（通信与信息系统专业论文）24ghz无线局域网射频前端电路设计.pdf

中文摘要 摘要 本文主要分析了工作于2 4 g h zi s m 频段的无线局域网接收机，着重分析了 其射频前端电路的链路预算，仿真了外差式接收机射频前端部分模块电路，设计 实现了i s m 频段的微带天线、低噪声放大器和混频器模块，并对其性能进行了 测试和分析。还对链路预算进行了软件仿真，在不能完全实现系统的情况下，对 接收机系统性能进行了估算。 第一章为绪论，说明了无线局域网的历史以及发展。第二章主要介绍了 i e e e 8 0 2 1 1 b 无线局域网的射频参数以及射频接收机各模块的基本参数，例如s 参数、噪声系数、l d b 压缩点、三阶截断点等常用衡量射频模块性能的指标。第 三章主要结合本文作者在i o t o r o l a 电子有限公司( 北京) n t w sr f 部门c d m a 组 的实习经验，介绍第二章所述参数的常用测量方法。第四章介绍了常用接收机的 结构，同时针对不同接收机不同特点进行了分析，并给出解决其缺陷的一般性理 论。着重介绍了外差式接收机及其衍生结构。第五章对本文所设计接收机应用 a d s 软件进行了接收链路预算，给出了仿真结果。第六章介绍了微带天线的基 本理论，主要以矩形贴片微带天线模型为基础介绍了腔模理论及其在矩形贴片微 带天线中的应用。第七章结合实习经验，设计并实现了应用于2 4 5 g h z 的低噪声 放大器、混频器和天线，同时给出了实现模块的仿真结果以及部分测试数据。 关键词：无线局域网；接收机；低噪声放大器；混频器；微带贴片天线 英文摘要 2 4 g h zw l a nr ff r o n t e n dc i r c u i td e s i g n a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e saw l a nr e c e i v e rw o r k i n ga ti s mb a n d 一24 g h z ，i t f o c u s e so nt h ea r c l l i t e c t 山屯o fr ff r o n t - e n dc i r c u i ta n db u d g e to fr xl i n k i nt h i s t h e s i s ，m o d u l e so f r e c e i v e rr ff r o n t - e n da r es i m u l a t e d ：a n t e n n a , l n a , m i x e rw o r k i n g a tt h i sb a n da r ef u l f i l l e d ，a n dt h e i rp e r f o r m a n c e sa l et e s t e d m e a n w h i l e ，t h ew h o l e r e c e i v e ri ss i m u l a t e dt h o u g ht h et o t a ls y s t e mh a s n tb e e nf u l f i l l e d t h i sp a p e ra l s o e s t i m a t e st h ep e r f o r m a n c eo f t h er e c e i v e rs y s t e m t h ef i r s tc h a p t e ri sa ni n t r o d u c t i o n i td e m o n s t r a t e st h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n t o fw l a n t h es e c o n d c h a p t e rm a i n l y d i s c u s s e sr fp a r a m e t e r sr e l a t e dt o i e e e 8 0 2 1 l bw l a ns u c ha ssp a r a m e t e r , n o i s ef i g u r e ，l d bc o m p r e s s i o np o i n t ， t 1 1 i r di n t e r c e p tp u i n t e t e t h et h i r dc h a p t e ri n c o r p o r a t e st h ei n t e r ne x p e r i e n c eo ft h e a u t h o ra tm o t o r o l ae l e c t r o n i c sl i m i t e d ( b e i j i n g ) n t w sr fd e p a r t m e n tc d m at e a m ， a n di n t r o d u c e s t h et e s tm e t h o do fp a r a m e t e r sw h i c ha r et a l k e da b o u ti nc h a p t e r 2 c h a p t e r4i n t r o d u c e sg e n e r a lr e c e i v e ra r c h i t e c t u r e sa n da n a l y z e st h ed i f f e r e n c eo f d i f f e r e n tk i n d so fr e c e i v e r s g e n e r a lm e t h o d st oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo fr e c e i v e ra r e l i s t e d i tf o c u s e so ns u p e r d y n er e c e i v e r s t h ef i f t hc h a p t e rs i m u l a t e st h er e c e i v e r w h i c hi sd e s i g n e di nt h i sp a p e ru s i n ga d s r xl i n kb u d g e ti sa l s od o n ei nt h i sc h a p t e r , a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa l eb r o u g h tf o r w a r d t h el a s tc h a p t e rf u l f i l l e dt h r e em o d u l e so f t h er e c e i v e r ：l n a , a n t e n n aa n dt h em i x e rt e s tr e s u l t sa r el i s t e di nd e t a i l k e yw o r d s ：w l a n ；r e c e i v e r ；l n a ；m i x e r ；m i c r o s t r i pp a t c h a n t e n n a 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，撰写成博 士顾士学位论文：2 ：4 翊；玉缮旦筮圆盟麴前强生墅途盐：。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。 论文作者签名 砷年月临 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“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管 理办法”，同意大连海事大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) ：豁茹 日期；加7 年2 月 2 4 g h z 无线局域网射频前端电路设计 第l 章绪论 信息技术的飞速发展，使人们对计算机的依赖也迅速增加，用户需要互连的 计算机数量更多，类型也更为复杂。随着通信和网络技术的发展，人们可以根据 不同要求选择不同的网络方案，但是传统的有线网络由于受设计或环境条件的制 约，特别是当涉及网络移动和重新布局时，在地理、逻辑和资金方面普遍存在着 一系列的问题。所以发展一种可行的无线通信网络技术作为现有数据连接的扩充 己成为一种需要。同时随着个人数据通信的发展，人们对无线网络通信的需求也 随之不断提高，希望打破地域或客观条件的制约，能够“实现任何人在任何时候、 任何地方与任何人进行任何方式的通信”。这进一步要求传统的计算机网络由有 线向无线，由固定向移动，由单一业务向多媒体业务发展，作为个人通信的一个 重要组成部分，无线局域网已经掀起了移动通信的新浪潮，在现实及未来社会中 必将得到广泛的应用。 1 1 无线局域网简介 无线局域网出现较早，最早可认为是夏威夷大学于1 9 7 1 年开发出的、基于 封包式的a l o h an e t 。但是其标准化工作开始于2 0 世纪8 0 年代末期，i e e e 8 0 2 委员会在i e e e 8 0 2 4 l 任务组下开始了无线局域网的标准化工作，并于1 9 9 0 年7 月在接收了n c r 公司的“c s m a c d 无线媒体扩充”的提案，成立了独立的 i e e e 8 0 2 1 1 任务组，负责制定无线局域网物理层及媒体访问控制( m a c ) 协议的 标准。1 9 9 1 年5 月，i e e e 8 0 2 i i 发起成立了无线局域网的专题研究小组，并在 马基诺赛的伍斯特举行了第一次关于i e e e 8 0 2 i i 的专题会议。1 9 9 7 年6 月2 6 日，i e e e 8 0 2 i i 标准制定完成，并于1 9 9 7 年i 1 月2 6 日发布。从1 9 9 8 年开始， 许多厂家相继推出了基于i e e e 8 0 2 i i 标准的无线局域网产品，它们大都工作在 2 4 0 0 2 4 8 3 g h z ，传输速率为l 2 m b p s 。同时，欧洲也成立了关于高速无线局 域网( h i p e r l a n ) 的标准化组织，它获得了5 1 3 5 3 5 g h z 和1 7 1 1 7 3 g h z 两个 2 0 0 m h z 频段。1 9 9 7 年完成了h i p e r l a n - i 标准的制定，这促使f c c 发放了包括 5 1 5 5 3 5 g h z 和5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 频段。其中，5 1 5 5 2 5 g h z 用于室内，最 大输出功率为2 0 0 m w ；5 2 5 5 3 5 g h z 用于校园，最大输出功率为2 5 0 m w ；而 第l 章绪论 5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 主要用于社区网络，最大输出功率为1 w 。由于i e e e 8 0 2 i i 速 率最高只能达到2 m b p s ，在传输速率上不能满足人们的需要，因此在不断研究后 于1 9 9 9 年9 月又提出了i e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e 8 0 2 1 i b 标准，它允许通过的最大 传输速率为5 4 m b p s 和l i m b p s 。2 0 0 3 年6 月，又通过了i e e e 8 0 2 1 1 9 标准，它允 许最大的传输速率为5 4 m b p s ，但仍工作于2 4 g h z 频段，且与i e e e 8 0 2 1 l b 兼容。 同时，h i p e r l a n 一2 标准也己制定完成，与i e e e 8 0 2 1 1 a 类似，工作于5 g h z 频段， 最大传输速率为5 4 m b p s 嗍脚。 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。通俗地说，无线局 域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 就是在不采用传统电缆线的同时， 提供传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设施不需要再埋在地下或隐藏 在墙晕，网络却能够随着实际需要移动或变化。无线局域网技术具有传统局域网 无法比拟的灵活性。其通信范围不受环境条件的限制，网络的传输范围大大拓宽， 最大传输范围可达到几十公里。在有线局域网中，两个站点的距离在使用铜缆时 被限制在5 0 0 米，即使采用单模光纤也只能达到3 0 0 0 米，而无线局域网中两个 站点间的距离目前可达到5 0 公里，距离数公里的建筑物中的网络可以集成为同 一个局域网。此外，无线局域网的抗干扰性强、网络保密性好。对于有线局域网 中的诸多安全问题，在无线局域网中基本上可以避免。而且相对于有线网络，无 线局域网的组建、配置和维护较为容易，一般计算机工作人员都可以胜任网络的 管理工作。无线局域网的基础还是传统的有线局域网，是有线局域网的扩展和替 换。它只是在有线局域网的基础上通过无线集线器、无线访问节点、无线网桥、 无线网卡等设备使无线通信得以实现。与有线网络一样，无线局域网同样也需要 传送介质。只是无线局域网采用的传输媒体不是双绞线或者光纤，而是红外线或 者无线电波，以后者使用居多。 1 2 无线局域网的发展和现状 无线接入技术区别于有线接入的特点之一是标准不统一，不同的标准有不同 的应用。目前比较流行的有i e e e 8 0 2 i i 标准( 包括i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 l b 及i e e e 8 0 2 1 l g 等标准) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准以及h o m e r f ( 家庭网络) 标准等 2 4 g h z 无线局域网射频前端电路设计 1 2 1i e e e 8 0 2 1 1 标准 i e e e 8 0 2 1 1 标准是最早起草制定的无线局域网标准，但是随着无线通信的 发展，其l 2 m b p s 的速率已不能满足传输的需求，因此i e e e 工作组又制定了 i e e e 8 0 2 1 l b 标准。该标准采用一种新的调制技术，使得传输速率能根据环境变 化，它采用2 4 g h z 直接序列扩频，最大数据传输速率为11 m b p s ，无须直线传播 且动态速率转换。当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为5 5 m b p s ，2 m b p s 和1 m b p s 。随着无线i e e e 8 0 2 1 1 标准开始深入人心，制造商开始寻求为以太网 平台提供更为快速的协议和配置。而蓝牙产品和无线局域网( 8 0 2 1 l b ) 产品的逐 步应用，解决两种技术之间的干扰问题显得日益重要；同时由于市场上已经普遍 采用了i e e e 8 0 2 1 l b 标准，所以也需要一种能够兼容该标准的更高速率的标准。 为此，i e e e 成立了无线局域网任务工作组，专门从事无线局域网8 0 2 1 l g 标准 的制定，并予2 0 0 3 年6 月通过了该标准。i e e e 8 0 2 1 l g 其实是一种混合标准， 它既能适应传统的8 0 2 1 l b 标准，在2 4 g h z 频率下提供每秒l l m b p s 数据传输率， 也符合8 0 2 1l a 标准在5 g h z 频率下提供5 4 m b p s 数据传输率。 1 2 2 蓝牙技术 蓝牙( i e e e 8 0 2 1 5 ) 标准比i e e e 8 0 2 1 1 标准出现的晚，对于i e e e 8 0 2 1 1 来说， 它的出现不是为了竞争而是相互补充。“蓝牙”是一种较先进的大容量近距离无 线数字通信的技术标准，其目标是实现最高数据传输速度l l b p s ，传输距离为 1 0 1 0 0 米。蓝牙成本低、体积小，可用于更多的设备。“蓝牙”最大的优势还 在于，在更新网络骨干时，如果搭配“蓝牙”结构进行，使用整体网路的成本比 铺设线缆低。 1 2 3 家庭网络的h o m e r f 标准 h o m e r f “1 主要为家庭网络设计，是i e e e 8 0 2 1 1 与数字无绳电话标准的结合， 旨在降低语音数据成本。h o m e r f 也采用了扩频技术，工作在2 4 g h z 频带，能同 步支持4 条高质量语音信道。但目前h o m e r f 的传输速率只有1 m 2 m b p s ，美国 联邦通信委员会建议增加到1 0 m b p s 。 第1 章绪论 1 3 无线局域网射频电路设计面临的挑战 要实现无线局域网就必须实现硬件电路，而在无线局域网中硬件电路实现的 难点是射频电路的设计。 射频电路设计就是对发射电磁信号的电路进行设计，当设计信号频率达到 g h z 以上时，所设计频率的波长可以和组成电路的元件以及传输线的尺寸相比拟， 信号在传输过程中的滞后、趋肤、辐射效应就不能忽略。这时就不能再采用传统 的低频集总参数设计方法去设计电路，应该使用分布参数理论来设计电路。同时， 高频谐波非常容易通过电路板或者元件辐射出去，从而对其它设计模块产生噪声 和干扰。“高频”效应造成设计中不希望出现的结果，诸如：信号污染、串扰、 衬底耦合和寄生效应等。 随着无线通信技术的迅猛发展，需要传输的数据量越来越大，i e e e 8 0 2 i l a 的最大传输速率是5 4 m b i t s 嘲，因此移动通信系统对通信设备提出了新要求。在 加大带宽和提高最终产品功能的市场需求推动下，设计正在进入更高的频率范 围，复杂性不断提高。无线移动通信的信道情况极为恶劣，这对射频级设计提出 了非常苛刻的性能指标要求，要通过复杂的电路设计来达到对信号选择性好、低 噪声、高动态范围以及低功耗的要求。 随着频率的提高，射频电路的设计难度逐渐增加。同时无线移动终端设备的 小型化，使得用在移动终端设备射频电路中的集成电路和晶体管远不如用在基带 上的多。因此使得射频电路设计成为移动通信机设计的主要难点之一。可以说， 射频成为移动通信机和无线局域网设计的瓶颈。原因主要有以下几点： ( 1 ) 由于现有的射频芯片的设计问题，使得设计射频系统无论在系统级还 是在电路级总是冗余，效率不高。 ( 2 ) 与基带可以完全使用成熟的数字集成电路相比，射频级的集成电路还 处在发展阶段。有些器件还需要外接，比如电感还不能完全集成；模块之l 日j 存在 匹配问题。这都给设计造成困难。 ( 3 ) 对射频电路来说，计算机辅助分析和综合工具还出于起步阶段，利用 这些工具进行的分析和综合得出的结果只能起到参考的作用。因为在目前的电路 c a d 软件中，对射频的部分器件的非线性、时变特性、电路的分布参数和不稳定 性以及一些外部器件还缺乏精确的模型，因此射频电路的设计问题在很大程度上 2 4 g h z 无线局域网射频前端电路设计 还依赖于工程师的调试和经验。 1 4 本文的研究背景 射频电路集成化的程度越来越高，随着半导体技术的发展，陶瓷天线、微加 工工艺、光子带隙设计和s i g e 等技术使i c 具有更好的频响特性、增益以及线性 指标”1 。射频元器件朝着小型化、集成化、模块化、质量轻、价格廉的方向发展， 并且能够满足3 g 移动终端多模、多频段、多功能的需求。更紧凑的放大器、滤 波器、混频器和振荡器正被设计出来并交付使用。 现在的计算机辅助工具和综合工具日益发展，国外的微波射频仿真软件也越 来越成熟，同时也得到广泛应用。例如：a n s o f t 公司用具有数据输入和可视化 功能以及时间、频率和混和模式仿真的a n s o f td e s i g n e r 来支持射频电路设计； a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m 高频仿真软件可以进行原理图输入，拥有若干仿真引 擎，可进行模拟电路的综合，也可完成生产定制功能。射频器件以及微波仿真设 计工具的发展导致新型的微波和射频电路从平面向立体的层面发展，而且布线日 趋密集。 本文主要利用a d s 高频仿真软件针对8 0 2 1 l b “1 的无线局域网射频前端电路 进行系统级和电路级的仿真设计，同时利用优化速度较快的c s t 5 0 软件对天线 进行了仿真和优化，在板图绘制方面使用了p r o t e l 9 9 s e 软件。 本设计所实现模块所用芯片由m o t o r o l a 电子有限公司射频部门c d m a 项目组 提供，低噪声放大器及混频器均应用在作者所参与的p i c oc e l l 基站项目中，芯 片的使用也得到了公司的同意。同时，本文所设计的天线为作者导师主持的“第 四代海上通信卫星接收机微带天线研究”项目中的一部分，其最终结果也应用到 了工程当中。 1 5 论文章节安排 本文主要论述了基于i e e e 8 0 2 i i b 的无线局域网技术，着重分析了无线局域 网的射频前端的电路结构和链路预算，仿真了外差式接收机射频前端各模块电 路，设计实现了i s m 频段的天线埘、l n a 。“和混频器模块，并对其性能进行了测 试和分析。还对链路预算进行了软件仿真，在不能完全实现系统的情况下，对接 第1 章绪论 收机系统性能进行了估算。 第二章主要介绍了i e e e 8 0 2 1 1 b 无线局域网的射频参数以及射频接收机各模 块的基本参数，例如s 参数、噪声系数、l d b 压缩点、三阶截断点等常用衡量射 频模块性能的指标。 第三章主要结合本文作者在北京摩托罗拉电子有限公司n t w s 射频部c d m a 组 的实习经验，介绍第二章所述参数的常用测量方法以及射频测试仪表的基本使 用。 第四章介绍了常用接收机的结构，同时针对不同接收机不同特点进行了分 析，并给出解决其缺陷的一般性理论。着重介绍了外差式接收机及其衍生结构。 第五章对本文所设计接收机应用a d s 软件进行了接收链路预算，给出了仿真 结果。 第六章介绍了微带天线的基本概念，着重阐述了空腔模型理论分析 第七章设计并实现了应用于2 4 g h z 的低噪声放大器、有源混频器和微带天 线，同时给出了本文的实现模块的仿真结果以及大量测试数据。 2 4 g h z 无线局域网射频前端电路设计 第2 章无线局域网射频前端参数介绍 2 1 无线局域网射频前端模块参数简介 本论文是依照i e e e 8 0 2 1 l b 射频系统规范进行设计，所以对应用于8 0 2 1 1 b 规范的射频系统前端模块基本参数做进一步的说明。 2 2s 参数 晶体管可以用一个二端口网络来等效，而二端口网络通常是用它的端口参数 来描述其而不必知道网络内部参数，如混和参数h ，阻抗参数z ，导纳参数y 。 在射频和微波频段使用最多的是s 参数“”。s 参数也称为散射参数，暗示信号分 散为不同的参量，散射参数即描述信号的分散程度和其分量的大小。在电子系统 中，它有两个分量：入射波和反射波。因此，s 参数是基于入射波和反射波之间 关系的参数。下面介绍二端口网络的s 参数，如图2 1 所示 定义 瓦 l2 3l pr rr 图2 1 二端口网络的s 参数模型 f i g 2 1sp a r a m e t e rm o d e lo f t w o - p o r tn e t w o r k 口。：i i l 尹( k + z 。l ) ”丽“。h 咖壶( 圪- z 。l ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 第2 章无线局域网射频前端参数介绍 兵中n 为l ，2 z 。为输入传输线的特性阻抗。一般而言，输入输出传输线的特 性阻抗不相同，为了简单起见，假设它们相同。 由( 2 i ) 和( 2 2 ) 得到 圪= i ( 口。+ 吮) ( 2 3 ) j 。= i ( + 吒) ( 2 4 ) 只= i 1k e ( ) = 扣。 2 一i b 1 2 ) ( 2 5 ) 其中k = 曙+ 吁，l = c + 中的入射波和反射波隔离，曙、c 为入射波，吁、 i ：为反射波。 得到 铲去2 厨 汜e ， 6 2 再v - = 一玩 ( 2 7 ) 则= 瞄+ 巧= z 。片- z o ，根据上面的推导，得到以下等式，用以定义s 参 数： 耻扯。 眨s ， s , 2 - - 丑。，1 。 ( 2 9 ) 耻缸“ ( 2 1 0 ) = 鲁i 。 汜 其中，s 。是在二端口网络输出端匹配的情况下输入端口的电压反射系数；s ：是 输入端口匹配的情况下二端口网络反向电压传输系数；s ：是输出端口匹配的情 况下二端1 ：1 网络正向电压传输系数；s 2 2 是输入端口匹配的情况下二端口网络输 出端电压反射系数。 2 4 g h z 无线局域网射频前端电路设计 2 2 信号功率增益 信号功率增益为信号通过电路时被放大或衰减的量，最基本的定义为输入端 信号与输出端信号功率的比值，增益通常以g 表示，若单位为d b 时则正值表示 放大，负值表示衰减，其数学表达式为： g ：曼( 2 1 2 ) s 。 其中s 。为输出功率，s 。为输入功率。 2 3l d b 功率压缩点 由于有源电路所具有的非线性特性，使得功率增益会随着输入信号的强度增 大而降低，当实际输入信号比在理想线性范围所估计的输出信号低l d b 时，其电 路增益恰好比线性增益低l d b ，则此时的输出信号功率即为输出l d b 压缩点 ( 0 毋。) 。图2 2 为l d b 增益压缩点示意图。若从数学分析上来看，一个具有非 线性特性的有源电路通常可以表示为 y ( r ) = k l x ( t ) + k 2 x ( r ) 2 + 后3 z ( f ) 3 + 毛x o ) + 七2 x ( f ) 2 + k 3 x ( t ) 3 ( 2 1 3 ) 假设一输入信号 x o ) = a e o s r _ o t ( 2 1 4 ) 则输出信号的同频项为 y ( f ) = ( 后1 a + k 3 a 3 ) e o s c o t = ( 七l + k 3 a2 ) x ( f ) ( 2 1 5 ) 由( 2 1 5 ) 式可以发现总增益等于( 毛+ 屯4 2 ) 是线性增益参数后。和三次项系 数舷的函数，由于k 3 通常为负值，所以当输入信号强度增强时，总增益也就会 随之降低。而当信号达到l d b 压缩点时，表示有源电路开始饱和，无法继续再线 性地工作。依据定义可以推得l d b 压缩点在5 0 c 负载下为 ( d b m ) = 1 0 l o g 菩+ o 6 2 ( 锄) ( 2 1 6 ) 若有多个电路器件级联时，其多级器件的串接总l d b 压缩点则可以表示为 第2 章无线局域网射频前端参数介绍 p d s = - - 1 0 l o g 喜面拓 2 4 噪声系数 ( 2 1 7 ) 图2 2i d b 增益压缩点与与输出三阶交调点示意图 f i g 2 2i l l u s t r a t i o no f p l a n do i p 3 噪声系数为描述电路对信号信噪比破坏能力的参数。换言之该参数表示信号 经由电路处理后，电路本身所引入的噪声对信号所造成的影响，其最基本的定义 为输入端信噪比与输出端信噪比的比值，噪声系数的数学表达式为： f ：旦堕：墨! 丝= 14 堕 ( 2 1 8 ) s o 0s 。( + 埘) n ， 其中f 为噪声因子，噪声系数 r f = 1 0 1 0 9 f ，“为电路本身所产生的额外 噪声。对于无源器件而言，其差损即为该器件噪声系数。着器件差损为ld b ， 则其噪声系数即为ld b 。 若考虑n 个双端口网络级连，其增益为g l g ，噪声系数对应分别为 e n f ，则总噪声系数可以表示为( f r i i s 公式) ： 哦- 1 + ( 嬲_ 1 ) + 等+ + 币n 磊f ( 2 1 9 ) 从f r i i s 公式可以看出，总噪声系数受第一级影响最为严重，其后级噪声系数 2 4 g h z 无线局域网射频前端电路设计 都会因为前级增益的影响而下降。因此在射频系统接收链路设计上，第一级元件 的噪声系数最为关键，通常会使用低噪声放大器降低噪声，同时可以提高增益。 在实际应用中，一般只需考虑前两级的噪声系数即可。 2 5 三阶截断点 考虑此参数的原因，是由于多个相邻信道传输时，临近信道的信号会因为电 路的非线性特性，在输出端产生交互调制的失真干扰项，从而对我们所需信号造 成同频干扰。输出三阶截断点则是对于这种破坏力的一种衡量参数。其基本的定 义为非线性电路输出端的交互调制项的强度与输出信号功率相同时即为三阶截 断点。图2 2 说明了该参数的概念。如果从数学的角度来看，假设两信道同时输 入信号为： x ( t ) = ac o s m l t + a c o s 2 t ( 2 2 0 ) 结合( 2 1 3 ) 式，则输出信号司表不为： m 娟+ 竿s 咿 警船町 汜。， + 竿c o “2 m t + 吧) f + 竿c o s ( 2 吐q 肌 整理可得三阶交调项为 儿( f ) ：丝【c o s ( 2 q 国2 ) r + c 。s ( 2 0 。2 劬) f 】 ( 2 2 2 ) 若此信号刚好落到原二输入信号的隔壁信道上，则会对临近信道造成同频段 干扰。图2 3 说明了三阶交调的干扰信号，经过非线性电路后，落在相应频带内 造成的干扰现象。 。麓号 掌髓电舞 。b 。；兰、 二二二。三：丈+ 一1 步卜矗毒毒q 鸭搿舴 一鸭哆- 掰耵 2 鹏一避舰一嘲 图2 3 交调失真示意图 f i g 2 3i l l u m ：f a f i o no f i n m r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n 第2 章无线局域网射频前端参数介绍 由于在接收链路上，天线接收的信号中常伴有其它无线通信系统或周围环境 干扰信号，因此在接收机设计上，三阶截断点也成为衡量接收机线性度优劣的一 项重要指标。当三阶交调输出信号与有用输出信号相等时，此时的输出功率即为 输出三阶截断点。求法如下： 假设k l 9 k ，a 2 4 ，则根据三阶交调的定义，可得到干扰项与信号项的关系为 2 0 l o g a p 3 = ( 2 0 1 0 9 a q 一2 0 l o g a l u ) + 2 0 l o g a m ( 2 2 3 ) 其中a 玛表示三阶截断点，a w ，表示三阶交调项的功率，a 。则表示双音信 号的输出功率，以表示输入功率。重新整理该式，得到以d b 形式表示的输出三 阶截断点公式 d 以：3 0 p o , 1 - 一o p i u ( 2 2 4 ) 2 4 g h z 无线局域网射频前端电路设计 第3 章接收机各模块基本参数测试方法简介 在实际射频电路设计中，尤其是接收机设计中，对于各模块以及链路的基本 参数的调试测试非常重要。由于现在市场上存在的仿真软件这样那样的缺陷，使 得仿真结果在一定程度上只能起到一个参考的作用，甚至可以说是一种定性的分 析。当整个电路制成电路板之后，需要针对不同模块对不同参数的规范要求来进 行调试和测试。本章将结合笔者实习的经验给出一些第二章介绍过的常用参数的 测试方法。 3 1 常用射频测试设备介绍 3 1 1 矢量网络分析仪 矢量网络分析仪是射频电路测试的最基本仪器。现代网络分析仪以幅度、相 位、延时、极坐标、s m i t h 圆图、驻波比等形式测量系统的各项网络参量，如： s 参数、阻抗参数、驻波系数、回波系数、回波损耗、插入损耗和插入相移、通 频带宽、群延时；放大器增益、平坦度、增益压缩点；混频器变频损耗等。其测 量频段高达4 0 g h z 乃至1i o g h z ，测量速度可达每点0 0 4 毫秒，动态范围1 4 0 d b 以上，有些网络分析仪还附加了时域分析功能，可用于电缆、谐振腔等的故障定 位和调整。同时，为了方便测试以及数据采集，一些公司还开发了一些专用软件， 如a g i l e n t 公司开发的i n t u l i n k ，可以方便的通过g p i b 接口使计算机与矢网等 测试设备连接，通过计算机控制抓取测试数据和图形，提高了测试效率。 3 1 2 频谱分析仪 频谱分析仪是射频电路测试的最基本仪器。现代频谱分析仪可以用于最基本 的频谱测量以外，也能测量e v m 、i q ( 幅度、相位、频率和偏移) 和幅度跌落。 部分新型号还附加了针对w l a n ，w - c d m a ，g s m e d g e ，l x e v d o ，c d m a 2 0 0 0 ， c d m a o n e ，t d s c d m a 等不同网络标准的测试选项。其显示选件包括i q 眼图、极 矢量、和星座图，幅度误差对符号、相位误差对符号、以及e v m 对符号。其测量 频段高达2 6 5 g h z 。 第3 章接收机各模块基本参数测试方法简介 3 1 3 噪声系数分析仪 适用于快速、准确和可重复的噪声系数测量。测量范围o 3 0 d b ( 一2 0 + 4 0 d b ) ，噪声系数不确定度通常小于等于o 2 d b 。其测量频段高达2 6 5 g h z 。 其测量需要与噪声源配合使用。 3 1 4 信号源 2 5 0 k h z 至1 、2 、3 、4 、6 g h z 的频率覆盖，使用外部i q 输入时的1 6 0 m h zr f 调制带宽，或使用内部基带发生器时的8 0 m h zr f 调制带宽。i o o m h z 采样率，带 1 6 b i t ，4 0 0 u h z 的数模转换器( 4 倍过采样率) 3 2 m 采样( 1 6 0 m b y t e ) 。基带存储 器用于波形存储的6 gb y t e 硬盘驱动器。内部误码率分析仪宽带f m 和相位调制， a m 和脉冲调制定制数字调制( 大于1 5 种f s k 、m s k 、p s k 和q a m ) 。固件专用件( 3 g p p w c d h i a ，c d m a 2 0 0 0 i s 一9 5 a ，g s m e d g e n a d c ，噪声) 和s i g n a ls t u d i o 软件专用 件( 8 0 2 1l a ，8 0 2 1 l b ，蓝牙，l x e v d o ) 。l o b a s e tl a n ，g p i b ，和r s - 2 3 2 连 接能力。 3 1 5 功率计及其它 常用其它射频测试设备还包括功率计、电源以及其它无源连接头、转接头、 隔离器、衰减器等等。当然如果需要做产品级的测试，那么还需要包括高低温测 试仪器，震动测试仪器，测试噪底的仪器等。如有必要还可以根据需要购买专门 针对某一网络制式的综合测试仪器。这些设备组合在一起就可以对第二章所述的 诸多参数进行测试。本章的第二节将着重介绍各主要射频参数的测量方法。 3 2 基本射频参数测量方法 3 2 1s 参数 测量s 参数的基本仪器是矢量网络分析仪。测试前需要根据所需频段对网络 分析仪进行校准。校准时需要注意一下几点：设定起始截止频率( 或中心频率和 频带宽度) 、设定矢网内部信号源输出功率、设定采样点数。之所以需要设定这 2 4 g h z 无线局域网射频前端电路设计 些值是因为需要在后期数据处理结束后标明上述参数，以给出一个测试标准，以 便日后测试结果有出入时进行比对。设定好之后即可进行校准，一般进行双端口 校准，对于新型的四端口网络分析仪，也只需要按照二端口校准的方法进行校准。 以二端口为例，校准结束之后通常用直通件进行一下基本测试，检查校准结果是 否正确。之后把网络分析仪的p o r t l 接到待测器件( 以下简称d u t ) 的输入端， p o r t 2 接输出端即可进行s 参数的测量。对于无源器件而言，s ，s 。分别为输入 输出端口的回波损耗，s 。通常用来代表插入损耗，s 。为输入输出端口隔离度。 对于有源器件，s 。则通常称为增益。如图3 1 所示。当然有些有源器件，比如可 变增益放大器可以通过改变其控制电压使其s 。为负值。测量时需要注意的问题 是，如果测量有源器件，需要估计其输出功率，必要时加入衰减器，防止输出功 率过大烧坏仪器。 d u t v n a p o r t l g p i b p o r t 2 图3 1 使用网络分析仪测量s 参数 f i g 3 1sp a r a m e t e r t e s tu s i n gav n a 对于测试数据的保存，型号比较老的网络分析仪一般通过软盘或者与局域网 连接保存数据到软盘或者电脑硬盘。新型的网络分析仪，比如e 5 0 7 1 b 本身安装 了w i n d o w s 操作系统，仪器自带硬盘，而接口类型也很丰富，提供u s b 接口，方 便数据存储和转移。这里着重介绍g p i b 接口，该接口可以将电脑与设备连接， 通过a g i l e n t 公司提供的i n t u l i n k 软件界面，非常方便的进行数据和图形的抓 取。同时该软件与g p i b 配合还可以抓取d u t 的s 2 p 文件，把调试好的d u t 的s 2 p 文件导入a d s 仿真工具中，可以方便的计算该d u t 的稳定性( 不稳定性) ，大大 节约了时间。 第3 章接收机各模块基本参数测试方法简介 3 2 2 功率增益 实际上面介绍s 参数测量时已经提到，对于有源d u t ，其s 。即为增益。当然， 测量增益的方法还包括：使用信号源和频谱仪( 或功率计) ，读取输入与输出之 间的差值( 单位为d b ) 即为d u t 的增益。但是，普遍采用的还是使用网络分析 仪测量功率增益，方法比较简单，不再详述。 3 2 3l d b 压缩点 l d b 压缩点是衡量有源器件线性度的重要参数，其测量方法有两种，一种方 法是通过信号源输出一个单音信号给d u t 输入端，d u t 输出端接衰减器后接到功 率计( 或频谱分析仪) 。将连接线以及衰减器的损耗补偿之后，当信号源输出功 率为o d b m 时，功率计的输出即为d u t 增益，逐步增大信号源输出功率，会发现 功率计读书开始不按照线性增长。调节信号源，当功率计与信号源读数差值恰好 比增益小l d b 时，功率计的读数即为该d u t 的l d b 压缩点。上述方法为比较常用 的方法，也比较准确，测试需要注意的如果用频谱分析仪测试，由于输出功率较 大，需要外加衰减器，防止烧坏频谱分析仪；另外，测量之前还需要将线的损耗、 衰减器损耗在功率计( 或频谱分析仪) 中补偿掉，这样读数更为直接方便。测试 框图如图3 2 。下面介绍第二种方法，用矢量网络分析仪的频率扫描功能进行测 试，测试方法很简单，只需将d u t 接入矢量网络分析仪对应两端，然后调节网络 分析仪到功率扫描选项，设定合适的输出功率对l d b 压缩点进行扫描。这样的好 处是通过标记所得曲线，读数差值更为直接，可以快速粗略的得到结果。这样测 试的两个问题是：一方面，结果不准确；另一方面，由于矢量网络分析仪内部信 号源输出功率有限，对于线性度比较高的d u t ，其输出给d u t 的功率不足以使d u t 增益发生压缩。解决的办法是在o u t 前再加一级放大器即可( 一定不能是衰减器， 因为本来功率就不够，加了衰减就更不够) 。通过自 级的放大，可以使d u t 发生 增益压缩，从而得到p 。需要注意的是信号经过两级放大器放大，输出功率较 高，需要外加衰减器，防止烧坏仪表。测试框图如图3 3 。 2 4 g h z 无线局域网射频前端电路设计 3 2 4 噪声系数 图3 2p t m 测试方法一框图 f i g 3 2o n ew a yo f t e s t i n gp l d b 图3 3p ，m 测试方法二框图 f i g 3 3a n o t h e rw a yo f t e s t i n gp l d s 单个放大器模块的噪声系数测试“2 1 非常简单，只要按照所需频段依据噪声源 上对应的数值，噪声系数分析仪校准之后，即可接上d u t 进行测试，可以设定不 同频点进行读数。但是对于混频器模块或者整个接收机模块的噪声系数的测试就 稍微复杂一些，因为输入信号与输出信号不同频( 经过混频器) 。此时，只需将 噪声系数分析仪上的l 0 输出接到混频器模块的l 0 端口，即分析仪为之提供本振， 然后再按照上述测量放大器的方法测试即可。测试框图如图3 4 所示。 第3 章接收机各模块基本参数测试方法简介 3 2 5 三阶截断点 图3 4 噪声系数测试框图 f i g 3 4i l l u s t r a t i o no f t e s t i n gn f 三阶截断点“3 1 同样为衡量d u t 线性度的重要指标“，常用测试方法为双音测 试：使用两个信号源，各发一个单音信号，两信号频率间隔通常为1 m h z ，例如， 9 0 0 m h z 和9 0 1 m t t z ，幅度相同。两个信号经过隔离器和合路器之后形成一个双音 信号，输入到d u t 的输入端，调节其幅度，使频谱分析仪上的三阶交调信号幅度 足够可见，这时即可通过频谱分析仪读取三阶截断点值。其测试框图如图3 5 所 示。 图3 5o i p 3 测试框图 f i g 3 5i l l u s t r a t i o no f t e s t i n go i p 3 2 4 g h z 无线局域网射频前端电路设计 第4 章无线局域网接收机理论分析 在无线通信系统的射频接收机实现上，射频电路结构的选择不仅决定了该射 频收发机的性能，同时也决定了该收发机模块在实现上所需使用的集成电路芯片 与外