2.4GHZ射频前端设计
2.4GHz射频功率放大器的设计
毕业论文（设计）论文（设计）题目：2.4GHz射频功率放大器的设计目录中文摘要 (1)Abstract (2)第一章绪论 (3)第二章理论基础 (5)2.1 二端口网络 (5)2.2 技术指标 (6)2.2.1 输出功率 (7)2.2.2 功率增益 (8)2.3 匹配网络 (9)2.3.1共轭匹配 (11)2.3.2负载牵引 (11)2.4 传输线理论简介 (12)2.5 ADS软件简介 (12)第三章电路设计 (14)3.1器件选型和功率分配 (14)3.1.1器件选型 (14)3.1.2 功率和增益分配 (14)3.2 单级放大器设计 (15)3.2.1功率级（Power stage）设计 (15)3.2.2驱动级（Driver stage）设计 (23)3.2.3 两级功率放大器系统设计 (26)第四章总结与展望 (29)谢辞 (30)参考文献 (31)附录翻译 (33)中文摘要近年来，RFID技术的应用在全球掀起一场热潮。
2.4G技术标准由于它的广泛应用，更是成为技术和市场领域的宠儿。
RFID最重要的部分是发射机，而射频功率放大器作为发射机的核心部件，它的性能是制约整个RFID系统性能和技术水平的关键因素。
本文介绍了基于ADS用于RFID系统的2.4GHz射频功率放大器的硬件电路设计方法。
整个系统以MOSFET器件为核心功放晶体管，在2.4GHz、工作电压为3.3V 条件下，采用两级功放级联方式，前端驱动级工作于小信号状态，为后端提供高功率增益，后端功率级工作于大信号，提供高功率输出。
级联之后的效果是实现了27dB功率增益和高达近27dBm功率输出。
该系统主要应用于超高频射频识别读写器系统。
本文深入探讨了整体硬件电路的设计方案，详细阐述了电路设计的原理和方法，最后给出了具体的实现过程。
关键词：GaAs FET；RFID；ADS；2.4G无线系统；射频功率放大器AbstractIn recent years, RFID technology has led to a boom in the world. 2.4G technology standard has become a cosset of the technology and market field, just because of its wide range of applications. Transmitter is the most important part of the RFID system. As the core component of a transmitter, the performance of RFPA becomes to the key factor restricting capability and technical level of the whole RFID systemThis paper introduces a method of 2.4GHz RFPA hardware circuit designing used in RFID system based on ADS. The entire system using MOSFET component as the core power transistor contains two-stage cascade amplifiers working in 3.3V supply voltage, 2.4GHz. The driver-level works in small-signal state, providing high power gain for the back-end; power-level works in large-signal state, providing high output-power for the load. The effect after cascade is to achieve a 27dB power gain and a 27dBm output-power.We discuss the blue print of the overall hardware circuit design in this paper, expatiate the principles and methods of circuit design in detail, and finally give a concrete realization of the process.Key words: GaAs FET; RFID; ADS; 2.4G wireless system; RF Power Amplifier第一章绪论随着人类社会进入信息时代，无线通信技术有了飞速的发展，尤其是射频微波通信技术的产生和发展无疑对无线通信技术的发展起到了决定的作用。
2.4GHz收发系统射频前端的ADS设计与仿真
2.4GHz收发系统射频前端的ADS设计与仿真0 引言近年来，随着无线通信业务的迅速发展，通信频段已经越来越拥挤。
1985 年美国联邦通信委员会(FCC)授权普通用户可以使用902MHz，2．4GHz和5．8GHz 三个“工业、科技、医学”(ISM)频段。
ISM 频段为无线通信设备提供了无需申请在低发射功率下就能直接使用的产品频段，极大地推动了无线通信产业的发展。
虽然目前无线数字通信技术已经相当成熟，但射频设计仍然是移动通信设计的瓶颈。
射频电路的设计主要围绕着低成本、低功耗、高集成度、高工作频率和轻重量等要求而进行。
ISM 频段的射频电路的研究对未来无线通信的发展具有重大的意义。
国内外许多文献都对此作了研究，文献[2]中介绍了在无线高速数据通信环境下，2．4GHz 发射机的设计。
文献[3]介绍了一种低功耗的CMOS 集成发射机的设计。
ADS(AdvancedDesignSystem)软件是Agilent 公司在HPEESOF 系列EDA 软件基础上发展完善的大型综合设计软件。
它功能强大能够提供各种射频微波电路的仿真和优化设计广泛应用于通信航天等领域。
本文主要介绍了如何使用ADS 设计收发系统的射频前端，并在ADS 的模拟和数字设计环境下进行一些仿真。
l 发射端的建模与仿真由于设计是建立在实验室中已有的中频调制和解调的硬件基础上的，因此发射端和接收端不考虑信号的调制和解调过程。
实验室中的中频调制模块可以输出大概8～10dBm 的40MHz 已调中频信号，经过分析选择，该发射端的各个模块均参考MAXlM 公司的集成模块的参数而设计。
本地振荡器采用的是MAX2700。
MAX2700 是压控振荡器，通过设计合适的外围电路可以使它输出2．4GHz的信号。
混频器采用的是MAX2660，MAX2660是有源混频器，可以提供一定的增益。
功率放大器采用的是MAX2240，MAX2240的最大输出功率是15．3dBm。
nRF24L01的工作原理
nRF24L01的工作原理nRF24L01是一种低功耗2.4GHz无线收发器，广泛应用于无线通信领域。
它采用射频芯片nRF24L01+，具有高度集成的特点，能够提供可靠的无线通信连接。
本文将详细介绍nRF24L01的工作原理，包括硬件结构和通信协议。
一、硬件结构nRF24L01由射频前端、基带处理器和外设接口组成。
1. 射频前端：射频前端包括射频收发器和天线开关。
射频收发器负责无线信号的调制、解调和放大，天线开关用于切换天线的收发模式。
2. 基带处理器：基带处理器负责控制射频前端的工作状态，包括发送和接收数据。
它还负责处理数据的编码、解码和差错校验。
3. 外设接口：nRF24L01提供了多种外设接口，包括SPI接口、GPIO接口和中断接口。
SPI接口用于与主控芯片进行通信，GPIO接口用于控制外部设备，中断接口用于处理外部中断信号。
二、通信协议nRF24L01采用2.4GHz的ISM频段进行无线通信，支持多种通信协议，如SPI、I2C、UART等。
其中，最常用的是SPI通信协议。
1. SPI通信协议：nRF24L01通过SPI接口与主控芯片进行通信。
SPI通信协议包括四根信号线：SCK（时钟信号）、MISO（主从数据传输）、MOSI（从主数据传输）和CSN（片选信号）。
主控芯片通过SPI接口向nRF24L01发送控制命令和数据，nRF24L01通过SPI接口将接收到的数据传输给主控芯片。
2. 数据传输：nRF24L01支持点对点和广播两种数据传输模式。
在点对点模式下，一个nRF24L01作为发送端，另一个nRF24L01作为接收端。
发送端将数据通过SPI接口发送给接收端，接收端通过SPI接口接收数据并进行处理。
在广播模式下，一个nRF24L01作为发送端，多个nRF24L01作为接收端。
发送端将数据广播给所有接收端，接收端通过SPI接口接收数据并进行处理。
三、工作原理nRF24L01的工作原理可以分为发送和接收两个过程。
2.4ghz接收机射频前端的分析与设计
1 绪论1 绪论 1.1 课题背景及其意义 近年来，移动通信产业的快速发展带动了无线通信技术及其研究的发展，也使宽带无线接入技术得到了快速发展和应用，如无线局域网、蓝牙技术（Bluetooth）等。
同时，无论是电信市场的开放，还是通信与信息产业技术的快速发展，都在促使各种高速率的宽带接入不断涌现。
宽带接入凭借其建设速度快、运营成本低以及投资成本回收快等优点正越来越受电信运营商的青睐。
这也促进了宽带接入技术的迅速发展，如各种微波、无线通信领域的先进技术不断引入，各种宽带固定无线接入技术不断涌现。
宽带固定无线接入技术一方面充分利用过去未被开发或者应用还不广泛的频率资源，另一方面，凭借微波和有限通信领域成功运用的先进技术可以实现更大的频谱利用率等功能。
由于频谱资源是不可再生资源，所以有限的频谱资源是影响现代无线通信发展的一个重要因素。
为了促进无线局域通信的发展，各国都采取了相应的措施以保证正常通信并合理利用频谱资源。
1985年美国联邦通信委员会开放了9.02GHz、5.8 GHz及2.4 GHz三个ISM频段，允许在低发射功率下无照使用这些频段。
欧洲无线电委员会也于1991年公布了一组无线局域网建议频段：2.4 GHz、5.8 GHz、17.1 GHz、24 GHz和60.2 GHz ISM频段。
而我国无线电委员会也规定了2.4 GHz~2.5 GHz频段用于未来移动通信和无线接入应用。
这些规定的出台无疑大大地促进了无线通信的发展，如无线局域网、蓝牙、家用射频(Home RF)、通用分组无线业务、各频段的无线接入以及本地多点分配业务(LMDS)等主流无线通信系统正在蓬勃发展并被越来越广泛地运用。
而这些频段都处在较高的射频段，因此，对该频段无线通信接收机射频前端电路的研究也越来越重要。
接收机作为通信系统的重要部分，正面临着高工作频率、高集成度、低电压、低功耗以及低价格的挑战。
然而要提高接收机的集成度，关键是要提高接收机的模拟射频前端的集成度。
2.4GHz E类射频功率放大器的设计
图 ２为理想 Ｅ类功率放大器两端 电压 、电流 的
波形图 。
为 了使 该功率放 大器的效率达 到 １ ０ ０ ％， 该功率放大器 的瞬态响应网络应该满足 以下三 个条件： （ １ ）晶体 管导通 时，晶体管两 端的 电压
必 须 为 零 ，即 晶体 管 的瞬 态 响 应 网 络 应 在 晶体
并且趋 向于零 。当晶体管断开时，晶体管 电压
虽然 有 点 高 ，但 无 电 流 通 过 晶 体 管 ， 从 而 达 到 减 小耗 散 功 率 的 目 的 。Ｅ类 功 率 放 大 器 就 是 按
照 电压 与电流 不重叠出现而设计出来的，使得 在任 意时刻，电压与电流的乘积为零，即耗散 功 率为零 。图 ｌ 为 Ｅ类功率放大器的拓扑结构
键 词 】Ｅ类 功 放 ２ ． ４ Ｇ Ｈ ｚ 伪 差分 饱和输
， 率
提 供 直 流 偏 置 ， 电 容 ｃｌ为 外 加 电容 和 晶 体 管
电疆
Ｃ ａ ）
寄生 电容之 和 ，电感 Ｌ ２和 电容 Ｃ ２构成滤 波 谐振 网络，该 谐振 网络谐 振频率 为 ２ ． ４ Ｇ Ｈｚ 。 Ｒ。 为从晶体管获得最大 功率 的最佳匹配负载 。 Ｅ类射频功率放大器 由单个 晶体 管和负载匹配
流 才 不 会 发 生 重 叠 ，从 而 保证 其 １ ０ ０ ％ 的 效率 。 根 据 以上 三 点 ，可 以列 出微 分 方 程 。通 过 对 微 分 方 程 进 行 解 析 ，可 以得 出 Ｅ类 功 率 放 大 器 负
，
图３ ：反 相 器驱 动 级 电路 图
：
—
，
ｊ 可穿戴系统等 ，Ｅ类射频 功率 放大器的效
图。 该 拓 扑 机 构 由 Ｇｒ ｅ ｂ ｅ ｎ ｎ ｉ ｋ ｏ ｖ在 ２ ０ ０ ２年 提 出 ， 经过 ｌ ０余 年 的 发 展 ，该 放 大 器 以 其 效 率 高 ， 可 设计 性 强等 优 点而 被 广 泛 应 用 。
2.4G射频双向功放电路设计
2.4G射频双向功放电路设计在两个或多个网络互连时，无线局域网的低功率与高频率限制了其覆盖范围，为了扩大覆盖范围，可以引入蜂窝或者微蜂窝的网络结构或者通过增大发射功率扩大覆盖半径等措施来实现。
前者实现成本较高，而后者则相对较便宜，且容易实现。
现有的产品基本上通信距离都比较小，而且实现双向收发的比较少。
本文主要研究的是距离扩展射频前端的方案与硬件的实现，通过增大发射信号功率、放大接收信号提高灵敏度以及选择增益较大的天线来实现，同时实现了双向收发，最终成果可以直接应用于与IEEE802.11b/g兼容的无线通信系统中。
双向功率放大器的设计双向功率放大器设计指标：工作频率：2400MHz～2483MHz最大输出功率：+30dBm（1W）发射增益：≥27dB接收增益：≥14dB接收端噪声系数：< 3.5dB频率响应：<±1dB输入端最小输入功率门限：<?15dB m具有收发指示功能具有电源极性反接保护功能根据时分双工TDD的工作原理，收发是分开进行的，因此可以得出采用图1的功放整体框图。
功率检波器信号输入端接在RF信号输入通道上的定向耦合器上。
当无线收发器处在发射状态时，功率检波器检测到无线收发器发出的信号，产生开关切换信号控制RF开关打向发射PA通路，LNA电路被断开，双向功率放大器处在发射状态。
当无线收发器处在接收状态时，功率检波器由于定向耦合器的单方向性而基本没有输入信号，这时通过开关切换信号将RF 开关切换到LNA通路，PA通路断开，此时双向功率放大器处在接收状态。
下面介绍重点部位的设计：发射功率放大（PA）电路发射功率放大电路的作用是将无线收发器输入功率放大以达到期望输出功率。
此处选择单片微波集成电路（MMIC）作为功率放大器件，并采用两级级联的方式来同时达到最大输出功率与增益的要求。
前级功率放大芯片选择RFMD公司的RF5189，该芯片主要应用在IEEE802.11b WLAN、2.4GHz ISM频段商用及消费类电子、无线局域网系统、扩频与MMDS 系统等等。
24GHz射频前端频率合成器设计
第48卷第1期（总第187期）2019年3月火控雷达技术Fire Control Ｒadar TechnologyVol.48No.1（Series 187）Mar.2019收稿日期：2018-10-24作者简介：饶睿楠（1977－），男，高级工程师。
研究方向为频率综合器及微波电路技术。
24GHz 射频前端频率合成器设计饶睿楠王栋余铁军唐尧（西安电子工程研究所西安710100）摘要：随着微波射频集成电路集成度越来越高，24GHz 频段的高集成雷达收发芯片逐渐大规模使用。
其中英飞凌科技公司的24GHz 锗硅工艺高集成单片雷达解决方案就是其中具有代表性的一种，被大量应用在液位或物料检测、照明控制、汽车防撞、安防系统。
FMCW 为此种应用最多采用的信号调制方式。
本文采用锁相环频率合成方案，产生系统所需的FMCW 调制信号。
关键词：24GHz 射频前端；FMCW ；频率综合器BGT24AT2ADF4159中图分类号：TN95文献标志码：A 文章编号：1008－8652（2019）01－066－04引用格式：饶睿楠，王栋，余铁军，唐尧．24GHz 射频前端频率合成器设计［J ］．火控雷达技术，2019，48（1）：66－69．DOI ：10．19472/j．cnki．1008－8652．2019．01．014Design of a Frequency Synthesizer for 24GHz ＲF Front EndsＲao Ｒuinan ，Wang Dong ，Yu Tiejun ，Tang Yao（Xi'an Electronic Engineering Ｒesearch Institute ，Xi'an 710100）Abstract ：With the increasing integration of microwave and radio-frequency integrated circuits ，highly integratedradar transceiver chips in 24GHz band have gradually found large-scale applications．Among those chips ，Infineon's24GHz SiGe monolithic radar solution is a typical one．It has found wide applications in liquid （or material ）detec-tion ，lighting control ，automotive collision avoidance ，and security systems．FMCW is the most widely used signal modulation method in these applications．This paper uses PLL frequency synthesis scheme to generate FMCW mod-ulation signals required by the system．Keywords ：24GHz ＲF front end ；FMCW ；frequency synthesizer ；BGT24AT2；ADF41590引言24GHz 频段雷达大量用于液位检测、照明控制、汽车防撞、安防等领域。
2.4GHz接收机模拟前端的设计与实现(硕士论文)
分类号密级U D C 编号10486武汉大学硕士学位论文2.4GHz接收机模拟前端设计与实现研究生姓名：学号：指导教师姓名、职称：学科、专业名称：电子与通信工程研究方向：雷达接收机二零一二年四月摘要由于射频部分要处理的是宽带的高频模拟信号，如何实现高频时的匹配和满足实际的性能指标是本课题设计的难点，本文对2.4GHz宽带接收机模拟前端进行研究，基于max2829的RF方案，完成了模拟前端的具体实现，最后结合项目实际需要对超外差二次变频方案进行了设计和仿真。
首先，简单介绍了2.4GHz接收机的背景、意义及其研究现状。
其次，基于2.4GHz接收机技术，介绍了常用接收机结构，分析了这些接收机的优缺点及其适用场合，然后介绍了接收机模拟前端的主要技术指标。
再次，根据常用接收机的结构和实际的设计需要，给出了本文基于max2829的2.4GHz接收机模拟前端的结构，在理论上分析了所采用的接收机的性能指标，并实现了接收机模拟前端和对模拟前端的调试。
测试结果表明该系统基本满足了基带对模拟前端的要求。
最后，结合超外差二次变频接收机结构的优点，对超外差二次变频方案进行设计与仿真，对关键模块作了深入的理论分析，给出了其性能参数及其设计方法，并使用ADS2011对接收机系统中的关键模块进行了设计和仿真。
关键词：接收机模拟前端零中频低噪声放大器目录摘要 (I)ABSTRACT .......................................... 错误！未定义书签。
第一章绪论 .. (1)1.1研究背景与意义 (1)1.2 2.4GHz模拟接收机发展现状 (2)1.3主要内容与章节安排 (3)第二章模拟接收机 (4)2.1 模拟接收机的结构 (4)2.1.1 超外差式接收机 (4)2.1.2 零中频结构接收机 (6)2.1.3 低中频接收机 (8)2.1.4 镜像抑制接收机 (10)2.1.5 数字中频接收机 (11)2.2 接收机的主要技术指标 (12)2.2.1 噪声系数 (12)2.2.2 接收机灵敏度 (13)2.2.3 接收机选择性和线性度 (14)2.2.4 接收机的动态范围 (20)第三章基于max2829模拟前端的设计 (22)3.1 接收机模拟前端电路结构 (24)3.2 理论指标的计算 (25)3.3 模拟前端与天线的匹配电路设计仿真 (27)3.3.1 阻抗匹配的重要性 (27)3.3.2 匹配的基本原理 (28)3.3.3 匹配电路ADS的仿真 (30)第四章基于max2829模拟前端的具体实现 (33)4.1 电路原理图的设计 (33)4.2 PCB的设计要点 (34)4.3电路测试 (37)4.3.1 测试工具设备介绍 (37)4.3.2 测试及其结果分析 (38)第五章超外差结构接收机模拟前端设计 (41)5.1 超外差结构接收机系统的方案设计 (41)5.1.2 超外差结构接收机的指标分配 (42)5.1.3 超外差结构接收机系统性能仿真 (43)5.2 超外差接收机射频前端关键模块的设计与仿真 (45)5.2.1低噪声放大器的设计 (45)5.2.2 射频带通滤波器的设计 (50)第六章总结和展望 (52)参考文献 (53)致谢 (57)第一章绪论1.1研究背景与意义近几年来，随着无线通信的蓬勃发展，使得无线通讯技术的研究也日渐深入。
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2.4GHz ISM射频前端模块的设计及应用
2.4GHz工业科学医疗设备(ISM)是全世界公开通用使用的无线频段，蓝牙( Bluetooth)、 Wi-Fi、ZigBee等短距离无线数据通信均工作在2.4GHz ISM频段。
针对2.4GHz ISM频段无线应用，锐迪科微电子公司推出了RDA T212射频前端模块。
T212芯片集成了功率放大器( PA)、低噪声放大器( LNA)、天线开关(Antenna Switch)和功率检测器(Power Detector)，并特别增加PA带通及LNA带通的省电功能，内部还针对天线端做了 ESD保护设计。
T212芯片采用标准的 QFN 3×3mm2超小型封装，输入和输出已集成隔直电容和匹配电路，外围元件仅需少量滤波电容，极大地简化了PCB设计。
高集成度、超小尺寸并提供省电功能的T212射频前端模块，在手机蓝牙以及802.11.b/g扩展应用中大有可为。
同时，T212芯片还具有优异的线性度，支持Bluetooth 2.0的高速率应用。
T212模块的性能
T212射频前端模块内集成的功率放大器采用先进的砷化镓异质结双极晶体管( GaAs HBT)工艺制造，低噪声放大器和天线开关采用增强型高电子迁移率场效应晶体管( E-PHEMT)工艺制造。
尽管没有采用差分PA的形式，但是T212依然为客户提供了差分输入管脚，从而使客户不需要再关心差分转单端的设计。
T212集成的功率放大器是一款高线性高效率PA，在2.4GHz~2.5GHz频段内有20dB增益，线性输出功率为18dBm时的三阶交调IM3小于-30dBc。
PA的静态工作电流可低至10mA，饱和输出功率可达23dBm，功率附加效率高达45%，这么高的效率有助于延长供电时间。
图1：T212射频前端模块的功能模块图。
T212集成的低噪声放大器具有很高的线性度，在2.4GHz~2.5GHz频段内有10dB增益，工作电流仅4.5mA，噪声系数小于2.6dB(已包括开关损耗)，输入三阶交调点IIP3高达+8dBm。
模块内的LNA bypass 功能，既可作为省电模式，又能增大接收机的动态范围。
T212模块提供了PA 带通及LNA带通的省电功能。
无需硬件改动，仅通过改变控制逻辑，即可在正常工作模式和bypass省电模式间自由切换。
在蓝牙1类应用时，模块可以在0dBm输入条件下提供20dBm的输出功率；在蓝牙2类应用时，该模块又可切换到PA带通状态，此时不消耗电流。
T212集成了功率检测，通过测量PD端电压可以检测功放的输出功率。
该模块采用了QFN 3×3mm2超小型封装，输入和输出已经在内部匹配到50欧姆，客户应用时不需要在PCB板上设计匹配电路，使得PCB板设计更加容易。
功率放大器的输出谐波已经抑制到-50dBc以下，应用时外部通常已不需要滤波器。
这样模块外部仅需少量滤波电容，缩小了PCB板尺寸，并降低了系统成本，极适合对器件尺寸有特殊要求的手机蓝牙应用。
T212芯片的无线应用
1)蓝牙应用：T212支持蓝牙Bluetooth class1和class2应用。
应用于Bluetooth class1时，T212集成的功率放大器提供20dBm的输出，可以扩展蓝牙设备的有效传输距离至100米；T212的低噪声放大器的噪声系数小于2.6dB，可以很大的提高接收链路的灵敏度。
应用于Bluetooth class2时，T212通过改变控制逻辑，即可自动切换到bypass省电模式，此时不消耗电流。
2)Wi-Fi应用：T212的高集成度和低功耗优点，极适合手机Wi-Fi应用。
功率放大器的静态工作电流可低至10mA，低噪声放大器的工作电流仅4.5mA。
T212应用于802.11g OFDM时，可输出功率15dBm，消耗电流60mA。
芯片还集成了功率检测电路，提供完整的功率检测方案。
3)其他工业应用：T212还可以广泛使用在其他2.4GHz ISM频段的无线应用上，包括2.4G无线数字影音传输模块、手持终端PDA、智能玩具、自动化数据采集系统、工业无线控制等应用。
对于无线设备而言，暴露在外界的天线端最容易遭受ESD损坏，T212内部针对天线端做了ESD保护设计，人体模式下可抗静电8000V，极大的增强了工业设备的安全性。
WLAN/WiMax应用扩展
针对更高功率的 WLAN/ WiMax应用，锐迪科还推出了工作在2.3~2.7GHz频段的W260功放芯片，在3.3V 电源工作时可输出线性功率26dBm @ -30dBc IM3，在5.0V电源工作时可输出线性功率29dBm@ -30dBc IM3。
同时，用于5.8GHz WLAN的功放芯片W560也正在开发中，预计近期即可提供样片。
这样，锐迪科可以提供2.4G ISM频段，涵盖Bluetooth和Wi-Fi等低功率射频模块到WLAN/WiMax等高功率放大器芯片的全套解决方案，充分满足客户的各种应用需求。