聲高PSSR RF線性穩(wěn)壓器，使用5 V輸出來(lái)盡量增大HMC717A的增益。
ADM7150是一款低壓差線性穩(wěn)壓器，在固定輸出電壓選擇下，在100 Hz到100 kHz范圍內(nèi)提供1.0 μV rms典型輸出噪聲，在10 kHz以上提供<1.7 nV/√Hz噪聲譜密度，如圖14所示。
圖14.不同旁路電容(CBYP)下的噪聲譜密度與頻率
ADP150用于為功率檢波器和自動(dòng)重試電路生成3.3 V電壓。如圖15所示，它是一個(gè)高性能低壓差線性穩(wěn)壓器，具有超低噪聲和超高PSRR架構(gòu)，用于為噪聲敏感型RF應(yīng)用供電。
電路描述
圖15.ADP150 PSSR與頻率的關(guān)系
常見(jiàn)變化
為了實(shí)現(xiàn)更寬的工作帶寬，可以使用HMC8411來(lái)代替RF LNA。HMC8411是一款低噪聲寬帶放大器，工作頻率范圍為0.01 GHz到10 GHz。它提供15.5 dB典型增益、1.7 dB典型噪聲系數(shù)和34 dBm典型輸出3階交調(diào)點(diǎn)功率(OIP3)，采用5 V電源電壓時(shí)功耗僅為55 mA。HMC8411還具有內(nèi)部匹配50 Ω的輸入和輸出，非常適合基于表貼技術(shù)(SMT)的高容量微波無(wú)線電應(yīng)用。
HMC550A可用于代替RF開(kāi)關(guān)。它是一款低成本單刀單擲(SPST)故障安全開(kāi)關(guān)，用于需要低插入損耗和低電流消耗的應(yīng)用。這些器件可控制頻率范圍為DC至6 GHz的信號(hào)，尤其適合IF和RF應(yīng)用，包括RFID、ISM、汽車和電池供電標(biāo)簽和筆記本電腦。
ADL6010可以用作包絡(luò)檢波器替代組件，是一款快速響應(yīng)、45 dB范圍、0.5 GHz至43.5 GHz包絡(luò)檢波器。ADL6010是一款多功能微波頻譜寬帶包絡(luò)檢波器，采用簡(jiǎn)單的6引腳封裝，提供極低的功耗(8 mW)。該器件輸出的基帶電壓與射頻(RF)輸入信號(hào)的瞬時(shí)幅度成正比。它的RF輸入具有非常小的斜率變化，以便包絡(luò)從0.5 GHz到43.5 GHz的輸出轉(zhuǎn)換函數(shù)。
電路評(píng)估與測(cè)試
以下部分概述評(píng)估CN0534性能的一般設(shè)置。如需完整的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱CN0534用戶指南。
設(shè)備要求
● EVAL-CN0534-EBZ參考設(shè)計(jì)板
● 一個(gè)RF信號(hào)源(R&S? SMA100B)
● 一個(gè)信號(hào)源分析儀(Keysight E5052B SSA)
● 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀(Keysight N5242A PNA-X)
● 一根SMA至SMA電纜
● 一根micro USB至USB電纜
● 5 V交流/直流USB電源適配器
測(cè)試設(shè)置
圖16.相位噪聲和SFDR測(cè)試設(shè)置框圖
要測(cè)量圖16所示的相位噪聲和SFDR，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟：
1. 按如下步驟設(shè)置信號(hào)源的測(cè)量配置：
● 為了執(zhí)行SFDR測(cè)量，設(shè)置中心頻率 = 5.8 Ghz，頻率范圍 = 5.79 GHz至5.81 GHz，RF幅值 = 10 dBm。
● 為了執(zhí)行相位噪聲測(cè)量，設(shè)置中心頻率 = 5.8 Ghz，偏移頻率范圍 = 10 Hz至30 MHz。如果設(shè)備可以處理放大器輸出（0 dBm輸入時(shí)約為20 dBm），請(qǐng)參考信號(hào)源分析儀數(shù)據(jù)手冊(cè)上的最大輸入電平。如有必要，將衰減器連接到信號(hào)源分析儀的輸入。
2. 將信號(hào)源發(fā)生器的功率電平設(shè)置為0 dBm，中心頻率設(shè)置為5.8 GHz。
3. 使用micro USB電纜和額定功率大于500 mW的5V電源適配器為EVAL-CN0534-EBZ供電。
4. 將信號(hào)發(fā)生器的輸出連接到EVAL-CN0534-EBZ的RF輸入(J2)。
5. 將EVAL-CN0534-EBZ的RF輸出(J1)連接到信號(hào)源分析儀。
6. 在信號(hào)源分析儀上執(zhí)行測(cè)量運(yùn)行。
圖17.S參數(shù)和噪聲系數(shù)測(cè)試設(shè)置框圖
要測(cè)量圖17所示的S參數(shù)和噪聲系數(shù)，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟：
1. 將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置為所需的測(cè)量條件，采用以下設(shè)置：
● 為了執(zhí)行S參數(shù)測(cè)量，設(shè)置頻率范圍 = 4.8 GHz至6.8 GHz。
● 為了執(zhí)行相位噪聲測(cè)量，設(shè)置頻率范圍 = 5.3 GHz至6.8 GHz。
2. 使用校準(zhǔn)套件對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀執(zhí)行完整的2端口校準(zhǔn)。請(qǐng)注意，EVAL-CN0534-EBZ的RF輸入(J2)可以直接連到測(cè)試端口，因此測(cè)試設(shè)置僅需要一根測(cè)量電纜。
3. 使用5 V電源適配器和microUSB電纜為EVAL-CN0534-EBZ供電。
4. 使用校準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)置將EVAL-CN0534-EBZ連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試端口上。
5. 將測(cè)量值設(shè)置為所需的S參數(shù)。
6. 在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上執(zhí)行自動(dòng)縮放功能。如果需要，隨后可調(diào)整比例。
RF性能
EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz中心頻率下，將RF信號(hào)輸入放大約+23 dB增益，回波損耗為?15 dB。圖18和圖19顯示了EVAL-CN0534-EBZ的增益和回波損耗。
圖18.EVAL-CN0534-EBZ增益與頻率的關(guān)系
圖19.EVAL-CN0534-EBZ輸入回波損耗與頻率的關(guān)系
5.8 GHz時(shí)的單邊帶相位噪聲如圖20所示。
電路評(píng)估與測(cè)試
圖20.EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz下的單邊帶相位噪聲與偏移頻率的關(guān)系
圖21顯示窄帶單音RF輸出，SFDR約為78 dBFS。
圖21.EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz時(shí)的窄帶單音RF輸出
圖22顯示相應(yīng)的噪聲值與頻率的關(guān)系，在5.8 GHz中心頻率下約為2 dB。
圖22.EVAL-CN0534-EBZ噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系
ESD Caution
ESD警告
ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會(huì)在沒(méi)有察覺(jué)的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專利或?qū)Ｓ斜Ｗo(hù)電路，但在遇到高能量ESD時(shí)，器件可能會(huì)損壞。因此，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)腅SD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。
Circuits from the Lab電路僅供與ADI公司產(chǎn)品一起使用，并且其知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸ADI公司或其授權(quán)方所有。雖然您可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用參考電路，但是并未默認(rèn)授予其它許可，或是通過(guò)此參考電路的應(yīng)用及使用而獲得任何專利或其它知識(shí)產(chǎn)權(quán)。ADI公司確信其所提供的信息是準(zhǔn)確可靠的。不過(guò)，Circuits from the Lab電路是以“原樣”的方式提供的，并不具有任何性質(zhì)的承諾，包括但不限于：明示、暗示或者法定承諾，任何適銷性、非侵權(quán)或者某特定用途實(shí)用性的暗示承諾，ADI公司無(wú)需為參考電路的使用承擔(dān)任何責(zé)任，也不對(duì)那些可能由于其使用而造成任何專利或其它第三方權(quán)利的侵權(quán)負(fù)責(zé)。ADI公司有權(quán)隨時(shí)修改任何參考電路，恕不另行通知。
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