C波段微波无线电能传输发射端设计

张瑞成+李玉红

摘 要： 随着高频技术的发展，微波能量传输系统中常采用更高的频率，为了使整流天线能得到高输出电压，并且减少系统体积，降低装置成本，设计了一种C波段微波无线电能传输系统的发射端。直流电平经过锁相环合成芯片转换为C波段微波信号。该信号经过由驱动级功率放大芯片和高功率放大芯片组成的功率放大器，将功率放大到6 W，加上喇叭天线即组成了C波段微波无线电能传输系统的发射端。详细分析设计参数与方法，并利用ADS软件进行仿真验证。该系统具有极高的工作频率，省略了许多高频系统中的倍频部分，简化了系统结构，降低了装置成本。

关键词： 发射端； C波段； 锁相环合成器； 功率放大器

中图分类号： TN74?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着科学技术的发展，微波能量传输成为当前科学研究中一个既有难度，又相当热门的方向[1]。微波无线电能传输对于微小型机器人、卫星等能量传输以及解决地面复杂环境的电能输送等问题有着重要意义[2]。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以及提高微波信号功率是发射端最重要的研究部分。

目前微波無线电能传输仍处于起步阶段，其发射端微波信号频率、环路滤波器以及功率放大部分等都有待进一步研究。文献[3]完整介绍了一种小功率2.45 GHz微波无线传输发射端的设计，但随着高频技术的发展，现在微波无线传输常采用更高的频率，并且输出的功率也不高。文献[4?5]详细分析了锁相环中各个部分的相位噪声以及合成微波的相位噪声，但并未考虑其他参数。文献[6]对一种C波段功率放大器进行了设计与仿真，但是由于芯片本身的稳定性不佳以致于功放系统的稳定性不好，并且结构复杂。因此利用以锁相环为基础的频率合成技术设计高性能微波信号频率源，选用ADF4106作为核心电路，选用集成VCO芯片V940ME30作为外部压控振荡器，设计相应的环路滤波器，构成锁相式频率合成器，产生C波段的微波信号，并且要求相位噪声低，频率稳定度高，同时转换时间较快。经过两级驱动功率放大芯片HMC407和HMC1086F10将产生的微波信号功率放大，再连接上发射天线发射至自由空间。该系统具有极高的工作频率，省略了许多高频系统中的倍频部分，简化了系统的结构，降低了装置的成本。

1 系统基本原理及设计

1.1 发射系统总体方案

发射系统的整体功能框图如图1所示。

微波信号源采用锁相环合成技术产生4～6 GHz输出频率，功率为-10 dBm的微波信号。该信号经过驱动放大器和高功率放大器后，输出5～6 W的微波信号，通过喇叭天线发射到自由空间。下面对锁相环频率合成与功率放大部分做详细介绍。endprint

1.2 锁相环微波信号源的设计

锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成，再插入可编程控制器，即构成了锁相环频率合成器[7]，其结构如图2所示。

锁相环频率合成部分选用ADI公司生产的ADF4106，该芯片的最大特点就是其工作频率可以达到6 GHz。用ADF4106设计的锁相环频率合成器具有很高的带宽，因此在高频系统中可以省去倍频部分，消除了由倍频电路带来的谐波、杂波和噪声干扰，极大地改善了系统性能。其内部的鉴相器对R分频器与N分频器的输出信号进行相位比较，当相位差不变时得到误差电压，其锁相输出频率为：

[fo=N×fiR] （1）

其鉴相频率为：

[fr=fiR] （2）

选用高稳定度有源晶振为芯片提供20 MHz的参考频率。压控振荡选用集成VCO芯片V940ME30工作频率为5 500～5 850 MHz， 调谐灵敏度为80 MHz/V，供电简单仅需5 V。

环路滤波器是锁相环电路的重要组成部分，设计滤波器的一种方法就是采用开环增益带宽和相位裕量决定相应器件的值。相位裕量通常在30°～70°，本设计中选取45°，而环路带宽一般选择为鉴相频率的10%。考虑信号的杂散和锁定时间，环路带宽为200 kHz。为了确保环路的稳定，在开环响应单位增益频率处定位最小相位移点。为了降低相位噪声，使用无源环路滤波器[8]，其中二阶环路滤波器是较为简单的形式，如图3所示。

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

令[s=jω，]将其代入式（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，时间常量[t1]和[t2]决定滤波器传递函数频率的零点和极点。相位裕量与系统的稳定性有很大关系，该频率处相位裕量的计算公式为：

[φ=π+arctan（ωc?t2）-arctan（ωc?t1）] （6）

求[φ]对[ωc]的偏导，并令此导数为零时的[ωc]就是取得最大相位裕度的环路带宽。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）

化简得：

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

[t1=1ω2ct2] （11）

[t2=secφm-tanφmωc] （12）

该锁相环的开环传递函数[9]为：

[G（s）=KdKoF（s）s] （13）

式中：[Ko]是VCO的压控灵敏度，单位为rad/（s[?]V）；[Kd]为鉴相器的鉴相灵敏度，其单位为V/rad。

根据式（13）和式（4）以及环路带宽的定义可以得出环路滤波器总的电容[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）

联合式（15）～式（17），把器件参数设计条件代入就可求得符合设计要求的滤波器的参数值，[C1=]31.8 pF，[C2=]207.8 pF，[R2=]10.49 kΩ。

1.3 功率放大器设计

功率放大部分是微波无线传输发射端的重要组成部分。在发射端部分，锁相环电路产生的微波信号的功率很小，必须进行功率放大，获得足够大的功率后，再输送到发射天线发送到空间。本设计的功率放大器根据其工作频带、输出功率等特点，功率放大电路可分为驱动放大部分和高功率放大部分两部分。驱动放大电路着重于提升系统的增益，同时保证增益平坦度以及输入输出驻波，功放部分则主要保证输出的功率。

根据锁相环输出信号，设计指标为频率5.8 GHz，输入功率-10 dBm。所以驱动级功放芯片选用HMC407。HMC407是Hittite公司的GaAs工艺生产的微波高功率放大器，在5 V工作电压P1dB输出功率最大25 dBm，频带范围为5～7 GHz，增益为15 dB。

高功率放大器的设计要求是将驱动放大器输出功率放大到40 dBm左右，然后通过发射天线发送到自由空间。HMC1086F10是一款工作在2～6 GHz 25W GaN射频与微波功率放大器，放大器提供典型小信号增益23 dB，饱和输出功率44 dBm。

本文中驱动级芯片和高功率放大芯片均为集成功放芯片，其输入输出已经进行预匹配，因此，输入输出匹配网络不需要自行设计。在电路原理图设计中，先确定HMC407和HMC1086F10的典型电路，Hittite公司提供了两芯片的典型应用电路，如图4（a），图4（b）所示。

2 系统仿真及分析

2.1 锁相环电路仿真与分析

锁相环电路利用仿真软件ADIsimPLL进行仿真[10]，选择芯片ADF4106，确定输出频率为5.8 GHz，鉴相频率为2 MHz，得到电路原理图如图5所示，由图5可以看出，环路滤波器仿真得到的参数值与计算出的参数值基本一致。endprint

锁相环时域、频域曲线图如图6，图7 所示，其中图6为频率?时间曲线图，环路滤波器输出相位誤差?时间曲线图，图7分别为闭环增益与相位噪声曲线。从图6可以看出，环路滤波器在时间[t>10 ]μs 后输出频率稳定在5.80 GHz，[t>15 ]μs后相位误差趋近于零，锁相环对误差电压进行锁定，所以该锁相环能够快速锁定在5.80 GHz处；从图7（a）可以看出，环路滤波器的闭环增益在频率为200 kHz时增益大于0 dB，图7（b）显示了信号频率在5.8 GHz时环路滤波器、压控振荡器、参考晶振以及锁相环系统的相位噪声，可以看出相位噪声在频率为5.80 GHz时小于-80 dBc/Hz，性能优异。

2.2 功率放大电路的仿真与分析

根据厂家提供的典型电路，利用ADS软件设计仿真电路，两个芯片的模型都是由S2P文件代替，S2P文件中包含了芯片的[S]参数，而[S]参数则是原理图仿真中各项数据变化的重要依据。为了达到系统的增益要求，以及能够提供足够的功率来驱动高功率放大器芯片，驱动级电路采用两个HMC407芯片联合使用。本文利用ADS的谐波仿真控件[11]，驱动级放大部分在频率段5～7 GHz对电路进行扫描仿真，并将输出功率作为高功率放大电路部分的输入功率参数，在4～6 GHz频率范围内进行扫描仿真，仿真图如图8所示。

可知，5.8 GHz时输出功率[Pout=]37.751 dBm，由dBm与mW之间的换算公式得[Pout=]5.9 W，并且功率放大整体增益为53 dB，满足设计要求。

3 结 论

本文介绍了一个用于微波无线电能传输系统的发射端的设计，可得出如下结论：

（1） 利用ADF4106设计的C波段微波振荡源，微波频率能够直接达到5.8 GHz，省略了倍频部分，精简了电路结构。

（2） 利用HMC407与HMC1086F10设计的功率放大器，使用单片集成功率芯片不需要复杂的电路匹配，又能达到本文功率的要求。

（3） 经过仿真验证，射频信号源性能稳定，能够产生频率及相位稳定的5.8 GHz微波信号，输出功率为-10 dBm，经过功率放大器后功率能够达到37 dBm，满足设计要求。

参考文献

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