（电磁场与微波技术专业论文）bwa收发模块与小型内置天线的研究.pdf

摘要 近几年，由于中围宽带接入网的竞争日益加剧，l m d s 、3 5 g h z 等无线宽 带接入系统成为人们关注的新领域。3 5 g h z 频段兀线接入组网灵活，前期投入 较低，成本回收较快；由于无需管道和电线杆的基建支持，路由限制小，因此建 网比较简单，能迅速提供服务。作为光纤接入的一种补充，它将有效地解决部分 中小用户对高速的数据传输的需求，3 5 g b z 地面固定无线接入传输性能好，能 有效满足话音及中高速率数据业务发展的需要，是b w a ( b r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s s ) 的上乘之选，受到了运营商的青睐。 作为通信系统的构成部分，小型、高性能的天线成为研究的热点。本文的 另一重点主要围绕天线的小型设计展开，并通过实际产品的分析、设计和测试展 现小型移动天线的特点。 本文首先介绍了射频收发电路的分析方法、特性及在b w a 射频收发模块中 的应用，然后介绍目前移动通讯中所涉及到的小型化内置天线的设计的要求与趋 势。根据当前移动电话、固定台的需要，应天线狭小空间的要求，提出了一些新 颖的手机内置式天线设计，对之进行了仿真分析，并对最终的天线工作状态进行 了p a s s i v e 与a c t i v e 测试，进一步验证了所设计的小型化天线满足客户的通话 质量要求与c t i a 认证。对天线的空间要求、主板馈点与短路点的布局给出了一 些建设性的规范与要求，为缩短研发周期、降低风险提供了有益的参考。 关键词：b w a 、射频收发模块、小型内置天线 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h ec o m p e t i t i o no f t h ec h i n e s ew i d eb a n da c c e s sw e bb e c o m e s m o r ea n dm o r eh o t ，l m d s 、3 5 g h za n dt h el i k ew i r e l e s sw i d eb a n da c c e s ss y s t e m h a v eb e c o m ean e wi n t e r e s t i n ga r e at op e o p l e 3 5 g h zb a n dw i r e l e s sa c c e s sw e bi s f l e x i b l e ，a n dl o wi n v e s t m e n tp r o p h a s ea n df a s tc o s tc a l l b a c k ，w h i c hc a nb es e t u pe a s i l y a n df a s to f f e rs e r v i c ew i t hu on e e do fp i p e l i n ea n dt e l e g r a p hp o l e ，s oi th a sl i t t l er o u t e l i m i t a t i o n a sac o m p l e m e n t a r ym a n n e ro ft h eo p t i c a lf i b e ra c c e s ss y s t e m ，3 5 g h z b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e mc a nr e s o l v et h eh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nr e q u e s to f s o m em e d i u mo rm i n o r i t yc u s t o m e r s 3 5 g h zb a n dg r o u n df i x e dw i r e l e s sa c c e s s s y s t e mh a sag o o dt r k a s m i s s i o np e r f o r m a n c ea n di tc a nm e e tt h er e q u e s to f t h ea u d i o a n dt h em e d i u ma n dh i g hs p e e dd a t ao p e r a t i o nd e v e l o p m e n t 3 5 g h zb a n dw i r e l e s s a c c e s ss y s t e m i s t h e g o o dc h o i c e o f t h e b w a a n d i t i s i n t e r e s t i n g t o m e r c h a n t a sap a r to fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s m a l la n dh i 曲一p e r f o r m a n c ea n t e n n a s b e c o m eah o tr e s e a r c hf o c u s ，a n dc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sa n d t e c h n o l o g y , t h i st h e s i sp u t se n l p h a s i so na p p l i c a t i o nr e s e a r c hi ns m a l la n t e n n a t h e c h a r a c t e r i s t i c so fs m a l li n n e rp l a c e da n t e n n aa r es h o w e dt h r o u 【曲a n a l y s i s ，d e s i g na n d m e a r s u r m e n to f r e a lp r o d u c t s f i r s t l y ，t h ea n a l y s i sm e t h o d s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o ni nt h eb w a r a d i o t r a n s c e i v e rm o d u l ei si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h e nt h et r e n do fs m a l li n n e rp l a c e d a n t e n n ad e s i g ni np r e s e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e d b a s e do nt h en e e d so f m o b i l et e l e p h o n ea n df i x e dt e l e p h o n e ，s o m en o v e lt y p ei n n e rp l a c e da n t e n n ao f m o b i l et e l e p h o n ei sp r e s e n t e d t h r o u g hs i m u l a t i o na n dm e a r s u r e m e n t ( p a s s i v e & a c t i v e ) ，t h ed e s i g n e d a n t e n n ac o m p l e t e l ys a t i s f i e dt h eu s e r sc o m m u n i c a t i o n r e q u i r e m e n ta n dc t i aa u t h e n t i c a t i o n s o m ec o n s t r u c t i v ea d v i c et oa n t e n n as p a c e r e q u i r e m e n ta n dp c bl a y o u to ff e e d & s h o r ti sa l s o 百v e i l t h o s er u l e sa n da d v i c e g a v eb e n e f i c i a ls u g g e s t i o n st os h o r t e nr e s e a r c hc i r c l ea n dd e c r e a s er i s k k e yw o r d s ：b w a 、r a d i ot r a n s c e i v e rm o d u l e 、s m a l li n n e rp l a c e da n t e n n a l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文申不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同x - 作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：关交经 签字日期： 2 0 年岁月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解有关保留、使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权可以将学位论文的金部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：昊文弦 签字日期：凇o ) 年，月f 日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 加易文 签字日期：神7 年j _ 月8 日 电话： 邮编： 第章绍论 第一章绪论 1 1 射频技术及移动通信天线研究的现状 近几十年来，无线移动通信是电子信息领域中发展最为迅速的产业之一。利 用无线通信技术可以方便的实现任何人( w h o e v e r ) 在任何地方( w h e r e v e r ) 任何 时间( w h e n e v e r ) ，都能够与任何人( w h o e v e r ) 进行任何形式( w h a t e v e r ) 的信 息交换。 1 8 6 2 年麦克斯韦在引入位移电流概念的基础上，说明时变电场可以产生磁 场，并对电磁场所遵循的普遍规律进行严格的数学描述，创立了麦克斯韦方程组 ( m a x w e l l se q u a t i o n s ) ，预言了电磁波的存在；1 8 8 8 年赫兹( 德国物理学家) 将他的实验结果公布于世，使整个科技界为之震动，赫兹实验不仅证明了电磁波 的存在，同时也导致了无线通信的产生。 1 8 9 7 年，马可尼在陆地和一只拖船之间，用无线电实现了人类历史上第一 次无线消息的传输，这被认为是无线通信的开端，可以认为从那时起射频( r f ) 技术正式诞生了。马可尼的成功使人们意识到可以通过无线电波来代替电线进 行信息的传播，这是具有历史性的。现在用于无线通信的模拟电路都已经发展到 了g h z 波段。个人通信系统中用的低噪放( l n a ) 工作在1 9 g h z 甚至更高的频段 由于无线通信的快速发展，更紧凑的放大器、滤波器、振荡器和混频器电路正在 不断的研究出来，整个移动通信向着设备体积小、重量轻、低耗能的方向不断发 展。射频技术是当代移动通信的基础。 天线作为无线通信系统中的重要部件之一，其性能好坏直接关系到系统的通 信质量。无线通信技术的飞速发展对终端天线提出了更高的要求，天线的小型 化、双频及多频设计在近几年受到特别的关注。 天线的最初功能就是个电磁波能量转换器，将导波能量转换成无线电波能 量或者将无线电波能量转换成导波能量。随着现代科学技术的发展，天线学科与 其它学科之间的交叉越来越广泛，天线学科与其它学科之间的渗透也越来越深 入。天线的功能已从单纯的电磁波能量转换器发展成兼具信号处理功能的系统： 安徽大学硕t 学位论文聃 无线收发模块与小型内置天线的研究 天线的设计已从用机械结构来实现其电器性能发展为机电一体化设计；天线 的制造已从常规的机械加工发展成印刷和集成工艺”1 。 随着移动通信要求的不断提高，这对移动通信应用的天线设计来说需要考虑 更多的因素。研制电小天线，以适应现代技术，使天线能在很小的手持基面上工 作，而且还要满足电特性指标，如g s m 频段，发射功率3 3 + 2 d b m ，接收灵敏度 一( 1 0 5 3 ) d b m ( 误码率 2 o ) ；d c s 频段，发射功率3 0 2 d b m ，接收灵 敏度一( 1 0 5 3 ) d b m ( 误码率 2 0 ) 。在自由空间状态下要有好的全向性， 即：h 面要圆，同时要求天线辐射效率：4 5 左右，驻波比2 ，对于个别频段， 如p h s ，根据实际的场测经验要求效率6 5 ，在此状态下才能基本保证通话切 换、弱场问题，同时要求驻波比i 5 。 来许多困难：1 天线周围电磁环境复杂； 由于移动系统的小型化，给天线设计带 2 空间、面积不足；3 由于通信系统外 围金属装饰件所引起的寄生辐射，使得天线全向性能不好；4 天线交叉极化严重。 当前对于移动通信设备天线，其中小型、宽频带是这类天线设计当中的焦点。 在解决上述矛盾的过程中，以微带天线为主的平面天线逐渐得到人们的广泛关 注，获得了全方位的开发。平面天线的研究主要集中在小型、宽频带两个方向， 同时还有双( 多) 频段、双极化、圆极化、分集等方向，本论文的工作主要集中 在低剖面的手机内置式天线小型化和双( 多) 频段这两个方面。 1 。2 小型天线设计c a d 对于目前的小型移动天线的设计，没有成熟、具体应用的软件帮助实现， 这个主要是因为天线的实际工作电磁环境比较复杂，很难将对天线有影响的各方 面因素考虑进去，如：移动设备外壳及p c b 板的l a y o u t ，这包括p c b 板的t o p 层地的切割，板上器件的布局、天线下方及周围的喇叭、听筒、摄像头等复杂因 素的影响，这些影响因素不可能在仿真软件中充分考虑。需要多次反复的调试才 能达到设计要求；在双( 多) 频设计中，天线的小型化的研究仍然有待深入，尤 其在目前的移动通信终端设备中，要求的是双( 多) 频段的小型化天线；天线的 性能和整机特性息息相关，移动通信设备丰板的e m c 对天线的工作状态亦有明显 的影响，如在测试天线的发射功率、接收灵敏度时，经常发射功率达到通信设备 的认证标准，然而接收灵敏度却不能通过，这个主要是通信设备的主板射频模块 2 第一章绪论 屏蔽问题而引起的频差，或是天线在工作状态下对射频模块引起的干扰所致；移 动设备射频模块的输 i 阻抗与天线的失酣：天线的馈入点与p c bf 层地之间的强 烈耦合影响天线的工作状态等。所有这些在实际工程中所遇到的问题对天线的科 研工作提出了严峻的挑战，同时也给天线的科研工作者提供了课题与方向。目前 商用软件如z e l a n d 、x f d t d 、h f s s 、c s t 等软件还不能真正意义上对建模复杂的 天线进行综合考虑，只能提供相应的简单设计依据。 1 3 本文研究目的与创新成果 通过本文，对b w a 射频收发模块设计、研制过程进行了探讨。着重对射频模 块的频率源、线性功放等方面进行了深入的探讨，并针对当前移动通信系统中小 型化天线设计展开深入研究，并有大量实际的案例进行设计、测试。 本文的结构及创新点： 1 首先，对b w a 射频收发模块的研制过程进行了阐述，对研制中出现的 难点和关键点进行了技术上的分析，并给出了最终样品的测试指标。 2 全面研究了当前移动通信系统中的小型化天线的设计。针对工程实 际案例的内置式天线进行设计、测试( p a s s i v e 测试：包括驻波、增 益、辐射效率；a c t i v e 测试：包括t x 、r x 、t r p 、t i s ) 。 3 根据实际案例及工作总结，给出手机内置天线设计规范、主板l a y o u t 注意事项，为手机研发周期及风险提供积极的建议。 安徽大学硕i 学位论文b 砒无线收发模块与小型内置天线的研究 第二章收发信机卜鲁系统设计理论 2 1 引言 设计无线收发信机，必须要做到秘+ 方面：旨先，必须充分了解通信系统 的全过程，包括基带信号如何从发送端渊一r 入到接收端解调输出的每步，需 要正确计算和估计每一步遇到的情况，理静j 一步的意义。其次，需要选择合适 的元器件、电路以及适当的参数。无线通信的- 仁要指标是：对于数字无线通信来 说，在允许的误比特率下实现高的数j l ：。j 轷速率；对于模拟无线通信来说，就是 达到所要求的语音质量。 2 2 通信系统的组成 所谓通信是指信息从发送端。| ：趋，【u 接收端的过程，实现这一信息传输过程 的系统称为通信系统。 按照电路结构来划分，任何无线通信系统都可以根据其处理的信号分为射频 部分和基带部分。射频部分丰要完成调制、解调、功率放大、低噪声放大、载波 生成和频率变化的功能。 2 3 接收机的性能指标 1 输入特性。1 所有接收机的最主要功能都是将天线接收的信号通过输入电路传送到接收 机前端这时就要涉及到输入电路与天线的阻抗匹配问题，如果在所需的信号频 段上实现阻抗匹配，才能够实现能量的最大化传输但是并不是所有情况都需要 最佳的能量传输，要看实际情况而定，比如有时出于整机的噪声系数的考虑，首先 要实现噪声匹配，将输入噪声影响降至最小，然后才考虑功率问题，即阻抗匹配。 2 增益 通常将部件的输出输入功率之比称为增益，其表示式如下： g = f 0 1 l l ( 2 - 1 ) p 4 第二章收蔑信机的系统设计理论 在接收机中，由于接收机要处理宽频带的信号功率，但是由于在无线中的传播，导 致接收到的信号在传输过程中被衰减几十亿倍，常常信号非常微弱为了能够正 常的接收信号，要保证信号的范围是在天线接收到的噪声和接收机本身产生的内 部噪声之上，以免被噪声所淹没，这就要求接收机必须产生适合的输出功率的电 平来使器件正常的工作 3 灵敏度 它定义为给定接收机解调器前可要求的输出信噪比的条件下，接收机所能 检测到的最低输入信号电平通常用d b m 来表示。灵敏度是随外部噪声电平而变 化的，它不仪与所要求的输出信噪比有关，还与接收机本身噪声有关。接收机的 灵敏度是由基底噪声与所要求的输出信噪比共同决定的。系统的基底噪声越大或 所要求的输出信噪比越高( 输出信号质量越好) ，这就意味着为了保证所要求的 输出信噪比，输入的信号最低电平就需要高，这样就会导致灵敏度降低。 4 动态范围 在一般情况下，接收机的动态范围是用于表示接收机在可容忍的噪声与失真的 条件下能够处理的最强与最弱的信号之比。动态范围的下限是灵敏度，上限由 最大可接收的信号失真决定。动态范围对于不同的器件有不同的定义方法。对 于功率放大器常用“线性动态范围”的概念。它定义为产生i d b 压缩点的输入 信号电平与灵敏皮( 或基底噪声) 之比。而对于低噪声放大器和混频器则常采 用“无杂散动态范围”的概念。即下限输入信号为灵敏度岛。，上限输入信号 为此输入信号在输出端引起的三阶互调失真分量( p o ，) ，折合到输入端恰好等 p 于基底噪声( 即e = 挚，g ，是功率增益) 。 u p 5 噪声系数 一 噪声系数定义为系统输入信噪功率比( s n r ) ，= 鼻u , 与系统输出信噪比 ( s n r ) 。= p o 也的比值 f ：避：型盟 ( 2 2 ) ( s n r ) 。p o n 。 噪声系数常用分贝来表示 n ，( a s ) = 1 0 1 0 9 f ( 2 3 ) 噪声系数可以表示信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度由于 无噪声系统不存在，所以任何系统都会产生噪声。实际系统的噪声系数均大于1 。 6 选择性 选择性是接收机的一个重要特性，是用来表示接收机从所有频率的信号中 安徽大学硕上学位论文b w a 无线收发模块与小型内置天线的研究 提取出所需信号的能力。般由两个特性来衡量，选择性电路必须足够敏锐， 能很好的抑制相邻信道的t 扰和寄乍响应。电路的选择性必须足够宽，能使信 号以较小的幅度失真和相位失真通过。接收信号要由需要的选择性来确定最合适 的边带值，同时也要合理的设定不同的信道间隔，来防止信号间的传输干扰。以 g s m 系统为例，在该系统中使用的频段是8 9 0 9 1 5 m h z 和9 3 5 9 6 0 m h z ，采用的载 频间隔为2 0 0 k h z ，每个载频都要有相同的选择性。这就需要通过引入可由本地振 荡器控制的频率合成器和采用高精度、高稳定度的参考频率振荡器。 7 寄牛输出 寄生输出一般存在于超外差接收机中。在超外差接收机中都有频率合成 器，可能还有多个本地振荡器，在某些频段上可能会产生不存在输入的输出，这 样的输出称为寄生输出。 8 互调干扰 在多信道的共用系统中，多个信道同时工作，必然产生互调干扰。它是由 传输信道中的非线性电路产生的。由于非线性器件的作用，会产生许多谐波和组 合频率分量，其中与所需信道频率相接近的组合频率分量会顺利通过接收机而形 成干扰，这就是互调干扰。 2 4 接收机方案 接收机必须具有低噪声系数、小的群时延变化、小的互调失真、大的动 态范围、良好的自动增益控制、正确的射频r f 增益和中频i f 增益、良好的带内 干扰抑制、足够的选择性和适当的误码率。目前出现的接收机的结构很多，性能 上可接受的主要有三种：超外差接收机、低中频接收机、零中频接收机。 2 4 1 超外差接收机 ( 1 ) 基本结构 超外差体系结构由a r m s t r o n g 于1 9 1 7 年提出，自问世以来己被广泛采用，现在 仍占据了绝对地位：其结构框图如图2 1 所示。微弱射频( r f ) 信号首先通过低噪 声放大器( ( l n a ) 进行放大，l n a 噪声系数对整机的贡献最大，但它提供的增益可 减小后级引入的噪声系数。之前的射频滤波器衰减了带外信号和镜像干扰。使用 6 第二章收发信机的系统设计理论 可变本振，全部频谱就被下变频至一个固定的中频。通过在下变频模块之前使用 一个外部镜像千扰抑制滤波器，镜像一f 扰可以被大大削弱到一个可接受的水平。 在下变频之后使用中频滤波器可以滤除带外的杂波及噪声，对于后面的各个模块 就降低了动态范围要求。第- - - 7 ：变频通常是正交的，以便同相和正交( ( i q ) 信号 的数字处理变得容易。 。 辨 图2 1 超外差体系结构 ( 2 ) 超外差接收机的优缺点： 超外差接收机有三个方面的优点：第一点，有极好的选择性。在超外差接收机典 型结构中，会发现有两种不同类型的带通滤波器，射频滤波器和中频滤波器。射 频滤波器的作用是将相应频带从众多信号中提取出来，起选择频段用，其中心频 率较高，带宽较大。中频滤波器的作用是选择频段中所需的信道，其中心频率较 低，带宽为2 0 0 k h z 。由于中频i f 信号比射频r f 信号低很多，因此在中频频段 上实现对所需信道的选择比在射频频段选择在滤波器q 值的要求低很多，即比较 容易实现。第二点，由于有源器件的特性，在较低频率上实现载带的高增益要比 在较高频率上实现高增益要容易和稳定的多，通常也更经济。将总增益分散到高 频、中频和基带上，容易实现，稳定度高，干扰也少。第三点，在较低的固定中 频上实现解调和a d 变换相对比较容易。超外差接收机的缺点也是很明显的。最 大的缺点是组合干扰频率。原因是实现变频的混频器并不是一个理想的乘法器， 而是一个能完成乘法功能的非线性器件。当这些组合频率落入到中频频带内，将 会对有用信号产生干扰，称为寄生通道干扰。尤其是镜像二r 扰，因为本振和射频 信号混频后，即屹，都产生中频信号，如图2 2 所示。通常需要高q 值的带通滤波器，这些滤波器大都采用晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波 器，其价格昂贵，尺寸较大。 7 安徽大学硕士学位论文b w a 尤线收发模块与小型内置天线的研究 m 氆o 图2 2 镜像干扰 此外，外差式接收机的另一个缺点是出于镜像抑制滤波器和中频滤波器外 接，信号要从片外引进片内输出，所以片上晶体管必须设置在很大的偏置电流下 以驱动无源滤波器的低阻抗和驱动引脚和封装引起的大的容性负载，从而能量消 耗增大，而且滤波器工作频率越高，能耗越大。而且外接元器件之间的信号还存 在这辐射干扰等问题，从而进一步降低了接收机的可靠性。 2 4 2 低中频接收机 在该体系结构中，中频处于较低频率( 典型为几百k h z ) ，因此需要低q 值 信道选择滤波器。图2 3 给出了低中频体系结构框图。射频信号首先被多相滤波 器放大并滤波，在滤波器输出端产生综合信号。该滤波器对于正频率充当全通滤 波器，对于负频率充当带阻滤波器。该信号随后下变频到正交低中频，典型是 1 2 信道带宽的数量级。该正交下变频处理利用了综合混频器。综合混频器只混 合正射频频率和一个负本振频率，因此实现了主动的镜像下扰抑制。低中频体系 结构适于集成，而且对信号处理的要求相对较低，因为在混频器之后使用低q 带 通滤波器就实现了镜像干扰抑制和信道选择。低中频体系结构对于寄生的d c 补 偿和本振泄漏是不敏感的。缺点是它的镜像_ t 扰抑制( 约4 0 d b ) 功能有限。在 信号路径中实现非对称多相滤波器以加强镜像干扰抑制，会产生插入损耗和引起 噪声降低。如果没有适当的预滤波，模数转换器上的动态范围和分辨率要求会大 大增加。此外当该拓扑结构用于宽信道带宽应用时，会导致信号处理的速度加快， 电流消耗增加。另外，还需要良好相位噪声的可变高频本振，也为合成器的设计 增加了难度。 8 第二蕈收发信机的系统设计理论 2 4 3 零中频接收机 图2 3 低中频体系结构框图 该体系接收机l 0 与有用r f 信道的频率相同，即接收机的中频i f 为零，直接 把射频频谱下变频到基带，然后再进行信道选择，如图( 2 4 ) 所示。和超外差接 收机拓扑结构相比，零中频接收机由于中频信号，= 0 从而消除了镜像干扰问 题；同时该体系只有个本振用于下变频信号，减少了混频处理。因此，在节约 成本、减小体积和功耗方面零中频接收机体系结构是极佳的。对于射频前端要求 高集成度的接收机来说很具有吸弓i 力。然而，零中频结构同时也有许多超外差结 构所不存在的应用难题。首先是d c 偏置和本振泄漏问题；如图( 2 4 ) 所示，由 于本振端口和l n a 及混频器输入端口的隔离度有限，必然会有部分本振信号泄漏 到图( 2 5 ) 中a 、b 两点，泄漏信号通过混频器与本振“自混频”就会在c 点产生 d c 分量，这一d c 分量会使后续放大器进入饱和状态，从而影响整个电路的性能。 另外，本振和射频信号频率相同，本振泄漏经由天线辐射出去还会对其他接收设 备产生干扰。对于复杂的通信系统，由于其噪声、选择性和功耗指标难以保证， 在目前，这种方案较少采用。 图2 4 零中频接收机体系结构 9 安徽大学硕七学位论文b w a 无线收发模块与小型内置天线的研究 2 5 接收机的系统设计 图2 5 本振泄漏 在超外差接收机的设计中首先必须确定中频变换的次数和位置。然后确定本 地振荡器的频率范围，其频率范围影响各寄生响应。一般是根据公式 i 0 后i = 五。来确定本振频率。在选择的时候，要根据所在的频段、所用的频 段数、各中频的稳定性、固定带宽滤波器的可用性等各种条件充分考虑。 其次，考虑到系统中各点的增益要影响各点的噪声系数和信号电平，所以必 须合理分配全系统中的增益分布。由于混频器的噪声系数通常比较低，为了达到 最低程度的寄生响应，所以混频器的增益往往不足，而且混频器输入信号小，可 以降低寄生响应的电平，所以为了获得最佳的噪声系数，在第次混频前需要有 一定的增益。在最终信道带宽选择前尽可能降低信号电平值，这样可以减少互调 分量电平值，在确定信道带宽条件下，这就要求末级的中频放大器前增益最小。 接收机的系统规划是一个对各级搜集增益图不断修改的过程。首先进行初始 选择、计算噪声系数、i p 以及最接近射频寄生响应的电平，并且时刻要与设计 指标进行比较。接着再进行一系列的选择，直到最佳状态。 假设某个超外差接收机的射频前端如图2 6 所示，各级的输入输出阻抗均是 5 0 q 且达到阻抗匹配。 图2 6 射频前端示意图 接收机整机最终要的3 个指标是增益、噪声和三阶互调节点的数值。假设双工器 的插入损耗是2 d b 。低噪声放大器的增益是1 5 d b ，噪声系数是2 d b ，镜像滤波器的 插入损耗是6 d b ，混频器为有源混频器，其增益为5 d b ，噪声系数为1 2 d b ，中频滤 波器的插入损耗是5 d b ，中频放大器的增益是2 5 d b ，噪声系数是1 0 d b ，则系统的 l o 雠诊 心 暑 嗽帮 徽伊 暑 辙 第二章收发信机的系统设计理论 两级连接处a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 处的3 个指标如表2 1 所示。 指标 abcdefg 增 f _ f d b 0 - 21 37 1 27 3 2 n f d b 9 7 96 7 92 0 1 1 4 1 1 51 0 li p 3 d 8 m 一1 0 6一1 2 61 15 1 0 0 表2 1 接收机各级增益图 1 增益的计算：计算增益时，应该由前往后计算，只要将各级的增益相加，扣 去滤波器等损耗器件的损耗即可。 2 灵敏度的计算： ( 1 ) 各部件增益及其噪声系数：在接收机各级噪声系数和增益已知时，才可计 算等效输入噪声因子。噪声系数是接收机输入信噪比与中频放大器输出信噪比之 比。以上面的超外差接收机为例，计算噪声系数。计算总的噪声系数要从后面往 前推算，在f 点的噪声系数为以= l o d b ，由于滤波器采用的是无源滤波器，因 此它的噪声系数就是其插入损耗，所以在e 点处的噪声系数为 疋= 巧+ l = l o d b + 5 d b = 1 5 d b ( 2 4 ) 根据级联噪声公式可以得到在d 点的噪声系数。但是要先将各级用分贝表示的功 率增益和噪声系数转换成实数。则 兄= f u m + 若- t s s 肌等d b = 2 5 4 9 d b ( 2 - 5 ) u 混频嚣 o 1 u ( 2 ) 镜像噪声 镜像噪声既可来自外部，也可来自内部放大的镜像热噪声。设计良好的接收 机可将来自天线口的噪声用射频滤波器滤除到可忽略的程度，但低噪放所产生的 噪声不可忽视，在镜像处的各级噪声系数和增益已知后，可求得镜频级联噪声系 数。然后由增益比规一化到信道频段内，镜像噪声对等效输入噪声系数的影响为 = 篱叶即等+ 嚣+ 器，协。， 式中，蹋为镜像噪声对输入噪声系数；，为各级在镜像处的噪声系数；g 为镜频处的各级增益；g 为信道各级增益。 ( 3 ) 本振( l o ) 宽带噪声 与镜像噪声相比，本振宽带噪声下变频到中频比所需信号变频损耗要大。混频器 和本振之间若加带通滤波器，则带通滤波器对噪声边带的影响也需考虑。 ( 4 ) 灵敏度设计步骤 安徽大学硕士学位论文 研a 尤线收发模块与小型内置天线的研究 首先计算等效输入噪声的系数，丰要包括信道增益和噪声系数兄、镜像噪声系 数、磁为本振宽带噪声系数。然后计算总的噪声系数： b = f 。+ f ：+ f ： ( 2 - 7 ) 接收机灵敏度计算如下： 兄( m m ) ( d b m ) = 弓+ ( s n r ) 砌( a b ) ( 2 8 ) 3 三阶互调截止输入功率( 1 i p 3 ) 的计算 由于器件的非线性，在输入功率过大时会产生互调干扰，所以在设计接收 机中，通过预测互调失真确定输入功率的最大值。通常用i p 来蟹量互调失真的 程度，通常只计算三阶的：巨调截止输入点。考虑到末级的输入功率由于经过前面 各级的放大，通常比较大，容易引起互调干扰，所以一般是从后面往前级推算， 来确定进入系统的最大输入功率。对于多级的非线性级联系统而言，必须把每一 级的非线性折算到系统的输入端，这实际上就是总的三阶截点通过每一级的增益 及其三阶截点计算而得到的。般总的三阶截点的计算公式是 上；l + j l + 坠鱼笙+ ( 2 9 ) 鹏( 职) ，( 1 1 t 3 ) ：( 蝎) ， 以上面的超外差接收机为例，说明三阶互调截止输入功率的计算方法。在d 点的 三阶互调截止输入功率为+ 5 d b m ，即3 1 6 w 在c 点，同样可以忽略镜像滤波器只 的影响，但是不得不考虑到滤波器的损耗对系统的线性范围的影响，因此可将镜 像滤波器的插入损耗6 d b ，折合成增益g = 一6 d b ，所以在c 点的三阶互调截止输 入功率为 职，：堡：坐m w = 1 2 5 8 m w = l l d b m ( 2 1 0 ) 1 l0 2 5 l 在b 点，由于低噪声放大器的职，= 一1 2 d b m 即0 0 6 3 m w ，其功率增益为 g = 1 5 d b ，所以在b 点的三阶瓦调截止输入功率为 职。：塑：! ：塑：! ：q ：! 箜型旦m w = 0 0 5 4 m 矽：一1 2 6 d b m ( 2 - 1 1 ) 巧口“i i p 3 u ) 4 m 2 一i 厶ol 2 jc+iip32 x g1 2 5 8 + 3 1 6 x 0 0 6 3 2 6 发射机设计方案 发射机的主要功能是调制上变频功率放大和滤波，它将基带信号进行调制搬 移到所需的频段，并且使之有足够的功率发射。发射机方案很简单，大致可以分 1 2 第二章收笈信机的系统设计理论 为两种：一种是直接变换法，如图2 7 。它是将调制和上变频合二为一，通过一 个电路来实现；另一种为两次变换法。如图2 8 。它将调制和上变频分开，先进 行较低的中频上的调制，然后将已调信号上变频搬移到发射的载频上。 凰一翮一圈 l 匦绸匠划幽 图2 7 直接变换法示意图 一一囵瑁瑁一圜一图谰一圜 图2 8 二次变换法示意图 现在说明两种方案的优缺点： 直接变换法的优点是实现简单，器件少，但是有明显的缺点，由于本振频 率与信号频率不同，如果混频器的本振i = 1 与射频口之间的隔离性能不好，本振信 号就很容易从混频器的射频口输出，再通过低噪声放大器泄漏到天线，辐射到空 间。容易对邻道的本振进行予扰，两且也容易对本地的本振产生影喻，导致本振 频率不稳，直接影响发射机的各项指标。可以采用本振频率和调制载波频率不同 来解决这个问题，因为这样可使发射和本振的频率相差很远，不易产生干扰。 两次变换法可以很好的解决直接变换法韵同题，且由于调制是在较低的中 频上进行的，所以正交的两支路很容易致，但是由于第二次变频后必须采用滤 波器滤除另一个边带，而这个滤波器为了达到发射机的性能指标，其指标可能很 高，不易实现。具体使用哪种变换法，取决于所需的髀频率稻掘应的输入频率。 对于频率较高的r f 频率，为了适当抑制互调干扰，以及由于中频滤波器所引起 的寄生混频器响应，一般要求采用两次变换法。这是因为如果采用一次变频，考 虑到发射频率较高，同时输入频率较低，那么意味着载频的频率较高，这时所需 的本振滤波器要求带宽非常窄、边缘非常陡峭，这样就不够避免的会产生较高的 群时延变化。将导致输出信号严重失真，这样的滤波器即使能实现，也成本太高。 2 7 发射机的性能指标 1 平均载频功率 平均载频功率是指发信机输出的平均载波峰值功率，它是对该载频时隙突 3 安徽大学硕士学位论文 嗍a 光线收发模块与小型内置天线的研究 发脉冲的有用信息比特部分测量的功率的平均值。 2 发射射频载波包络 发射射频载波包络是指发射射频载频功率相对与时间的关系。该指标丰要 测试发射机发射的载波包络在一个时隙期间内是否严格满足标准关于时隙幅度 上升沿、下降沿及幅度平坦度的要求。 鉴于移动通信的远近效应，在与基站通信过程中必须对移动台的发射功率 进行动态调整，以便能保证移动台与基站间一定的通信质量而又不至于对其他移 动台产生明显的1 二扰。 3 射频输出频谱 射频输出频谱主要考虑到为了避免产生相邻信道的干扰。 4 杂散辐射 发信机的杂散辐射是指用标准测试信号调制时在除载频和由于正常调制和 切换瞬态引起的边带以及邻道以外离散频率上的辐射。如果发射部分杂散辐射较 大，会造成对本信道和其他信道的干扰，严重的将不能正常通话。 5 互调衰减 互调衰减是指射频发射设备对由载频和经其天线输入的干扰信号在其非线 性部件产生信号的抑制能力。 6 频率误差和相位误差 发射信号的相位误差定义为发信机发射信号的相位与理论上最好信号的相 位之差，频率误差定义为考虑了调制和相位误差的影响之后，发射信号的频率与 该绝对射频频道号对应的标称频率之差。 7 频率精度 频率精度定义为受到调制和相位误差的影响之后，发射信号的频率与该射 频频道对应的标称频率之差。 8 杂散辐射 杂散辐射是指在除载频和正常调制和功率切换相关的边带以外频率上的 辐射。 1 4 第二章b w a 射频模块的研制 3 1 引言 第三章b w a 射频模块的研制 1 7 1 前，中国的宽带用户发展迅猛，各电信运营商竞争非常激烈，并普遍存在 着有线网络资源缺乏的问题，无法充分满足快速发展的市场需求。3 5 g 无线接 入的优势有”3 ：3 5 g 频段为国家无委统一进行分配，不同运营商的系统之间相互 干扰比较小，系统主要采用的是点对多点的技术；3 5 g 的波长为8 5 7 公分，由 于波长比较大所以雨衰的影响就不是特别大。从采用技术上看，3 5 g 采用的是 基于i p 或基于电路的无线传输技术，技术信令协议简单，实现容易，开销低， 频谱利用率高，业务种类多，接口简单统一，升级容易，为世界主流的宽带无线 接入方案，特别适合于非连接的数据传输业务；就提供的带宽而言，3 5 g 宽带 无线接入系统比较适合于用在城市和郊区，3 5 g 无线接入的业务提供者必须为 传统的网络运营商。 3 2 样机的组成及工作原理 3 2 1 射频收、发模块样机的组成 3 5 g h z 射频收、发模块是宽带无线接入系统( l m d s ) 基站和端站的室外设 备单元。该模块的组成框图如图3 1 所示： 口 图3 13 5 g h z 射频收、发模块组成框图 双工器单元：实现r f 收发信号的频分复用，达到r f 收、发信号共缆传 安徽大学硕上学位论文b w a 尢线收发模块与小型肉置天线的研究 输的目的。 接收单元：实现r f 接收信号的低噪声放大、滤波、下变频使其变为i f 信号。 发射单元：实现i f 信号的上变频，滤波、射频功率放大，以满足射频 发射的要求。 频率源单元：为收、发单元上、下变频提高稳定的木振信号。 中频混合单元：实现上行、下行i f 信号、监控信号的复合与分离，同 时实现电源与信号的共缆传输。 监控单元：完成对发射单元、接收单元、频率源单元的检测和控制。 供电单元：实际是二次电源，提供整个模块工作电源。 3 2 2 射频收、发模块基本工作原理及系统框图 基站和端站的射频收、发模块的工作原理是相同的，这里只介绍基站模块的 工作过程。双工器实现r f 收、发信号的频分复用，同时监测天线开、短路线状 态。从远端来的k f 信号，经双工器进入接收单元，在这里r f 信号经低噪声放 大、滤波、下变频使其变为i f 信号，经中频组合单元电缆传输至室内单元。在 接收单元中，有接收增益控制信号，在端站中还有接收强度信号，显示与监控单 元通讯，在接收的过程中，同时从室内单元来的i f 信号，经i f 组合单元分离给 发射单元，经一中放、上变频、二中放及滤波器，再加上变频、滤波和r f 线性 功率放大，经双工器传输至天线辐射至空间。在此过程中，也有功率控制信号与 监控单元通讯。在接收、发射中担任频率变换的频率合成器，按用户所需的频率 变化实现波导变换，这也由监控单位控制，提供高稳定的本振信号中频混合单元 实现上行、下行i f 信号、监控信号的复合与分离，同时实现模块所需电源与信 号的共缆传输。监控单元则完成对发射、接收、频率源等单元的智能化控制。供 电单位提供整个模块的工作电源。 图3 2 是射频收、发模块的系统框图。 1 6 第三章b w a 射频模块的研制 图3 2 射频收、发模块系统框图 3 3 各单元电路设计 3 3 1 双工器单元设计 双工器是实现射频信号收、发隔离关键部件，性能指标的好坏直接影响系统 的技术参数。其设计制作方法大多采用腔体谐振器来实现，设计计算十分烦琐， 腔体的加工工艺要求很高，且调试的工作量较大，在研制时是先进行h f s s 仿真， 根据客户要求的性能指标参数确定采用几腔，仿真后进行外加工镀银，最后进行 大量的调试，调整各镙栓的深度，并观察双工器在收发频段内各自的回损，最终 确定镙栓在双工器内的深度，形成量产尺寸指标。在检测时还需进行冷热度测试 大功率测试等来确定双工器是否满足客户的各项指标。其技术指标如表3 3 ： t x r x 频率范围3 5 1 5 m l t z 1 5 m h z3 4 1 5 m h z 1 5 t l t z 带宽3 0 删z3 0 m z 插入损耗 2 d b 2 d b 电压驻波比 1 3 1 3 1 7 安徽大学硕上学位论文b w a 无线收发模块与小型内置天线的研究 通带波动 8 0 d b 输入输m 抗 6 0 q5 0 q if 1 。温堑范m一4 0 一+ 6 0 - 4 0 一+ 6 0 m t b f ( 平均故障间隔时间) 1 0 万小时 3 3 2 接收单元设计 表3 1 双工器技术指标 主要技术指标： 工作频率：3 4 0 0 3 4 3 0 m