2.4~2.5GHzISM频段WLAN用CO设计

2006-05-07 15:50:06来源: 电子产品世界

(WLAN)RF接口标准的建立。未经校准的2.4~2.5GHz ISM频段已被指定有于WLAN。表1示出在世界不同地域用于WLAN的频率分配。在美国,IEEE802.11为WLAN规定了两个RF物理层接口:直接时序扩频(Direct Sequence Spread Spectrum——DSSS)和跳频扩频(Frequency Hopped Spread Spectrum——FHSS)。

    DSSS利用一种11位Barker码,对信息的每一位在单信道内进行扩频。IEEE标准分配了11个信道,每个信道22MHz宽,在83.5MHz频段中心频率之间的间隔为5MHz。这会导致信道所占频率的重叠。

表1 世界各地对2.4GHz频段的频率分配

区域 被分配的频段(GHz)
  美国  欧洲

  日本

  法国

  西班牙
2.4~2.4835

2.471~2.497

2.4465~2.4835

2.445~2.475

    FHSS有75个信道,每个信道宽1MHz。发送器和接收器至少每400ms按照预定跳频时序跳频一次。跳频时序被设计成把功率均匀地扩展到ISM波段。

    在典型的DSSS接口结构(见图1)中,RF信号通过一个天线分集开磁(以开关可用Alpha公司的共阻极SMP1320-074 PIN二极管设计)。信号通过带通滤波器和T/R开关(此开关可用Alpha公司的PIN二极管SMP1320-079和SMP1322-0173设计)。在上下变频器(IntersilHFA3683)中,RF信号被变换为374MHz的IF信号。IF信号进入第二个下/上变频器(IntersilHFA3783),并进一步变换到基带IC输入/输出接口范围。此结构中的RF和IF本地振荡器使用外部VCO(压控振荡器)。在所选择的频率设计中,RF VCO工作范围是2.06~2.1096MHz、IF VCO工作在固定的748MHz频率上。

    本文根据上面所说的频率则划给出2.4~2.4835GHz WLAN用的RF和IF VCO设计。尽管此设计是针对特定的RF系统,但本设计可应用于大多数WLAN系统。

VCO性能指标

    在图1所示的频率则划中,RF VCO频率范围是2.026~2.1095GHz。实际上,特定的VCO设计的调谐范围应该展宽到能包含对频率有影响的因数。这些因数包括温度变化、元件值变化、老化和湿度。表2示出调谐范围如何扩展才能满足这些因数。我们假定VCO温度灵敏度是+0.1%/10℃,这对于无补偿RF VCO设计是典型值。

表2 RF VCO调谐范围容限

参量范围 余度% 调谐范围(GHz)
Min                     Max
工作范围   2.026 2.1095
温度 +0.7 2.026 2.1243
(+15℃~+85℃)      
元件值变化 ±2.3 1.979  
老化和其他 ±0.5 1.969 2.1841

    在本设计中,在安装之后不允许对频率微调。因此,调谐范围将扩展到能包含由元件值变化所引起的偏差。对于±5%容差的电感和电容,其所导致的最坏频率变化为±2.3%。包括元件老化和其他因素,±0.5%总调谐范围将是1.969~2.184GHz或215MHz。

    类似的考虑可应用于IF VCO的748MHz±3.2%(724-772MHz),结果是48MHz的调谐范围。
RF和IF VCO性能也依赖于具体使用的RF IC芯片组的特性。RF和RF VCO典型性能指标见表3。

VCO设计考虑

    对地VCO和其他集成在同一PCB上的RF元件的一个重要考虑是适用于非调谐频率范围的能力。非调谐VCO对元件值变化和PCB材料特性特别敏感。另外,工作高于1GHz振荡频率的VCO对这些变量更敏感。

表3 典型RF/IF VCO性能指标

参量 测试条件 RF VCO  IF VCO
频率范围(GHz)


调谐灵敏度(MHz/V)
电源电压(V)
电源电流(mA)
控制电压(V)
输出功率(dBm)
推频值(MHz/V)
牵频值(MHz/V)
相位噪声(dBc/Hz)
VCTL
0.5V
2.5V



VCTL
POUT

VSWR=2
频率10kHz
1.969
2.184
108
3
15
0.5~2.5
-3
2
1
-90
0.726
0.770
22
3
10
0.5~2.5
-8
2
1
-90

    基于此原因,本设计采用倍频方法来实现1.969和2.1841MHz之间的RF VCO。RF VCO结构(见图2)的基频工作在0.9845~1.092GHz,是输出频率的一半。此信号锁送到乘法器/缓冲器晶体管,其输出电路调谐到二次谐波1.969~2.184GHz。

    频率加倍的一个重要优点是它固有的高度负载隔离,这降低了VCO缓冲放大器的复杂性。然而,输出频谱中的基频分量的存在要在乘法器输出端有某某种滤波电路,以防止PLL计数器出错。

    基本的RF VCO设计采用传统的Colpitts电路方法。同样,IF VCO也是采用分离的Colpitts VCO和缓冲晶体管的传统设计,这两个电路都工作在相同的频率范围(0.726~0.770GHz)。

Colpitts VCO电路

    基本Colpitts VCO的工作原理示于图3a和3b。图3a是基本Colpitts VCO的配置,图3b是Colpitts VCO共发射极(带并联反馈)配置。图3b中晶体管结电容和管壳电容CEB、CCB和CCE与晶体管寄生参数分开表示,以表明它们对VCO振荡电路的直接影响。

    在实际的低噪声VCO电路中,电容器CVAR具有更复杂的结构。它包含用来设置振荡频率和调谐灵敏度的串联和并联连接的分立电容。并联谐振器是由谐振器电感LRES和变容管电容CVAR并联构成。在Colpitts VCO中,并联谐振器的一个基本特性是在振荡频率处呈现感抗。这意味着并联谐振器的频率总是高于振荡频率。

    在并联谐振器支路中,其反馈回路中的阻抗很高,其作用如同带阻滤波器。因此,振荡频率越接近并联谐振频率,则在反馈通路所引起的损耗就越大。然而,由于在并联谐振器接近谐振频率时存储更多的电抗能量,故可达到较高的有载Q值(QL)。显然,低损耗谐振器,如晶体或电介质谐振器,与微带或基于分立电感器谐振器相比,在构成并联谐振时具有更接近和更低损耗的振荡。

    用CSER电容值可以有效地使并联谐振接近于振荡频率。实际上,若CSER电容降低,则并联谐振器将具有较高的电感以补偿所增加的容抗。这意味着振荡频率将更靠近并联谐振,其结果是获得较高的QL和较高的反馈损耗。

    振荡回路的QL和损耗状态之间关系可由Lesson方程确定:

    式中F是放大器大信号噪声指数,P是环路或反馈功率(在晶体管输入端测得),QL是有载Q值。这三个参量对于实际低噪声RF VCO的相位噪声是至关重要的。在设计低噪声VCO时,我们需要确定最小F以及最大P和QL的条件。

    上述讨论表明,环路功率和QL是相互对立的参量。这就是说,增加QL将导致反馈通路中有更大的环路功率损耗,因而会降低环路功率。最佳噪声指数条件也与最大环路功率相矛盾,而且很大程度上依赖于具体所用的晶体管。通常用高增益晶体管(它的最大增益符合大信号下的最小噪声)可达到最好的噪声性能。由于现时对于标准的工业用晶体管没有这样的性能指标,所以只能根据经验选择器件。

RF VCO设计

    RF VCO电路图示于图4。电路供电电源是3V。Icc电流接近20mA。RF输出信号从VCO经电容器(13(1pF)耦合输出。

IF VCO设计

    IV VCO电路图示于图5。此电路的电源也是3V。Icc电流接近9mA。IF输出信号从VCO经电容器C11(3pF)耦合输出。

关键字:频段  wlan  设计

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