（信息与通信工程专业论文）zigbee终端射频接收前端的设计.pdf

r t h e d e s i g no fr f f r o n t - e n do f z i g b e et e r m i n a l at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y | | l l ll ll ll lr l ll lrll liil 18 9 5 7 8 6 i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fd e g r e e c a ih e ( i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rf a n gs h a o j u n j u n e2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 竺圣i g 坠盟终端盟题接噍煎堂的逡让： 。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：蓬煎： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文 数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行 和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密 不保密 口在年解密后适用本授权书。 口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：椿新 导师签名： 日期：年 中文摘要 摘要 随着各种无线通信系统的不断涌现，频率资源愈发紧张，射频前端作为收发 信机的最前级，无线通信的关键部件之一，其性能的优劣直接影响着整个通信系 统。射频前端主要包括天馈线系统、滤波器、低噪声放大器( l n a ) 等器件，涉及 增益、灵敏度、射频接收带宽等指标，其目的就是保证有用的射频信号能完整且 不失真地从空间拾取出来并输送给后级的变频、中频放大等电路。 美国联邦通讯委员会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 定义出i s m 频段，其频率范围为2 4 g h z - 2 4 8 3 5 g h z ，开放给工业、科学、医学这三类主要 的机构使用。目前应用广泛的无线局域网，蓝牙，z i g b e e 等无线网络，均可工作 在i s m 频段上。其中，z i g b e e 是i e e e8 0 2 1 5 4 协议的代名词，根据这个协议规 定的技术是一种短距离、低功耗、近距离的无线组网通讯技术，是当今通信领域 研究的热点之一。 本论文对z i g b e e 终端射频接收前端电路进行了深入的研究，天线作为射频信 号的辐射和接收单元，负责z i g b e e 各个无线网络节点之间的连接，本文分别采用 微带线和共面波导馈电方式，利用a n s o f t 公司的h f s s 电磁仿真软件设计了两款 印刷单偶极子天线，实现了小型化、低成本、全方向辐射的特点。射频带通滤波 器作为滤除谐波，抑制杂散的器件，在射频前端电路扮演着重要的角色。本文利 用插入损耗法作为基本的滤波器设计理论，以微带的形式实现了两款滤波器。用 于滤除由于天线引入的干扰，实现收信机的选择性来保证混频器正确解调出信息。 低噪声放大器( l n a ) 将天线从空中接收到的微弱信号进行放大，是涉及接收机灵 敏度的关键部件。本文利用a g i l e n t 公司的e d a 软件a d s 2 0 0 8 设计并仿真了一 款低噪声放大器，该低噪声放大器具有较低的噪声系数和较高的功率增益。 针对大规模应用于工业领域的z i g b e e 设备射频前端，本文通过简单实用且低 成本的方式进行实现，具有一定的经济价值。 关键词：z i g b e e , 天线；带通滤波器；低噪声放大器 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ee m e 唱i n go fav a r i e t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，f r e q u e n c y r e s o u r c e sb e c o m es c a r c e r r ff r o n t - e n d , a st h ef i r s t l e v e lo ft h et r a n s c e i v e r sa n do n eo f t h ek e yc o m p o n e n t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i t sp e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l ya f f e c tt h e e n t i r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m r ff r o n t e n d ，i n c l u d i n gt h ea n t e n n a , f e e d e r , f i l t e r , l o w n o i s ea m p l i f i e rc l n a ) a n do t h e rd e v i c e s ，i n v o l v e st h eg a i n ，s e n s i t i v i t y , t h eb a n d w i d t h o ft h er fr e c e i v e ra n do t h e ri n d e x e s ，t h ea i mt h a tr ff r o n t - e n di sd e s i g n e di st oe n s u r e t h a tt h eu s e f u l ，c o m p l e t er fs i g n a lw i t h o u td i s t o r t i o nc a l lb ep i c k e do u tf r o mt h es p a c e a n d t r a n s p o r tt oi t sa f t e rl e v e lc i r c u i t , t h ei n v e r t e r , i fa m p l i f i c a t i o nc i r c u i t u s f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) h a dd e f i n e dt h ei s mb a n d ，t h e r a n g eo ft h ef r e q u e n c yi s2 4 g h z 一2 4 8 3 5 g h z i ti so p e n e dt ot h r e em a j o ra g e n c i e s ： i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，m e d i c a lt ou s e a tp r e s e n t ，w i r e l e s sl a n ，b l u e t o o t h ，z i g b e ea n d s o m eo t h e rw i r e l e s sn e t w o r k st h a th a v eb e e nw i d e l ya p p l i e da l lw o r ki nt h i sb a n d i n w h i c h ，z i g b e ei sas y n o n y mf o ri e e e8 0 2 15 4p r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot h ea g r e e m e n t o ft h et e c h n o l o g y , z i g b e ei sas h o r t - r a n g e ，l o w - p o w e rc o n s u m p t i o nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n di ti so n eo ft h e h o tf i e l d so fc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h t o d a y i n t h i sp a p e r , r ff r o n t - e n do fz i g b e et e r m i n a lh a sb e e nr e s e a r c h e di nd e p t h a n t e n n a ，a sau n i tt or a d i a t ea n dr e c e i v er a d i of r e q u e n c ys i g n a l ，i sr e s p o n s i b l ef o r c o n n e c t i n gw i r e l e s sn e t w o r kn o d e s i nt h e r e ，t w on o v e lm o n o p o l ep r i n t e da n t e n n a w h i c ha r ef e db ym i c r o s t r i pa n dc o p l a n a rw a v e g u i d er e s p e c t i v ea r ep r o p o s e da n d a c h i e v e dt h em e r i t so fl o w p r o f i l e ，l o wc o s t ，o m n i d i r e c t i o n a lr a d i a t i o n t h ef u n c t i o n s o fr fb a n dp a s sf i l t e ra r eh a r m o n i c sf i l t r a t i o na n ds p u r i o u ss u p p r e s s i o n ，s o ，f i l t e r sp l a y a ni m p o r t a n tr o l ei nt h er ff r o n t e n dc i r c u i t s ，a n di tw i l lf i l t e ro u tt h ei n t e r f e r e n c e b r o u g i l tb yt h ea n t e n n at or e a l i z et h es e l e c t i v i t yo ft h er e c e i v e ra n de n s u r et h a tt h e m i x e rc a nd e m o d u l a t et h ei n f o r m a t i o nc o r r e c t l y i nt h i sp a p e r , b yu s i n gt h ei n s e r t i o n l o s sm e t h o da sf u n d a m e n t a lf i l t e rd e s i g nt h e o r y , t w om i c r o s t r i pf i l t e r sa r ep r o p o s e d l o w - n o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) a m p l i f i e sw e a ke l e c t r o m a g n e t i cs i g n a l sr e c e i v e db y 英文摘要 a n t e n n af r o mt h ea i r ；t h ep e r f o r m a n c eo fl o w - n o i s ea m p l i f i e ri so n eo ft h ek e ym e a n s t oi m p r o v es e n s i t i v i t y b yu s i n ga g i l e n t se d as o f t w a r ea d s 2 0 0 8 ，al o wn o i s e a m p l i f i e ri sd e s i g n e da n ds i m u l a t e dw i t ht h ek e yf e a t u r e so f l o wn o i s ec o e f f i c i e n ta n d h i g hp o w e rg a i n f o rt h el a r g e s c a l ea p p l i c a t i o n so ft h ez i g b e ee q u i p m e n ti ni n d u s t r i a lf i e l d ，t h i s s i m p l e 、p r a c t i c a la n dl o wc o s td e s i g na p p r o a c hw i l lb r i n ga c e r t a i ne c o n o m i cv a l u e k e yw o r d s ：z i g b e e ；a n t e n n a ；l n a ；b a n d p a s sf i l t e r 目录 目录 第l 章绪论1 1 1z i g b e e 技术概述1 - 1 1 1z i g b e e 的起源与发展历程1 1 1 2z i g b e e 的技术特点、网络构成与组织结构2 1 1 3z i g b e e 的应用以及发展趋势3 1 2 课题的研究背景及意义4 1 3 章节的安排5 第2 章射频接收机7 2 1 常用无线接收机的主要性能指标7 2 2 常用无线接收机拓扑结构8 2 3z i g b e e 终端射频前端的设计方案1 2 2 4 本章小结13 第3 章z i g b e e 射频终端微带天线的设计15 3 1 微带天线简述1 5 3 2 微带天线的主要电气特性1 6 3 2 1 方向性图、主瓣宽度、副瓣电平1 6 3 2 2 方向性系数1 7 3 2 3 天线的极化特性18 3 3 微带天线设计理论18 3 3 1 微带天线的辐射原理1 9 3 3 2 传输线模型2 0 3 3 3 腔模理论21 3 4 馈线类型2 3 3 4 1 微带线的阻抗特性2 3 3 4 2 共面波导的阻抗特性2 4 3 5 微带天线的实现2 5 3 5 1 微带馈电单偶极子天线2 5 3 5 2 对称共面波导馈电单偶极子天线3 0 3 6 本章小结3 5 第4 章z i g b e e 射频终端微带滤波器的设计3 7 4 1 微带滤波器简述3 7 4 2 微波滤波器的主要技术指标3 7 目 录 4 3 微波滤波器设计理论3 9 - 4 3 1 插入损耗法设计滤波器原理- 3 9 - 4 3 2 低通原型滤波器到带通滤波器的变换- 3 9 - 4 3 3s i r 阶跃阻抗型谐振器结构- 4 2 4 4 微带滤波器的实现- 4 3 - 4 4 1 微带线平行耦合s i r 滤波器的实现一4 3 4 4 2 双环型微带滤波器的实现- 4 7 - 4 4 3 环形s i r 滤波器的实现5 0 4 5 本章小结一5 4 - 第5 章低噪声放大器的设计- 5 5 5 1 级联放大器的噪声系数以及低噪声放大器的作用- 5 5 - 5 2 低噪声放大器的主要技术指标- 5 5 - 5 2 1 放大器增益以及增益平坦度5 6 - 5 2 2 噪声系数( n o i s ef i g u r e ) - 5 7 5 2 3l d b 增益压缩点以及三阶截断点5 8 5 3 本论文低噪声放大器的设计目标5 9 5 4 低噪声放大器的设计一5 9 - 5 4 1 直流偏置电路的设计5 9 - 5 4 2 放大电路的稳定性设计6 2 - 5 4 3 低噪声放大器的相关增益( a s s o c i a t e dg a i n ) 6 4 5 4 4 满足最小噪声系数的输入匹配电路设计6 5 5 4 5 满足最大增益的输出匹配电路6 7 5 4 6 版图的实现6 8 5 5 本章小结6 9 第6 章总结和展望- 7 1 参考文献一7 3 - 致谢- 7 7 - 研究生履历一7 9 - z i g b e e 终端射频接收前端的设计 第1 章绪论 伴随着社会不断的发展，各种无线的通信设备得到了广泛的应用，无线通信 的优势也逐步凸显，它可以规避许多有线通信系统的限制，以较低的成本迅速的 组织起通信链路。但随着各种无线通信系统的应用，可以利用的频谱资源也越发 紧张。美国联邦通讯委员会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 定义出 i s m t l 】频段，其频率范围为2 4 g h z - 2 4 8 3 5 g h z ，开放给工业、科学、医学这三个 主要的机构使用。这一频段并没有所谓使用授权的限制，但是对它的发射功率有 一定的限制，一般要求它的发射功率小于l 瓦，以至于不会对其它的频段造成太 大的影响。日常生活中常见的无线局域网【2 1 、蓝牙【”、z i g b e e t 4 1 等无线网络，均工 作在i s m 频段。 1 1z i g b e e 技术概述 随着第三代移动通信技术的快速发展，不断涌现出各种短距离无线通信技术 巨大的改善了人们的生产和生活，如红外技术、蓝牙技术、w i f i 技术、z i g b e e 技术，其中，z i g b e e 是i e e e8 0 2 1 5 4 协议的代名词，这一名称起源于蜜蜂的舞蹈， 蜜蜂( b e e ) 是靠飞翔和跳“之字形( z i g ) ”舞蹈来与同伴传递花粉所在方位信息，也 就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。 z i g b e e 是近几年兴起的一种短距离、低功耗、低速率、组网灵活的无线通信 技术【5 1 ，适用于传输数据量小，功耗要求较为苛刻，实时性要求低，网络节点要 求较多的场合。 1 1 1z i g b e e 的起源与发展历程 为了克服蓝牙技术的售价高、功耗大、组网规模小、抗干扰能力差等缺陷， i e e e8 0 2 1 5 工作组中成立了t g 4 工作小组，z i g b e e 便顺应需求而生。总的来说， z i g b e e 的发展历程大致分为以下几个里程碑： 2 0 0 2 年，z i g b e ea l l i a n c e 正式成立； 2 0 0 3 年，z i g b e e 协议正式问世； 2 0 0 4 年，作为z i g b e e 的第一个规范，z i g b e ev 1 0 诞生； 2 0 0 6 年，推出较为完善z i g b e e2 0 0 6 ； 第1 章绪论 2 0 0 7 年底，z i g b e ep r o 推出。 其中，z i g b e e 的底层技术基于i e e e8 0 2 1 5 4 ，物理层和m a c 层直接引用了 i e e e8 0 2 1 5 。如今，众多的业户厂商都参加了i e e e 8 0 2 1 5 4 小组，负责制定z i g b e e 的物理层和媒体介质访问层。 1 1 2z i g b e e 的技术特点、网络构成与组织结构 总体来说，z i g b e e 技术主要是为了适用于自动控制和远程控制领域，满足小型 廉价设备的无线联网和控制而制定的标准，所以，它有着低功耗、短时延、低速 率、近距离、高容量、低成本、高安全、免执照频段等自己独特的技术特点f 6 1 。可 在三个不同的频段上进行通讯。其中，欧洲采用的频段是8 6 8 0 m h z - 8 6 8 6 6 m h z ， 美国采用的频段是9 0 2 m h z 一9 2 8 m h z ，全球通用的频段是2 4 g h z - 2 4 8 3 5 g h z ，所 以，大部分z i g b e e 终端制造商采用2 4 g h z - 2 4 8 3 5 g h z 频段。 z i g b e e 的拓扑结构包括三类节点，如图1 1 所示，第一类节点为z i g b e e 协调 器( z i g b e ec o o r d i n a t o r ，z c ) ，它用于网络信息的初始化，每个网络只有一个z c 。 第二类节点为z i g b e e 路由器( z i g b e er o u t e r ，z r ) ，它具有监视或控制的作用，它 同样是用跳频方式传递信息的路由器或中继器。第三类节点为z i g b e e 终端设备 ( z i g b e ee n dd e v i c e ，z e d ) ，它只具有监视或控制的功能，不能作为路由或中继之 用。 z g b e e 网络协调器( f f d ) z i g b e e 中继器( f f d ) 0z i g b e e 终端设备( r f d 或f f d ) 图1 1z i g b 网络的节点类型 f i g 1 1t y p e so fz i g b e en e t w o r kn o d e z i g b e e 终端射频接收前端的设计 基于8 0 2 1 5 4 堆协议栈而建立的z i g b e e 标准，定义了设备之间如何进行网络的 连接。它支持三种自组织无线网络类型：星型结构、网状结构和簇状结构。其中， 星型拓扑结构是最基本的结构。网状结构能够使z i g b e e 的优势得到最充分的发挥， 在网状结构中，多个节点可相互之问进行短距通话。同时每一个节点还能用作其 它节点的中继器。通过这种方式，即使某个节点距离目标节点较远，则信息可经 由几个作为中继器的其它节点传送。这种功能极大地延伸了任何给定节点的覆盖 距离，同时，即使某个节点传送失败，网状结构的特点也能保证信息通过网络中 的其它路径被传送出去，从而保证更为稳定可靠的通信。 z j g b e e m 络协调= ( f f d ) z 昀b 中继器( f f d ) oz 幻b e e 终端设备( r f d 或f f d ) + 网状结构 图1 2z i g b e e 网络结构 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo f t h ez i g b e en e t w o r k z i g b e e 网络是自组织的，节点自动搜索网络中的其它节点。它通过软件利用 指定的地址，提供路由表以识别已经证实的通信伙伴来选中某个节点后进行自动 链接，z i g b e e 采用a e s 1 2 8 加密技术来提供认证和加密使它在安全性方面得到保 障。z i g b e e 节点不进行发射信号时，节点进入耗电量极低的睡眠模式。隔1 5 微 秒后，节点被唤醒，以实现周期性询问，当然节点也能自我唤醒。鉴于z i g b e e 的 低功率特性，它适用于某些其它无线网络技术根本无法适应的应用场合。 1 1 3z i g b e e 的应用以及发展趋势 z i g b e e 技术最初的初衷就是为产品制造商以及开发商提供建立安全可靠、低功 第l 章绪论 率消耗、具有成本效益的无线控制产品的能力。经过不断地市场探索，z i g b e e 经 在家庭自动化、资产跟踪有源r f i d 、自动抄表、安防保障、商业楼宇自动化、h v a c 、 医疗保健、农业控制、无线传感器网络等多个新领域得到了广泛的应用【7 1 。 z i g b e e 联盟是一个高速成长的非盈利业界组织，成员主要包括国际著名半导体 生产商、技术提供和集成商以及最终用户。联盟会员可以利用z i g b e e 这个标准化的 无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种应用产品。目前全球 已有3 0 0 多家国际知名企业加入了z i 曲e e 联盟组织，共同商讨和推广z i g b e e 技术的 产品化应用。和大多数无线技术一样，z i g b e e 也有一个美好的发展蓝图。根据联盟 制定的未来计划，联盟将开发出更多的规范来满足不断革新的社会需求。软件无 线电技术的发展也将大大的提高产品的开发速度，而硬件方面，在未来会采用运 算速度更高的集成芯片。这样便可以对调制进行修整，设计人员就能够把现在的 2 5 0 k b p s 速度提高到两倍。高速运动领域的无线电技术也要求z i g b e e 技术进行一定 的改进。目前的z i g b e e f l 邑够处理1 0 1 5 m p h 的一般移动速度的节点。但如果节点的 移动速度达到1 0 0 m p h 以上，就需要对技术进行变革，比如在r f i d 或其它移动应用 中。 1 2 课题的研究背景及意义 在z i g b e e 的无线网络节点中，需要利用射频接收机接收由其它的节点传送过 来的电磁信号，以达到网络系统各个节点之间的互联。所以说接收机是z i g b e e 无 线通信系统的重要组成部分。在接收机的设计中，很多的因素需要进行考虑，其 中包括相位噪声、噪声功率比、高次截点、内部寄生信号、以及最大的动态范围 与信号处理器是否配合等等，而为了满足这些指标，就必须关注工作在接收机最 前端的射频前端的性能。 无线电技术发展到今天，无线接收机已经发展出多种的结构，但是总体上可 以归结为以下的几种结构：超外差接收机拓扑结构、零中频接收机拓扑结构、低 中频接收机拓扑结构、宽带双中频接收机拓扑结构、亚采样接收机拓扑结构以及 数字中频接收机以及最新的用于c d m a 蜂窝移动通信系统中的r a k e 接收机拓 扑等结构。无论哪一种接收机拓扑结构，它的射频部分的最前级都是由天线，滤 波器和低噪放组成的。所以这三部分的性能指标直接影响着整个接收机系统的性 z i g b e e 终端射频接收前端的设计 能优劣，本课题将主要研究天线【8 l 、射频滤波裂9 1 和l n a 1 们。 天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能剁1 1 】，是电路与空间 的界面器件。天线作为一个单口元件，在输入断面上通常体现为一个阻抗元件或 等值导纳元件，与相连接的馈线或电路有阻抗匹配的问题，天线的辐射场分布接 收来波场效应，设计良好的天线可以使上述能量的变换达到最佳的效果。所以天 线设计是否合理，对整个工程系统的质量有很大的影响，天线设计不好，甚至会 破坏整个系统的工作。而能够实现成本低、重量轻、体积小、易加工、剖面低、 易共形等诸多优点的微带天线已成为当今研究的热点之一。 微波滤波器用来滤除不需要的频谱，抑制外来的频率干扰。对滤波器的基本 要求有反射系数小、插入衰减小、谐波抑制好、结构体积小和实现成本低等。射 频滤波器性能的优劣对后级电路如低噪声放大器、混频器的正常工作有重要的影 响。 信号放大是所有无线通信系统的基本功能，l n a 的主要功能是放大接收链路 中仅靠天线接收微弱的电信号。同时，设计噪声系数低、合适的功率增益、工作 稳定、匹配效果好、动态范围大的l n a ，是提高接收机电路性能的重点和难点之 一。现在多数的射频和微波电路的设计中通常采用的是晶体管：硅双极性型器件、 g a a s 金属半导体场效应晶体管( m e s f e t ) 、异质结双极性晶体管( h b t ) ，以及高 电子迁移晶体管( h e m t ) t 1 2 l 。 1 3 章节的安排 本论文根据几种射频接收机的拓扑结构，深入地研究了工作在2 4 g h z 的i s m 频段的z i g b e e 射频前端，仿真设计了天线模块、滤波器模块、低噪声放大器模块， 并对部分模块电路进行了实际的调测。 本论文的章节结构安排如下： 第一章为本论文的绪论部分，主要详细的介绍了z i g b e e 技术、课题的研究背 景及意义，最后说明了一下论文的章节安排。 第二章确定论文将围绕射频前端电路的天线、滤波器、低噪放作为研究的重 点。介绍了当今无线射频接收机几种主要的拓扑结构及其性能特点，最后确定本 论文所研究的射频前端的结构。 第l 章绪论 第三章主要进行微带天线的设计加工与调试，首先介绍了微带天线的辐射机 理，并以其理论作为指导，然后利用a n s o t t 公司的h f s s 1 3 1 电磁仿真软件进行多 次的优化仿真，最后设计两款分别以微带和共面波导馈电方式的微带天线，对其 进行了实物的制作，并利用矢量网络分析仪进行了测试。 第四章主要进行的是微带射频滤波器进行了设计，制作与测试。论述了利用 插入损耗法设计滤波器的原理，并对阶跃阻抗( s i r ) 滤波器的理论做以简要的阐 述，利用h f s s 设计仿真两个中心频率工作在2 4 5 g h z 的环形滤波器，并对该滤 波器的进行了实物的加工与测试。 第五章的工作是低噪声放大器的理论设计与仿真，首先对低噪放放大器设计 原理进行说明，最后利用a g i l e n t 公司的a d s l l 4 软件以a v a g o 公司a t f 5 4 1 4 3 高 电子迁移管( p h e m l ) 芯片【l5 】为核心器件，进行直流偏置电路、稳定电路、前后级 匹配电路的设计，最后完成了一款噪声系数小、功率增益高、工作稳定的低噪声 放大器。 第六章对整个论文的工作内容做一系统的总结，同时对该论文可能涉及的后 续工作内容作一定的规划和展望。 z i g b e e 终端射频接收前端的设计 第2 章射频接收机 2 1 常用无线接收机的主要性能指标 随着各种无线通信系统的应用，现在的无线空间环境是充满强干扰和噪声的 环境，接收机的作用就是在这种较为恶劣的空间情况下，解调出有用的信息，同 时，接收机能够接收到的功率也是随着收发双方之间的距离和环境的改变而改变 的，因此，只有接收机系统有一个较大的动态范围，才能保证接收信息的连续性， 链路的完整性，接收机除了有大的动态范围和抗噪声能力之外，成本因素和功耗 因素也是接收机设计中需要考虑的因素。在产品能够满足技术指标要求的情况下 将成本和功率降到最低，才是一个成功的接收机设计方案【l6 1 。接收机的性能指标 主要包含以下的几个方面。 ( 1 ) 工作频段。对于任何一个通信系统来说，都有一个工作频段与其对应，在 其工作频段内，信号能够被接收处理，而工作频带之外的信号被系统抑制。本论 文讨论的收信机就是工作在2 4 g h z 一2 4 8 3 5 g h z 的i s m 频段范围内。 ( 2 ) 收信机本地振荡的频率稳定度。对于收发信机来说，信号的传递都需要经 历调制和解调的过程，在接收机解调的过程就是利用本地振荡器与接收信号进行 混频以输出中频，所以如果收信本振的频率稳定度不好，偏离标准值较多，这时 混频输出的中频信号偏离标称值，这样，中频已调信号频谱就不能全部通过中频 放大器，造成频谱能量的损失，导致中频输出信噪比下降，引起信号失真，使误 码率增加。系统信息能否被正确的解调很大程度上取决于本地振荡器的频率稳定 度。所以对收信机本振稳定度的要求非常高，通常要求为( 1 2 ) 1 0 - 5 ，要求较高 者为( 1 5 ) 1 0 巧d t 。 ( 3 ) 接收机的接收灵敏度。接收机能够检测的最小电平由接收机的灵敏度米定 义，为了能够保证接收机输出端为系统解调提供足够的信噪比( s i g n a lt on o i s e r a t i os n r ) 时，接收机必须要接收一定功率水平的信号，接收机可以检测到的最 低的可用信号功率，就称之为接收机的灵敏度。 ( 4 ) 噪声系数。衡量收信机热噪声性能的一项指标就是噪声系数，它的基本定 义为：在标准室温下、一个网络( 或收信机) 输入和输出在匹配的条件下，输入端 第2 章射频接收机 信噪比与输出端信噪比的比值定义为噪声系数，记作f ，它的公式表达式为： 以= 器 ( 2 1 ) 根据噪声系数的定义，性能越好的收信机，它自身产生的噪声越小，噪声系 数就越小。所以可以说。是衡量收信机热噪声性能的一项指标。 ( 5 ) 收信机的最大增益。天线接收到的微弱的射频信号经馈线和滤波分路系 统，会产生一定的衰减，同时收信机的输入电平在随时变动，要维持解调机正常 工作，必须需要收信机系统中存在信号放大设备以使得主中放输出应达到所要求 的电平，这个增益值主要由混频器之前的低噪声放大器和混频器之后的中频放大 器来提供，两个放大器的增益之总和便是接收机系统的最大增益。 ( 6 ) 接收机的选择性。收信机的选择性指的是，接收机只能够接收自身工作波 道的信号，而对邻近波道的干扰、镜像频率的干扰及本波道的收、发干扰等要有 足够大的抑制能力，要求接收机在通频带内增益足够大，而且增益平坦度较好， 通频带外的有大的衰减，通带和阻带之间有较陡的边沿，收信机内部的各个滤波 器保证了收信机的选择性。 ( 7 ) 接收机的动态范围。动态范围定义了接收机在检测噪声基值上的最小信号 和处理无失真的最大信号的能力。通常用能够被接收机输入端无失真处理的最大 信号和接收机能够检测到的最小信号的比值定义接收机的动态范围，一般情况下， 将接收机的最小检测电平设为较低的限制，电路的l d b 增益压缩点定义最大 的功率限制。 2 2 常用无线接收机拓扑结构 随着时代的发展，各种无线接收机拓扑结构层出不穷，性能也不断的提高， 但是总体上常用的大致分为以下几类拓扑结构。 ( 1 ) 超外差接收机电路拓扑结构 超外差原理是由e h 阿姆斯特朗于1 9 1 8 年提出的。这种方法能够适应远程 通信对高频率、弱信号接收的需要，超外差在外差技术的基础上发展而来的。外 差方法是将射频信号频率下变频为音频的频率，而超外差是将输入信号下变频为 z i g b e e 终端射频接收前端的设计 超音频，所以称之为超外差f 1 8 l 。超外差接收机是利用本地产生的可调振荡器与输 入信号进行混频处理，将输入信号频率变换为某个预先确定的频率，这个频率称 之为中频。1 9 1 9 年利用超外差原理制成超外差接收机。其结构框图如图2 1 所示， 其中，在射频天线后面的r f 滤波器将工作频带外的噪声干扰和镜像干扰进行抑 制衰减。接收机内设置的可调本机振荡器( l o ) ，将有用信息的全部频谱可被下变 频到一个固定的中频( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ，i f ) ，以便中频放大器进行信号的放 大。第二下变频通常是以正交的方式进行，以得到同相和正交( i 和q ) 信号供数字 信号处理器进行基带处理。 s m 图2 1 超外差式接收机结构框图 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo fs u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r 超外差接收机具有增益大，稳定性好，选择性高，容易调整等诸多优点，被 认为是最可靠的接收机拓扑结构，但是超外差接收机也存在着电路较复杂，存在 较多的片外设备，同时也存在着一些镜像干扰、组合频率干扰和中频干扰等特殊 的干扰，一般采用提高前级低噪声放大器的选择性或者采用二次变频方式解决这 个问题。 ( 2 ) 零中频接收机电路拓扑结构 超外差接收机的频率变换方式是射频下变频到中频，中频下变频得到基带信 号，零中频接收技术【1 9 1 是为了克服超外差接收机的缺点，它省略了中频变换的环 节，即r f 信号不需要变换到中频，而是一次性直接变换到模拟基带同相正交信 号，然后再解调输出的技术。 零中频接收机电路拓扑结构如图2 2 所示，它是采用直接序列扩频系统的接 收机，此拓扑结构能够使射频信号直接下变频到直流信号。 第2 章射频接收机 $ 1 n 图2 2 零中频接收机结构框图 f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo fz e r o - i fr e c e i v e r 其中，高滚降低通滤波器( h i g hr o l l - o f fl o w p a s sf i l t e r ，l p f ) 进行信道的选择， 同时无需使用外部高q 值的抑制镜像干扰滤波器，就能够解决超外差接收机存在 的镜像干扰的问题，相互正交的下变频所产生同相i 信号和正交q 信号以供下一 步的数字信号处理。虽然零中频技术已发展多年，但是该电路拓扑结构目前只能 应用于需要很少d c 能量等对性能要求较低的场合，零中频技术仍然有许多技术 问题需要解决。 ( 3 ) 低中频接收机电路拓扑结构 低中频接收机( l o w - i fr e c e i v e r s ) 拓扑结构【2 0 1 解决集成的片上带通滤波的问 题。低中频电路拓扑结构如图2 3 所示。射频信号经天线接收，射频滤波器进行 滤波，低噪声放大器进行放大进入多相滤波器进行滤波，多相滤波器的特点是它 对于正频率为全通滤波器，而对于负频率为带阻滤波器，该信号随后下变频到正 交的低中频i f ，综合混频器处理了该正交下变频。 低中频电路拓扑结构的优点是它非常适合于射频集成电路，低中频对于寄生 的直流补偿、本振泄露和i m 2 是不敏感的，以多种方式灵活地处理信号，但是这 样的电流结构也带来了一定的问题，由于i 和q 发生器是在片上进行匹配，因此 该电路拓扑结构具有有限的镜像干扰抑制能力。由于在信号路径中采用非对称多 相滤波器虽然加强了镜像干扰抑制能力，但也带来插入损耗并引起噪声的问题。 ( 4 ) 宽带双中频接收机电路拓扑结构 综合零中频和外差电路拓扑结构的优点设计出宽带双中频接收机【2 1 1 ，其功能 框图如图2 4 所示。 z i g b e e 终端射频接收前端的设计 p j 耐 图2 3 低中频接收机结构框图 f i g 2 3b l o c kd i a g r a mo fl o w i fr e c e i v e r 它利用天线接收到的微弱射频信号经过射频滤波器进行镜像干扰抑制，然后 通过低噪声放大器进行信号放大，也利用几个中频级来完成下变频的过程，第一 个混频器是将本机产生等振i 隔正弦信号与射频信号进行混频