馬延軍， 朱代先， 龐立華， 張 紅

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

射頻寬帶放大器設(shè)計(jì)在電子競(jìng)賽指導(dǎo)中的應(yīng)用

馬延軍， 朱代先， 龐立華， 張 紅

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

介紹了指導(dǎo)學(xué)生參與競(jìng)賽的過程中設(shè)計(jì)的若干射頻模塊和測(cè)試實(shí)例。這些射頻模塊的排列組合能夠完成若干競(jìng)賽題目，大大簡(jiǎn)化了學(xué)生完成題目的難度。通過對(duì)競(jìng)賽題目指標(biāo)進(jìn)行實(shí)踐測(cè)試及展示，使學(xué)生對(duì)射頻模塊的指標(biāo)有了直觀的認(rèn)識(shí)。由于所設(shè)計(jì)的射頻模塊具有很強(qiáng)的通用性，可廣泛應(yīng)用到競(jìng)賽指導(dǎo)上，極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，提高了教學(xué)效果。

射頻模塊； 電子競(jìng)賽； 射頻放大器； 功率放大

射頻電路是一門理論及實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。其以模擬電路及電磁場(chǎng)與電磁波為理論基礎(chǔ)，以各種專業(yè)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)工具為實(shí)踐對(duì)象，并涉及到電路板設(shè)計(jì)與制作等環(huán)節(jié)?？梢哉f，完成射頻功能電路的設(shè)計(jì)及測(cè)試工作能反映一個(gè)學(xué)生的綜合專業(yè)素養(yǎng)。

組織學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽，已經(jīng)成為培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的一個(gè)重要的途徑。組織學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽，并給予充分的有針對(duì)性的指導(dǎo)是指導(dǎo)教師面臨的一個(gè)重要任務(wù)。如何有效地提高培訓(xùn)效果是各位指導(dǎo)教師面臨的問題。由于競(jìng)賽涉及的知識(shí)面非常寬泛，涉及模擬電路、單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)、射頻及微波電路及各類開發(fā)工具等，很難在短時(shí)間內(nèi)給予足夠指導(dǎo)。因此，在指導(dǎo)學(xué)生參加競(jìng)賽的過程中采取了針對(duì)性很強(qiáng)的面向題目的指導(dǎo)。具體來講，就是以往年的題目為培訓(xùn)內(nèi)容，一步一步教給學(xué)生如何達(dá)到要求的指標(biāo)參數(shù)。由于一個(gè)題目往往包含了各類具體的專業(yè)工具及專業(yè)知識(shí)，通過這些有針對(duì)性的訓(xùn)練，使學(xué)生能夠很快地得到解決問題的思路及解決這些問題的方法。后期，進(jìn)一步通過單元訓(xùn)練及模擬訓(xùn)練，使學(xué)生積累一定的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。這些經(jīng)驗(yàn)及技能也是學(xué)生將來作為一位專業(yè)工程師所必備的專業(yè)素養(yǎng)。這種訓(xùn)練在某種程度上也是一種專業(yè)綜合培訓(xùn)，大大提高了學(xué)生的綜合專業(yè)素養(yǎng)，增加了學(xué)習(xí)興趣。

1 射頻模塊設(shè)計(jì)及測(cè)試實(shí)例

1.1 射頻寬帶放大器模塊設(shè)計(jì)

射頻寬帶放大器能考驗(yàn)學(xué)生的綜合分析設(shè)計(jì)能力。同時(shí)，此題目設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容實(shí)際上在各類測(cè)量?jī)x器設(shè)備中廣泛使用[1-9]。比如2015年全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽題目“增益可控射頻寬帶放大器”，此題目的關(guān)鍵要求是頻帶覆蓋很寬，3 dB帶寬覆蓋到40～200 MHz，增益要求大于52 dB且輸出功率要高于19 dBm。簡(jiǎn)單的幾個(gè)指標(biāo)使設(shè)計(jì)工作難度大大提高。一方面，很難找到一款芯片直接滿足如此大功率及高頻寬要求；另一方面，高增益給系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提出了很高的要求。此題目的方案設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。圖1是本實(shí)例的功能單元圖，分別由VCA821模塊、OPA695模塊、由2片OPA695芯片構(gòu)成的功放模塊及單片機(jī)控制模塊組成，這些模塊可用到其他競(jìng)賽題目中。

圖1 增益可控射頻放大器功能單元

1.2 VCA821及OPA695模塊

VCA821芯片是TI公司的一款可變?cè)鲆娣糯笃?，此芯片具有較大的工作帶寬及較大的增益調(diào)整范圍，比如20 dB增益時(shí)，其帶寬達(dá)到300 MHz以上。一個(gè)VCA821芯片即可達(dá)到增益控制要求，但是其最大增益不能太大，否則會(huì)影響其頻寬響應(yīng)。本文設(shè)計(jì)VCA821使其增益在-36 dB～16 dB可調(diào)，通過控制VCA821的控制電壓即可控制其增益，此芯片外圍電路比較簡(jiǎn)單。OPA695芯片也是TI公司推出的一款射頻寬帶運(yùn)算放大器，這里作為固定增益放大，設(shè)置其增益為20dB左右，能基本滿足頻寬要求[5-7]。VCA821及OPA695組合，其增益可控范圍在-16 dB～36 dB之間。圖2是由VCA821及OPA695組成的射頻模塊實(shí)物圖。

圖2 VCA821及OPA695模塊實(shí)物圖

1.3由2片OPA695組成的射頻功率放大器模塊

此題目難度最大的是如何滿足高功率寬帶輸出。由于單一芯片很難滿足此題目要求，因此，此模塊的方案設(shè)計(jì)直接反映了學(xué)生的綜合專業(yè)水平。這里采取了由2片OPA695組成的功率合成電路，使輸出功率大于20 dBm，能滿足題目要求。同時(shí)，在大功率輸出的情況下，為了滿足頻寬要求，其最大增益不能太高[8-9]。本文設(shè)計(jì)的電路采取了12 dB增益放大，基本滿足帶寬要求。圖3是所設(shè)計(jì)的射頻寬帶功率放大器模塊實(shí)物圖。

圖3 射頻功率放大器模塊實(shí)物圖

2 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)例

對(duì)此射頻模塊的測(cè)試，最好的方案是采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，該儀器可以測(cè)試增益帶寬及輸入輸出阻抗等全部指標(biāo)[10-14]。當(dāng)然，也可以采用頻譜儀加跟蹤源的方式，此方式測(cè)量增益帶寬精度沒有問題，但不能測(cè)量輸入輸出阻抗。

2.1 VCA821及OPA695模塊測(cè)試結(jié)果

圖4是VCA821及OPA695組合模塊的S參數(shù)測(cè)試圖。測(cè)試頻率范圍為40 MHz～2 GHz，S11反映輸入阻抗匹配情況，S22反映輸出阻抗匹配情況。測(cè)試表明, 在500 MHz以下頻段均得到了良好的匹配。S21為傳輸參數(shù)測(cè)試情況，反映了放大器增益及相位響應(yīng)[10-11]。由圖右邊的標(biāo)記可見，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：在40 MHz時(shí)放大器的增益最大為38.6 dB，在417 MHz時(shí)放大器的最大增益為35.6 dB?？梢?，放大器的3 dB帶寬達(dá)到了360 MHz，完全滿足項(xiàng)目要求。

圖4 VCA821及OPA695模塊測(cè)試結(jié)果

2.2 功率放大器模塊測(cè)試

圖5是功率放大器模塊的S參數(shù)測(cè)試圖。由圖中S11及S22參數(shù)可見，在360 MHz以下取得了良好的匹配。由圖中S21參數(shù)可見，在40 MHz時(shí)候功率放大器增益為19 dB，在360 MHz時(shí)候，功率放大器增益下降到16.2 dB?？梢?，其3 dB帶寬達(dá)到了300 MHz以上，完全滿足題目要求[11-14]。

圖5 射頻功放模塊測(cè)試結(jié)果

2.3 聯(lián)合測(cè)試

圖6是寬帶放大器的組合測(cè)試結(jié)果。這里僅僅測(cè)試了S21傳輸參數(shù)，重點(diǎn)觀察其增益參數(shù)。由圖可見，在40 MHz時(shí)其增益為57.7 dB，在201 MHz時(shí)其增益為54.6 dB。其3 dB帶寬也滿足了題目要求,且最大增益達(dá)到了57 dB。

圖6 寬帶放大器組合測(cè)試

3 結(jié)語

在指導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽的時(shí)候，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了相關(guān)模塊，讓學(xué)生自己動(dòng)手做出滿足項(xiàng)目要求的模塊。通過這些直觀的展示，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,學(xué)生動(dòng)手能力得到提高，實(shí)踐技能得到充分的鍛煉。

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Application of design on RF wide-band amplifier in guidance for electronic competitions

Ma Yanjun, Zhu Daixian, Pang Lihua, Zhang Hong

(College of Communication and Information Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Several RF (radio frequency) modules designed to guide students to participate in the competitions and the real test examples are introduced. The arrangement and combination of these RF modules can complete a number of competition topics, greatly simplifying the difficulty for the students to finish these topics. Through the practical test and demonstration of the competition indexes, the students have an intuitive understanding of the indexes of the RF module. As the design of the RF module has a strong versatility, it can be widely applied to the competition guidance, greatly raising the students’ learning efficiency, and improving the teaching effect.

RF module；electronic competition； RF amplifier； power amplification

TN722；G642

A

1002-4956(2017)10-0094-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.024

2017-04-06

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016JM6086);陜西省高等教育改革項(xiàng)目(15BY50);西安科技大學(xué)2016年度校級(jí)教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目(JG16037, JG14100);西安科技大學(xué)教育教學(xué)改革與研究(JG16038，JG14069，GJY-2013-ZD-1)

馬延軍(1978—)，男，山東萊蕪，博士，講師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與射頻通信電路.

E-mail：bj_ma@126.com