改造低頻ISM發(fā)送器使其支持高頻應用

　　300MHz至450MHz頻段的ISM射頻(RF)發(fā)送器已廣泛用于歐洲434MHz市場(chǎng)，這也是美國260MHz至470MHz頻段的重要頻點(diǎn)。本文探討了是否可以用現有的300MHz至450MHz RFIC構建868MHz發(fā)送器。868MHz發(fā)送器主要面向歐洲868MHz至870MHz免授權波段的應用。此外，本文就一系列測試展開(kāi)討論，分析了采用一個(gè)或多個(gè)設計用于300MHz至450MHz ISM頻段的RF發(fā)送器在868MHz頻率下所能提供的發(fā)射功率。

　　理論挑戰

　　對于大多數低頻ISM發(fā)射器，其開(kāi)關(guān)功率放大器(PA)產(chǎn)生的二次諧波僅比基波頻率低3dB。如果允許犧牲部分效率和功率性能，是否可以采用設計用于434MHz的IC來(lái)構建868MHz ASK發(fā)送器呢?由于相位噪聲密度僅僅滿(mǎn)足歐洲電信標準協(xié)會(huì )(ETSI)對于歐洲434MHz免授權波段的帶外輻射標準要求，該相位噪聲密度無(wú)法滿(mǎn)足868MHz頻段更為嚴格的要求。但這并不意味著(zhù)設計868MHz ASK發(fā)送器沒(méi)有任何價(jià)值。一些用戶(hù)可能只需要很低的發(fā)射功率，或者只需對低頻段IC的振蕩器進(jìn)行一些修改，并不需要進(jìn)行全新的設計。

　　開(kāi)關(guān)功率放大器的RF頻譜

　　大多數低頻ISMRF發(fā)送器中，開(kāi)關(guān)功率放大器會(huì )產(chǎn)生占空比為0.25的周期脈沖，該脈沖序列的周期即為載波周期。理論上，脈沖序列的頻譜是一組位于載頻整數倍頻點(diǎn)、以均勻間隔排列的譜線(xiàn)。每條譜線(xiàn)的幅度由函數sinc(sinx/x)加權，其中在4倍載頻的整數倍頻點(diǎn)處，幅度為零。圖1給出了434MHz載波頻譜的前六次諧波。868MHz分量(二次諧波)僅比基頻434MHz低3dB。事實(shí)上，電路中的開(kāi)關(guān)放大器只是驅動(dòng)一個(gè)調諧電路，而電路特性主要取決于對基頻諧波的抑制能力。如果調諧電路具有相對較寬的頻帶，那么它在868MHz處的輻射功率與基頻功率的差值就會(huì )小于3dB。

　　將MAX7044EVKIT的諧波濾波器去掉，同時(shí)將偏置電感更改為62nH(這個(gè)值與2pF至2.5pF的寄生電容產(chǎn)生諧振)，可以在此評估板上驗證3dB的差異。由L-C組成的諧振電路具有較寬的頻帶。因此，當功率放大器輸出直接連接到50Ω負載時(shí)，不會(huì )大幅衰減868MHz處的諧波。圖2所示為頻譜分析儀在434MHz和868MHz頻點(diǎn)的顯示結果。868MHz分量比434MHz分量低3.5dB，這說(shuō)明諧振電路衰減了0.5dB。

　　下一步是修改匹配網(wǎng)絡(luò )以增強868MHz二次諧波，并衰減434MHz基頻。

　　修改天線(xiàn)匹配電路以支持868MHz系統

　　利用已有的434MHz頻段拓撲結構對MAX7044EVKIT進(jìn)行修改，使其支持868MHz頻點(diǎn)應用。所有ISMRF發(fā)送器評估板的匹配網(wǎng)絡(luò )在300MHz至450MHz頻段具有相同的拓撲結構，如圖3所示。圖中器件標號與MAX7044EVKIT評估板標示相同。

　　采用這種拓撲結構時(shí)，有多種方法可以將電路匹配至50Ω負載。最直接的方法是將C2-L3-C6的π型網(wǎng)絡(luò )配置為50Ω低通濾波器來(lái)抑制諧波。然后，使用C1-L1組成的“L”型窄帶阻抗變換網(wǎng)絡(luò )將50Ω變換到高阻。除了280MHz至450MHz、可編程發(fā)送器MAX7044和MAX7060外，所有Maxim ISMRF低頻段發(fā)送器在驅動(dòng)125Ω至250Ω負載時(shí)的功效是最高的。MAX7044在低頻驅動(dòng)50Ω至60Ω負載時(shí)具有最高發(fā)射功率(2.7V供電時(shí)為13dBm)。增大發(fā)送器功率放大器輸出端的阻抗，可以降低發(fā)射功率和供電電流。正常工作在低頻時(shí)，選擇電感和電容用于匹配功率放大器在設計頻率下要求的阻抗。對于MAX7044EVKIT，LC網(wǎng)絡(luò )在433.92MHz時(shí)能夠很好地匹配在50Ω負載。