C波段微波無線電能傳輸發(fā)射端設(shè)計

張瑞成+李玉紅

摘 要： 隨著高頻技術(shù)的發(fā)展，微波能量傳輸系統(tǒng)中常采用更高的頻率，為了使整流天線能得到高輸出電壓，并且減少系統(tǒng)體積，降低裝置成本，設(shè)計了一種C波段微波無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端。直流電平經(jīng)過鎖相環(huán)合成芯片轉(zhuǎn)換為C波段微波信號。該信號經(jīng)過由驅(qū)動級功率放大芯片和高功率放大芯片組成的功率放大器，將功率放大到6 W，加上喇叭天線即組成了C波段微波無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端。詳細分析設(shè)計參數(shù)與方法，并利用ADS軟件進行仿真驗證。該系統(tǒng)具有極高的工作頻率，省略了許多高頻系統(tǒng)中的倍頻部分，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了裝置成本。

關(guān)鍵詞： 發(fā)射端； C波段； 鎖相環(huán)合成器； 功率放大器

中圖分類號： TN74?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0006?04

Design for transmitting terminal of microwave wireless power

transmission system in C band

ZHANG Ruicheng， LI Yuhong

（College of Electrical Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063009， China）

Abstract： With the development of high frequency technology， the higher frequency is used in microwave energy transmission systems. In order to get the high output voltage of rectifying antenna， reduce the volume of the system and lower the cost of the device， a transmitting terminal of microwave wireless power transmission system working in C band was designed. The DC voltage is converted into microwave signal of C band through the phase?locked loop synthesis chip. The signal is amplified to 6 W through the power amplifier composed of driver stage power amplifying chip and high?power amplifying chip， and the horn antenna is added to form the transmitting terminal of microwave wireless power transmission system working in C band. The design parameters and method are analyzed in detail， and verified with ADS software simulation. The system has extremely high working frequency， and can omit the frequency doubling segment in many high frequency systems； the method has simplified the structure of the system and reduce the device cost.

Keywords： transmitting terminal； C band； phase?locked frequency synthesizer； power amplifier

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微波能量傳輸成為當(dāng)前科學(xué)研究中一個既有難度，又相當(dāng)熱門的方向[1]。微波無線電能傳輸對于微小型機器人、衛(wèi)星等能量傳輸以及解決地面復(fù)雜環(huán)境的電能輸送等問題有著重要意義[2]。在利用微波實現(xiàn)無線輸電的系統(tǒng)中，將直流電變換為微波信號以及提高微波信號功率是發(fā)射端最重要的研究部分。

目前微波無線電能傳輸仍處于起步階段，其發(fā)射端微波信號頻率、環(huán)路濾波器以及功率放大部分等都有待進一步研究。文獻[3]完整介紹了一種小功率2.45 GHz微波無線傳輸發(fā)射端的設(shè)計，但隨著高頻技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在微波無線傳輸常采用更高的頻率，并且輸出的功率也不高。文獻[4?5]詳細分析了鎖相環(huán)中各個部分的相位噪聲以及合成微波的相位噪聲，但并未考慮其他參數(shù)。文獻[6]對一種C波段功率放大器進行了設(shè)計與仿真，但是由于芯片本身的穩(wěn)定性不佳以致于功放系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此利用以鎖相環(huán)為基礎(chǔ)的頻率合成技術(shù)設(shè)計高性能微波信號頻率源，選用ADF4106作為核心電路，選用集成VCO芯片V940ME30作為外部壓控振蕩器，設(shè)計相應(yīng)的環(huán)路濾波器，構(gòu)成鎖相式頻率合成器，產(chǎn)生C波段的微波信號，并且要求相位噪聲低，頻率穩(wěn)定度高，同時轉(zhuǎn)換時間較快。經(jīng)過兩級驅(qū)動功率放大芯片HMC407和HMC1086F10將產(chǎn)生的微波信號功率放大，再連接上發(fā)射天線發(fā)射至自由空間。該系統(tǒng)具有極高的工作頻率，省略了許多高頻系統(tǒng)中的倍頻部分，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了裝置的成本。

1 系統(tǒng)基本原理及設(shè)計

1.1 發(fā)射系統(tǒng)總體方案

發(fā)射系統(tǒng)的整體功能框圖如圖1所示。

微波信號源采用鎖相環(huán)合成技術(shù)產(chǎn)生4～6 GHz輸出頻率，功率為-10 dBm的微波信號。該信號經(jīng)過驅(qū)動放大器和高功率放大器后，輸出5～6 W的微波信號，通過喇叭天線發(fā)射到自由空間。下面對鎖相環(huán)頻率合成與功率放大部分做詳細介紹。endprint

1.2 鎖相環(huán)微波信號源的設(shè)計

鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器三部分組成，再插入可編程控制器，即構(gòu)成了鎖相環(huán)頻率合成器[7]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

鎖相環(huán)頻率合成部分選用ADI公司生產(chǎn)的ADF4106，該芯片的最大特點就是其工作頻率可以達到6 GHz。用ADF4106設(shè)計的鎖相環(huán)頻率合成器具有很高的帶寬，因此在高頻系統(tǒng)中可以省去倍頻部分，消除了由倍頻電路帶來的諧波、雜波和噪聲干擾，極大地改善了系統(tǒng)性能。其內(nèi)部的鑒相器對R分頻器與N分頻器的輸出信號進行相位比較，當(dāng)相位差不變時得到誤差電壓，其鎖相輸出頻率為：

[fo=N×fiR] （1）

其鑒相頻率為：

[fr=fiR] （2）

選用高穩(wěn)定度有源晶振為芯片提供20 MHz的參考頻率。壓控振蕩選用集成VCO芯片V940ME30工作頻率為5 500～5 850 MHz， 調(diào)諧靈敏度為80 MHz/V，供電簡單僅需5 V。

環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)電路的重要組成部分，設(shè)計濾波器的一種方法就是采用開環(huán)增益帶寬和相位裕量決定相應(yīng)器件的值。相位裕量通常在30°～70°，本設(shè)計中選取45°，而環(huán)路帶寬一般選擇為鑒相頻率的10%?？紤]信號的雜散和鎖定時間，環(huán)路帶寬為200 kHz。為了確保環(huán)路的穩(wěn)定，在開環(huán)響應(yīng)單位增益頻率處定位最小相位移點。為了降低相位噪聲，使用無源環(huán)路濾波器[8]，其中二階環(huán)路濾波器是較為簡單的形式，如圖3所示。

[Z（s）=1jωC11jωC2+R21jωC1+1jωC2+R2] （3）

令[s=jω，]將其代入式（3）中得：

[Z（s）=1s?C11s?C2+R21s?C1+1s?C2+R2=s?C2?R2+1s?（C1+C2）?1+sC1?C2?R2C1+C2] （4）

令[t1=R2?C1?C2C1+C2]，[t2=C2?R2]，[A0=C1+C2，]由以上公式可得：

[Z（s）=1+s?t2s?（A0+s?t1）] （5）

其中，時間常量[t1]和[t2]決定濾波器傳遞函數(shù)頻率的零點和極點。相位裕量與系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大關(guān)系，該頻率處相位裕量的計算公式為：

[φ=π+arctan（ωc?t2）-arctan（ωc?t1）] （6）

求[φ]對[ωc]的偏導(dǎo)，并令此導(dǎo)數(shù)為零時的[ωc]就是取得最大相位裕度的環(huán)路帶寬。即：

[dφdωc=t21+ω2ct22-t11+ω2ct21=0] （7）

由式（7）可以求得：

[ωc=1t1t2] （8）

把式（8）代入式（6）中，由此可以求得相位裕度最大值：

[φm=arctant2t1-arctant1t2] （9）

化簡得：

[φm=2arctant2t1+π2=2arctan1+C2C1+π2] （10）

[t1=1ω2ct2] （11）

[t2=secφm-tanφmωc] （12）

該鎖相環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)[9]為：

[G（s）=KdKoF（s）s] （13）

式中：[Ko]是VCO的壓控靈敏度，單位為rad/（s[?]V）；[Kd]為鑒相器的鑒相靈敏度，其單位為V/rad。

根據(jù)式（13）和式（4）以及環(huán)路帶寬的定義可以得出環(huán)路濾波器總的電容[A0，]即：

[A0=C1+C2=C1t2t1=Kd?KoN?ω2c?1+ω2ct221+ω2ct21] （14）

因此，其他元件的值也就很容易得出了：

[C1=A0t1t2] （15）

[C2=A0-C1] （16）

[R=t2C2] （17）

聯(lián)合式（15）～式（17），把器件參數(shù)設(shè)計條件代入就可求得符合設(shè)計要求的濾波器的參數(shù)值，[C1=]31.8 pF，[C2=]207.8 pF，[R2=]10.49 kΩ。

1.3 功率放大器設(shè)計

功率放大部分是微波無線傳輸發(fā)射端的重要組成部分。在發(fā)射端部分，鎖相環(huán)電路產(chǎn)生的微波信號的功率很小，必須進行功率放大，獲得足夠大的功率后，再輸送到發(fā)射天線發(fā)送到空間。本設(shè)計的功率放大器根據(jù)其工作頻帶、輸出功率等特點，功率放大電路可分為驅(qū)動放大部分和高功率放大部分兩部分。驅(qū)動放大電路著重于提升系統(tǒng)的增益，同時保證增益平坦度以及輸入輸出駐波，功放部分則主要保證輸出的功率。

根據(jù)鎖相環(huán)輸出信號，設(shè)計指標(biāo)為頻率5.8 GHz，輸入功率-10 dBm。所以驅(qū)動級功放芯片選用HMC407。HMC407是Hittite公司的GaAs工藝生產(chǎn)的微波高功率放大器，在5 V工作電壓P1dB輸出功率最大25 dBm，頻帶范圍為5～7 GHz，增益為15 dB。

高功率放大器的設(shè)計要求是將驅(qū)動放大器輸出功率放大到40 dBm左右，然后通過發(fā)射天線發(fā)送到自由空間。HMC1086F10是一款工作在2～6 GHz 25W GaN射頻與微波功率放大器，放大器提供典型小信號增益23 dB，飽和輸出功率44 dBm。

本文中驅(qū)動級芯片和高功率放大芯片均為集成功放芯片，其輸入輸出已經(jīng)進行預(yù)匹配，因此，輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)不需要自行設(shè)計。在電路原理圖設(shè)計中，先確定HMC407和HMC1086F10的典型電路，Hittite公司提供了兩芯片的典型應(yīng)用電路，如圖4（a），圖4（b）所示。

2 系統(tǒng)仿真及分析

2.1 鎖相環(huán)電路仿真與分析

鎖相環(huán)電路利用仿真軟件ADIsimPLL進行仿真[10]，選擇芯片ADF4106，確定輸出頻率為5.8 GHz，鑒相頻率為2 MHz，得到電路原理圖如圖5所示，由圖5可以看出，環(huán)路濾波器仿真得到的參數(shù)值與計算出的參數(shù)值基本一致。endprint

鎖相環(huán)時域、頻域曲線圖如圖6，圖7 所示，其中圖6為頻率?時間曲線圖，環(huán)路濾波器輸出相位誤差?時間曲線圖，圖7分別為閉環(huán)增益與相位噪聲曲線。從圖6可以看出，環(huán)路濾波器在時間[t>10 ]μs 后輸出頻率穩(wěn)定在5.80 GHz，[t>15 ]μs后相位誤差趨近于零，鎖相環(huán)對誤差電壓進行鎖定，所以該鎖相環(huán)能夠快速鎖定在5.80 GHz處；從圖7（a）可以看出，環(huán)路濾波器的閉環(huán)增益在頻率為200 kHz時增益大于0 dB，圖7（b）顯示了信號頻率在5.8 GHz時環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、參考晶振以及鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位噪聲，可以看出相位噪聲在頻率為5.80 GHz時小于-80 dBc/Hz，性能優(yōu)異。

2.2 功率放大電路的仿真與分析

根據(jù)廠家提供的典型電路，利用ADS軟件設(shè)計仿真電路，兩個芯片的模型都是由S2P文件代替，S2P文件中包含了芯片的[S]參數(shù)，而[S]參數(shù)則是原理圖仿真中各項數(shù)據(jù)變化的重要依據(jù)。為了達到系統(tǒng)的增益要求，以及能夠提供足夠的功率來驅(qū)動高功率放大器芯片，驅(qū)動級電路采用兩個HMC407芯片聯(lián)合使用。本文利用ADS的諧波仿真控件[11]，驅(qū)動級放大部分在頻率段5～7 GHz對電路進行掃描仿真，并將輸出功率作為高功率放大電路部分的輸入功率參數(shù)，在4～6 GHz頻率范圍內(nèi)進行掃描仿真，仿真圖如圖8所示。

可知，5.8 GHz時輸出功率[Pout=]37.751 dBm，由dBm與mW之間的換算公式得[Pout=]5.9 W，并且功率放大整體增益為53 dB，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié) 論

本文介紹了一個用于微波無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端的設(shè)計，可得出如下結(jié)論：

（1） 利用ADF4106設(shè)計的C波段微波振蕩源，微波頻率能夠直接達到5.8 GHz，省略了倍頻部分，精簡了電路結(jié)構(gòu)。

（2） 利用HMC407與HMC1086F10設(shè)計的功率放大器，使用單片集成功率芯片不需要復(fù)雜的電路匹配，又能達到本文功率的要求。

（3） 經(jīng)過仿真驗證，射頻信號源性能穩(wěn)定，能夠產(chǎn)生頻率及相位穩(wěn)定的5.8 GHz微波信號，輸出功率為-10 dBm，經(jīng)過功率放大器后功率能夠達到37 dBm，滿足設(shè)計要求。

參考文獻

[1] SHINOHARA N. Power without wires [J]. IEEE microwave ma?gazine， 2011， 12（7）： 64?73.

[2] MCSPADDEN J O， MANKINS J C. Space solar power programs and microwave wireless power transmission technology [J]. IEEE microwave magazine， 2002， 3（4）： 46?57.

[3] 李曉寧，吳蘇敏，劉洋，等.1 W微波無線輸電系統(tǒng)的發(fā)射端設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013（8）：70?72.

[4] DRUCKER Eric. Techniques for improving noise and spurious in PLLS [J]. Microwave journal， 2012， 55（5）： 110?122.

[5] BEESON Peter. Analyze phase noise in a sampled PLL [J]. Microwaves & RF， 2010， 49（2）： 64?72.

[6] 婁崇義，蘇瑩.C波段射頻功率放大器的設(shè)計[J].科技資訊，2013（34）：4?5.

[7] 袁浩，寧媛，崔陸月.集成電路中高速鎖相環(huán)的研究[J].現(xiàn)代機械，2014（6）：61?65.

[8] 童姣葉，李榮寬，何國軍.電荷泵鎖相環(huán)的相位噪聲研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016（1）：28?30.

[9] 潘焱，田華，魏安全.無線通信系統(tǒng)與技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[10] 高立俊.基于ADIsimPLL3.1的鎖相環(huán)環(huán)路濾波器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（15）：56?58.

[11] 張永慧，呂春明，汪邦金.一種S波段寬帶GaN放大器的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（10）：196?198.endprint