摘 要： 介绍了一种小功率(1 W)、2.45 GHz微波无线输电系统的发射端设计。直流电平经过锁相频率合成芯片ADF4360-0转换为S波段的2.45 GHz微波信号，ADF4360-0的寄存器配置由MSP430控制；2.45 GHz微波信号经过由功放芯片ERA-5SM及ADL5606组成的驱动级功率放大器将功率放大到1 W，加上喇叭天线即组成了小功率微波输电系统的发射端。利用矩形微带整流天线接收并整流微波信号，整流后的直流电平供给负载，便形成了完整的微波无线输电系统。详细分析了设计参数与方法，并进行了仿真及验证试验。
关键词： 锁相频率合成器； 功率放大器； ADF4360-0； ADL5606
在近年研究热点中，微波无线输电是一个既有难度又相当热门的方向。无线输电对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺等问题有重要意义。在利用微波实现无线输电的系统中，将直流电变换为微波信号(也就是频率源)以及提高微波信号功率是重要的研究部分[1]。本文利用以锁相环(PLL)为基础的频率合成技术来设计高性能的射频信号频率源，使用射频功放芯片设计1 W的驱动级功率放大器，加上标准增益矩形喇叭天线即组成了2.45 GHz微波无线输电系统的发射端，在无线输电研究中迈出一步。
锁相环是频率合成技术的基础，是建立在相位负反馈基础之上的闭环控制系统，锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。ADI公司的ADF4360系列芯片是一款性价比很高的内部集成VCO的锁相芯片，外接环路滤波器即可构成一个性能稳定的频率合成器。
使用单片集成的功率放大器芯片来设计驱动级功率放大器可以省去阻抗匹配环节,简化放大器的设计[2]。ERA-5SM与ADL-5606分别是Mini-Circuits公司与ADI公司的单片集成功率放大器芯片，结合这两款芯片在2.45 GHz可以得到30.2 dBm的P1dB输出。
1 原理与设计
1.1频率合成器电路、参数设计
在微波无线输电接收端是微带整流天线，而微带天线的相对带宽较窄，所以在发射端需要一个稳定的振荡源。ADF4360-0可以产生性能稳定的、噪声较低的微波信号。在设计中使用软件ADIsimpll、Altium Designer及IAR Systems进行电路设计、仿真及程序烧写的工作。
1.1.1 ADF4360_0芯片原理及特性简介
锁相频率合成的基本方法是:锁相环路对参考振荡器锁定，环内串接可编程的程序分频器，通过编程改变程序分频器的分频比N，进而得到N倍参考频率的稳定输出[3]。其基本的原理框图如图1所示。
锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。ADF4360-0是一款高集成度N个合成器集成VCO芯片，主要由数字鉴相器、电荷泵、R分频器、A/B计数器及双模前置P/P+1分频器等组成，输出频率范围为2 400 MHz~2 725 MHz，并可选择二分频，输出信号的功率可控制范围为-13 dBm～-6 dBm,鉴相器对R计数器与N计数器的输出信号进行相位比较， 得到一个误差电压。14 bit可编程参考R分频器对外部晶振分频后得到参考频率。该器件可以通过可编程6位A计数器、13位B计数器及双模前置分频器(P/P+1)来共同完成主分频比N(N=BP+A)。因此,设计时只需外加环路滤波器,并选择合适的参考值,即可获得稳定的频率输出,其输出频率为：
1.2 功率放大器设计
本文设计的驱动级功率放大器设计指标为：频率2.45 GHz，增益36 dB,输入功率-6 dBm,输出功率30 dBm，输入输出驻波比≤2.0。
由于单个功放芯片在2.45 GHz的频率上很难直接有36 dB的增益，所以需要联合使用两片功放芯片，以达到本文中的增益及输出功率的要求。在设计中使用ADS2009进行原理图仿真及Altium Designer进行PCB版图设计[6]。
ERA-5SM是Mini-Circuits公司的功放芯片,采用四引脚贴片式封装,工作频率区间为DC~4 GHz,在2.45 GHz时的典型增益为16 dB，P1dB为18.4 dBm，电压驻波比为1:1.3,最大电流120 mA。
ADL5606是ADI公司生产的16引脚LFCSP封装的单片集成功放芯片，工作频率为1.8 GHz~2.7 GHz，单电源5 V供电，典型工作电流362 mA，增益23.8 dB，P1dB为30.7 dBm。
2 实验
2.1频率合成器部分
2.1.1频率合成器电路设计
环路滤波器选择无源三阶滤波器(2R3C形式)，使用ADI公司提供的ADIsimpll确定滤波器2R3C的参数。选择芯片类型ADF4360-0，确定输出频率(2.45 GHz)与鉴相频率(1 MHz)，选择环路滤波器类型(2R3C)及带宽(20 kHz)后进行仿真。电路图如图2所示，仿真计算后得到环路滤波器参数各电阻、电容值为C1=680 pF,C2=10 nF,C3=330 pF,R1=2.4 kΩ,R2=5.1 kΩ。
ADIsimpll仿真后可以得到频域、时域曲线图，仿真结果表明时间t>100 μs后输出频率稳定在2.45 GHz，t>200 μs后相位误差为零。
ADF4360-0外部晶振选用高稳定度有源晶振，为芯片提供10 MHz的参考频率，晶振应接在芯片的参考时钟输入引脚CLK_ref。由单片机控制芯片锁存器，三个引脚分别为LE、Data及Clock。
2.1.2 控制软件设计
控制芯片选用MSP430低功耗单片机，三个I/O口接ADF4360-0的LE、Data及Clock三个引脚。ADF4360-0芯片的MUXOUT引脚为锁定检测端，通过对C寄存器的DB5、DB6、DB7三位编程。设计中设定MUXOUT在C寄存器中的控制位为“001”，锁相后该引脚输出高电平，LED灯被点亮，判定锁相。
对ADF4360_0芯片寄存器赋值顺序为R-C-N。C和N寄存器的赋值间隔应大于5 ms。根据所设置的参数与芯片数据手册，得到寄存器数据如表1所示。
使用固纬频谱分析仪GSP-827对本文设计的频率合成器进行测试，将其输出接口通过一个40 dB的同轴衰减器经转换接头接入频谱仪测量接口，由测量曲线图可知，此频率合成器实现了2.45 GHz的射频信号输出，经过40 dB衰减后电压幅度达到了77.0 dBuV左右，即合成器的输出功率达到-9 dBm左右，相位噪声及其他参数均达到了设计要求。
2.2 功率放大器仿真设计
安捷伦公司的ADS2009是微波/通信/射频/IC设计辅助工具，此软件极大地缩短了产品设计周期。在仿真原理图中，ADS没有集成ERA-5SM及ADL5606的原理图库模型，只能使用两种芯片的S2P文件，此文件在生产芯片厂家的官方网址上提供下载。
利用ADS的HB仿真控件在频率段1 GHz~3 GHz对电路进行扫描仿真。其中，SNP1与SNP2分别为ERA-5SM及ADL5606的S2P模型，C1与C7为隔直电容。设置S参数仿真控件扫描频率为1 GHz~3 GHz，步长10 MHz，调节C8与C10电容值大小，最后优化所得的功率-频率曲线如图3所示。此时C8为3.9 pF，C10为1.3 pF。
由仿真图3可知，2.45 GHz信号经过功率放大器后所得功率为30.711 dBm，符合本文的功放设计要求。
由于Altium Designer设计PCB要比ADS方便，并且此功放电路含有S2P文件,没有办法在ADS中进行layout与原理图联合仿真,所以在AD10中设计PCB再生成dwg文件导入ADS中进行完善,其PCB版图如图4所示。
2.3系统测试
将频率合成器与功率放大器电路连接，将矩形喇叭天线接入功率放大器的输出端，由于使用的GSP-827频谱仪的测量上限远小于30 dBm，故在天线与功放之间加入两个40 dB的同轴衰减器。将标准环形天线接入频谱仪的测量端，使用环形天线在距离喇叭天线20 cm左右的距离检测信号强度是95 dBuv即-12 dBm左右，换算后可知，在距离发射天线20 cm处检测到了28 dBm左右的微波信号。基于此功率，设计了一款矩形微带整流天线，即可构成一套小功率的微波输电系统。测试中得到了最高4.22 V、8.2 mA的直流电平。如果整流天线做成天线阵列，将会获得更多的功率输出，这也是将来的研究工作。
本文介绍了一个用于微波输电系统的发射端设计，其中发射端包含利用ADF4360-0设计的2.45 GHz微波振荡源，利用ADL5606与ERA-5SM设计的1 W驱动级功率放大器，一个标准增益矩形喇叭天线。利用标准环形天线、同轴衰减器及频谱仪进行了验证测试，所得结果均达到了设计要求；同时利用矩形微带整流天线，成功接收并整流微波信号，获得了最大4.22 V、8.2 mA的直流电平。在此后的工作中将设计微带整流天线阵列提高接收功率，并且在此基础上研究微波输电的效率及其安全性。
参考文献
[1] TOITAL M， YANAGIMOTO T， YAMAMOTO M, et al. Microwave power transmission for wireless tag[C].1999 Asia Pacific Microwave Conference.1999, 397-400 vol.2.
[2] 陈丽.2.4 GHz收发系统射频前端的ADS设计与仿真[J]. 现代电子技术, 2009(19):23.
[3] 秦娜，周胜源.射频锁相频率合成器的设计与仿真[J].电子设计工程,2011,19(8):97-99.
[4] 王宇舟.三阶锁相环环路滤波器参数设计[J].电讯技术,2008，48(9):51-55.
[5] 李慧芳，戴志平，李嵩斌. 低相噪频率合成器中环路滤波器仿真研究[J].空军雷达学院学报,2010，24(6):432-434.
[6] LUDWIG R,BRETCHKO P.射频电路设计-理论与应用[M]. 王子字，张肇仪，徐承和,等译.北京:电子工业出版社，2002.