（电磁场与微波技术专业论文）智能天线射频电路的研究与设计.pdf

i i 摘要 l 本论文题目源自国家自然科学基金项目智能数字多波束天线技术研究 ( 6 9 9 7 1 0 1 7 ) 及国防预研项目智能天线技术( 3 1 5 4 8 ) 。1 论文对智能天线射频前端的设计制作进行了研究。 首先介绍了智能天线研究背景、发展历史，以及射频前端在智能天线中的作 用和组成。之后分别分析了3 9 5 g h z 和1 9 g h z 智能天线射频前端的电路结构，并 对主要部件的工作原理及制作过程进行了论述。 本文的主要工作体现在3 9 5 g h z 智能天线射频电路中低噪声放大器、单平衡 混频器、介质振荡器的设计，以及1 9 g h z 智能天线射频中低噪声放大器的设计。 文中对它们的工作原理及设计过程均给出了详尽的论述。 两套射频电路的低噪声放大器电路均采用了两级场效应管放大，在其增益及 噪声的优化过程中采用了遗传算法这一全局搜索性能较好的数值算法。在对低噪 声放大器设计的各项指标进行详细分析后，针对其优化设计的特点，对遗传算法 进行了适当的调整及改进，并取得了令人满意的效果。 最后，文中给出了3 9 5 g h z 和1 9 g h z 智能天线射频电路的设计结果和实际测 量数据。 关键词：智能天线，低噪声放大器，遗传算法，混频器，介质振荡器 i l l a b s t r a c t t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ep r o c e s so fm i c r o w a v ec i r c u i t d e s i g n ，o rr fb l o c ki n s m a r ta n t e n n as y s t e m f i r s t l y t h e b a c k g r o u n d ，h i s t o r ya n dt r e n d so ft h e r e s e a r c ho fs m a r ta n t e m l a t e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d ，a l o n gw i t ht h eb a s et h e o r ya n dr e l a t e dk n o w l e d g eo fh e t e c l m o l o g y t h ea u t h o rp a ) sm u c ha t t e n t i o nt ot h ep r o b l e mo fr fc i r c u i t s d e s i g ni n s n l a r t a n t e n n as y s t e mi nc h a p t e ro n e ，t h ef u n c t i o na n dc o m p o n e n t so fr fb l o c ki ns m a r t a n t e n n aa r ed i s c u s s e d ，a n dt h eb l o c ks c h e m a t i co fr fc i r c u i ti ns m a r ta n t e n n as y s t e ma t 3 9 5 g h za n d19 g h zi sa n a l y z e d t h ea u t h o r sm a i nr e s e a r c hw o r ki sf o c u s e do nt h ed e s i g no fl n a ，m i x e ra n d d r oi ns m a r ta n t e n n aa t 3 9 5 g h z ，a n dl n ai ns m a r ta n t e n n aa ti9 g h z t h e p r i n c i p l e sa n dd e s i g np r o c e s so f t h e s es c h e m a t i c sa r e a n a l y z e d l o wn o i s ea m p l i f i e ru s i n gf e ti sa d o p t e di nt h er fb l o c ko fs m a r ta n t e n n ab o t h a t3 9 5 g h za n da t1 9 g h z i nt h ed e s i g np r o c e s so fl n a ，t h ea u t h o ra p p l i e sg e n e t i c a l g o r i t h mi nt h eo p t i m i z a t i o no fg a i na n dn o i s ef i g u r e s o m eo ft h ea d j u s t m e n ta n d i m p r o v e m e n ti ng e n e t i ca l g o r i t h ma r et a k e na c c o r d i n gt ot h el n a d e s i g np r o b l e ma n d s a t i s f y i n gr e s u l ti so b t a i n e d f i n a l l y ，s o m ep h o t o g r a p h s o fc i r c u i tb o a r d sa n dt h em e a s u r e m e n td a t aa r e p r o v i d e d k e yw o r d s ：s m a r ta n t e n n a ，l n a ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，m i x e r ，d r o 第一章绪论 第一章绪论 本章首先对移动通信系统中的智能天线技术作了简要介绍，简要回顾了它的 发展历史及现状；之后介绍了射频电路在智能天线中的作用及构成；最后给出了 本论文的章节安排与研究成果。 1 1 研究背景 近年来，全球的移动通信产业得到了迅速的发展。i d c 预测，从全球移动电 话j j 户的增长趋势看，预计到2 0 0 5 年术，移动电话用户将会超过35 亿户，全球 手机市场到2 0 0 5 年将以1 0 9 的速度增长。移动通信在我国的发展也十分迅速， 用户量呈指数律上升。截至到2 0 0 1 年底，中国的移动通信总用户数已经跃居世界 第一。快速发展的中国通信业已经成为世人瞩目的市场，我国已经成为世界上的 通信强国。 随着移动用户的急剧增长，频谱资源匮乏的问题同趋严重，由此产生的通信 容量不足，通信质量下降等一系列矛盾亟待解决。在目前蜂窝小区制以及f d m a 、 t d m a 、c d m a 多址方式下，用户不可避免地受到同一或相邻信道中其它用户的 干扰，这些同信道干扰( c c i ) ，多址干扰( m a i ) 已成为提高容量的主要障碍； 另一方面，由于移动通信应用环境本身的特点，无线信道通常受到多径衰落，多 普勒频移，快时变性等多种不利因素的影响，系统性能受到制约。因此迫切需要 克服现有通信体制的弊病，在新的领域开发出新的通信资源。 为解决这些矛盾，九十年代初，一种新的基于空分多址( s d m a ) 的通信技术 智能天线系统( s m a r ta n t e n n as y s t e m ，简称s a s ) 应运而生。以往的频分多 址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术分别在频域、时域 和码组上实现了用户的多址接入，而智能天线则致力于空域资源的开发，是一条 解决目前频谱资源匮乏的有效途径。 一般地，智能天线被定义为：具有测向和波束形成能力的天线阵列。智能天 线在工作过程中利用的是天线阵列中各单元之间的位置关系，也就是利用了信号 的相位关系，这是它与传统的分集技术本质上的区别。它通过数字信号处理技术 对信号的相位关系进行处理，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到 达方向，在干扰信号到达方向上形成零陷，达到充分高效利用移动用户信号并抑 制干扰信号的目的，从而实现在相同频率、时间和码组上用户量的扩展。在无线 电频谱资源r 益拥挤的今天，智能天线技术具有十分重要的现实意义。 智能天线射频电路的研究与设计 1 2 智能天线的发展历史及现状 二十世纪五十年代，美国出于卫星通信增强信号的需要，丌始研究最初意义 上的自适应天线。1 9 6 4 年3 月和1 9 7 6 年9 月，i e e e t r a n so n a p 分别出版了两期 自适应天线的专辑。早期自适应天线研究主要局限于雷达系统，且其波束形成网 络i 如微波器件完成。 九十年代在线性功率放大器设计中所取得的突破为智能天线在移动通信领 域中的应用奠定了基础，并很快提出数字波束形成技术( d b f ) ：随后，各大通信 公司纷纷介入智能天线的研究。现在，智能天线技术已被公认为第三代移动通信 中的一项关键技术，中国向i t u 提交的i m t2 0 0 0 方案t d s c d m a 更是明确把智 能天线的应用作为基本架构元素。欧、同、美等国都非常重视智能天线技术在未 来移动通信方案中的地位与作用。已经开展了大量的理论分析研究，同时也建立 了一些技术试验平台。 欧洲通信委员会( c e c ) 在r a c e 计划中实施了第一阶段智能天线技术研究， 称之为t s u n a m i 。项目组在d e c t 基站基础上构造智能天线试验模型，于1 9 9 5 年初丌始现场试验。天线由八个阵元组成，射频工作频率为1 8 9 g h z ，阵元间距可 调，阵元分布分别有直线型、圆环型和平面型三种形式。1 9 9 8 年，该项目研究已 进入t s u n a m i l i 阶段。 日本的a t r 光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天 线，并与工程试验卫星( e t s ) 进行通信实验。其天线阵元布局为间距半波长的 1 6 阵元平面方阵，射频工作频率是1 5 4 5 g h z 。 美国卫星通信高级技术计划( a c t s ) 为星上处理的目的，采用了点波束智能 天线。m e t a w a v e 公司对用于不同系统的智能天线进行了大量研究开发。a r r a y c o m m 公司爽先推出应用于无线本地环路( w l l ) 智能天线系统。其产品采用可变阵元 配置，有1 2 元和4 元环形自适应阵列可供不同环境选用。在同本进行的现场实验 表明，在p h s 基站采用该技术可以使系统容量提高四倍。 此外，美国s t a n f o r d 大学，v i r g i n i ap o l y t e c h n i ci n s t i t u t ea n ds t a t eu n i v e r s i t y ， t h e u n i v e r s i t y o f t e x a sa t a u s t i n ，加拿大m c m a s t e r 大学，香港中文大学等也都先 后建立了智能天线的试验平台。 我国早已将研究智能天线技术列入国家8 6 3 3 1 7 通信技术主题研究中的个人 通信技术分项，许多专家及大学正在进行相关的研究。中国邮电电信科学研究院 信威公司曾将智能天线应用于t d d ( 时分双工) 方式的w l l 系统中，并在重庆 市开通了实验网，但没能将以智能天线为核心技术的s c d m a 进行大规模市场化。 目前在国内致力于s c d m a 的研究与推广工作的主要是大唐公司。 第一章绪论 1 3 射频前端在智能天线中的作用及构成 图11智能天线系统原理框幽 智能天线系统原理框图如图1 1 所示。接收信号分别经过8 路射频前端进行放 大、下变频、a d 变换后，分别并行送入自适应数字信号处理器d s p 进行自适应 权值计算。d s p 进行自适应权值计算后产生的权值校正信号通过控制器反馈到前 端，从而控制自适应波束的形成，达到对干扰调零的目的。 在智能天线接收系统中，射频前端的任务是对接收信号进行放大及频率变换， 以满足a d d 变换的要求，其输出信号的质量决定了整个智能天线系统的性能。考 虑到智能天线对误差非常敏感，还要保证射频部分各个支路幅度和相位的一致性。 智能天线射频前端的典型框图如图1 2 所示。 图1 2 智能天线射频前端1 ：作原理框幽 4 智能天线射频电路的研究与设计 1 4 本文的主要工作与章节安排 本文的主要目的是介绍智能天线接收系统中射频| j 端各部分电路的设计及制 作过程。作者的主要工作体现在以下几个方面： 】、完成了3 9 5 g h z 智能天线系统中射频电路的设计及制作，包括f e t 低噪声 放大器、单平衡二极管混频器、介质振荡器的设计工作。其组成框图为： 幽1 3 3 9 5 g h z 智能天线射频前端的组成框幽 接收信号频率为3 9 5 士0 2 g h z ，输出的中频信号其频率为7 0 m h z 。由于是一 个单独的实验系统，可以不考虑干扰信号所造成的接收机互调干扰，因此省去了 天线接收端的微波滤波器；中频信号尚需进行二次变频，故在7 0 m h z 的输出端也 没有加中频滤波器。低噪声放大器输入、输出端的隔离器可以改善驻波特性。 2 、完成了1 9 g h z 智能天线系统中射频电路的设计及制作，主要设计工作为 低噪声放大器的设计工作。其组成框图为： 图1 4 1 9 g h z 智能天线射频前端的组成框图 1 9 g h z 智能天线射频前端采用一次变频方案，将1 8 9 g h z 的锁相频率源( 非 本文研究范围) 的输出本振与1 9 g h z 的接收信号进行混频。混频器由集成芯片实 现，产生1 0 m h z 的中频信号，并经声表面滤波器滤波后输出。 在该系统中，低噪声放大器的输入及输出端仍加有用于改善驻波的隔离器。 第一章绪论 3 、将遗传算法这一数值优化算法应用到低噪声放大器的设计过程中，并取得 了令人满意的效果。 各章安排如下： 第二章针对射频电路的各个组成部分分另u 进行了讨论。 混频器的设计难点在于获得良好的隔离、衰减及驻波性能。在本文提供的射 频前端方案中，本振和低噪声放大器的输出端均加有铁氧体隔离器，故对混频器 本身的驻波及隔离性能没有严格的要求。而混频器的衰减问题在整个剁频电路中 办不是重点考虑的因素，因此其设计难度不高。在3 9 5 g h z 智能天线射频前端中 采用的是单平衔二极管混频器。在1 9 g h z 智能天线射频前端中采用的是集成混频 芯片。文中主要讨论了单平衡混频器的工作原理及设计方法。 39 5 g h z 智能天线采用的射频本振为介质振荡器，19 g h z 智能天线采用的本 振为锁相振荡器v c o 。后者不在本文的研究工作之内，故文中仅对介质振荡器的 理论及设计方法进行了分析。 中频放大集成芯片、声表面滤波器( 1 9 g h z 系统中) 等器件的应用办在本章 做了必要的介绍。 在第三、四章中，对低噪声放大器的设计及优化过程做了详尽的分析。 低噪声放大器对天线的接收信号进行初步放大，其噪声特性对整个射频前端 起着决定性的作用。在第三章中，作者对低噪声放大器的设计原理进行了清晰的 阐述，并结合所选用的器件，对低噪声放大器的功率增益、噪声、稳定性、驻波 等各向指标进行了分析。 低噪声放大器的匹配电路优化是设计中的难点与重点。考虑到问题的非线性 及变量多维等因素，采用了具有良好全局搜索性能的遗传算法。在第四章中，作 者介绍了遗传算法的基本原理和操作过程，之后针对低噪声放大器优化设计的具 体特点，对遗传算法的适应值函数构造、初始种群产生、编码方式及操作过程等 各个步骤均进行了相应的调整，并对优化结果做出了进一步的改善。最后分别给 出了3 9 5 g h z 和1 9 g h z 下低噪声放大器的电路板优化尺寸。 第五章给出了3 9 5 g h z 和1 9 g h z 智能天线射频前端的设计结果及测量数组。 6智能天线射频电路的研究与设计 第二章智能天线射频前端的电路设计 2 1 混频器的原理及设计 智能天线射频电路的混频部分把接收信号由微波频率变换为中频，以便信号 进一步放大及进行a d 转换。在3 9 5 g h z 智能天线中采用的是3 d b 电桥二极管单 平衡混频器；在1 9 g h z 智能天线中采用的是m i n ic i r c u i t s 公司的集成混频芯片 a d e 1 8 w ，其工作原理为二极管双平衡桥混频器。故本节将对二极管混频器的原 理及设计方法进行论述。 2 1 1 混频二极管的工作原理 在二极管混频器中，利用混频二极管的非线性特性产生一个频谱，该频谱以信 号和本振频率谐波的和频和差频为基础，从而达到混频目的。 当有一正弦波电压作用于混频二极管上时，由于伏安特性的非直线性，通过二 极管的电流为一非正弦波。因此作为电流和电压比值的混频电导也不是一个常数， 它也是对时间呈周期变化的非正弦函数 在这里，考虑到混频器的实际工作情况 可将其分解成各个份量助、g 卜勘。 即在混频管上除加有上述的本振电压外 还加有信号电压u s ，中频电压蜥，和镜像电压“k ( 镜像频率和信号频率对本振频 率成镜像对称) 。i , ，和枞为混频管变频后所产生，但它们又可以反作用于混频管， 故在考虑混频管工作状态时应考虑进去。又因为他们属于输出功率，即这部分功 率将要被端接的负载所吸收，所以相位应该是兀。 设： 本振电压比= u l c o s t , o l ， 信号电压u s 2u s c o s e o s t 中频电压u i = 一u i c o s c o ，t 镜像电压u k = 一u x c o s c o k ， 其中除本振电压u l 外，幅度都很小，因此整个混频器的工作可看作一个大信号u 上叠加以小信号u s 、地、“k 。根据非线性电路的基本理论，混频管电流i 为： i = f ( u l + “s + “，十“r ) ：巾。) + 厂，o 。凤叫饥) + 掣k + us 地) z 2 1 其中八“l ) 为二极管的混频电导： 箜三兰塑壁垂些堑塑堕堂笪皇堕望盐 ! 9 2 f 扣) = g o + 2 9 lc o s f + 2 9 2c o s 2 ( o ，+ a ( 2 2 ) 忽略电流的高次项，式( 2 1 ) 可表示为： i = 厂q e ) + 憎o + 2 9 lc o s ( ) t + 2 9 l 2c o s 2 w l ，x “s + “，+ “k ) 。+ ( g o + 2 9 lc o s o ) l t + 2 9 1 2c o s 2 c a l t x u ss i n c o s t - us i n w 。，一u xs i n c o k ，) = ，o + g o u s s i n c o 一g o u ，s i n w 。，一g o u ks i n w f r + g l i u 。s i n l + s ) + g l i u s s i n 如吩一l ，一g t l u s i n 0 l + 。) f + g l i u ，s i n 妇l c o ，( 2 3 ) + gl 、uss 】n 如l 一s 一g l i u ks i n b l + l + g l 2 u s s i n ( 2 c o i 七s 一g l z u ss i n ( 2 c o 一c o s ) t g l 2 u ，s i n ( 2 c o + 国，) f + g l 2 u ，s i n ( 2 w l 0 3 1 ， 一g t 2 u ks i n ( 2 c o l + k ，+ g l ，2 u es i n ( 2 c o 一r ) f 由此可见，在混频器的输出端，存在以下频率： f o = ，卅：+ ，! 五m ， = o ，l ，2 ，人 2 1 2 平衡混频器工作原理 二极管混频器的基本种类包括有两大类：一类采用一个混频管，称之为单端混 频器；另一类采用两个或四个相同特性的混频管，称之为平衡混频器。单端混频 器的电路简单，但性能较差。平衡混频器则具有噪声小、灵敏度高的优点，在微 带混频器中应用最为广泛。在3 9 5 g h z 智能天线射频电路中，采用的就是单平衡 混频器。 图2 1 微带3 d b 电桥平衡混频器 单平衡混频器的电路结构如图2 1 所示。它由二分支线3 d b 电桥、高频滤波电 路、中频通路和一对性能相同的混频管以及中频输出线组成。其中3 d b 电桥做成 变阻形式，其输入和输出是不对称的。输入部分的阻抗对应于标准微带线( 5 0 f d ， 智能天线射频电路的研究与设计 输出部分对应于混频管的阻抗。这样一个电桥同时完成电桥和阻抗变换两种作用， 可使微带电路的面积减小。混频管除了高频电阻部分和信源内阻不等、必须进行 阻抗变换外，尚有高频电抗部分必须将其除去。为此，在混频管和电桥之间，尚 应有一段长度为，的相移线，将混频管阻抗的虚部除去。，的长度可根据测得的混 频管高频阻抗求得。除此之外，高频滤波电路是由低阻的2 9 4 开路线构成高频短 路，接于混频管的另一端，以保证该高频端对地短路，这样可保证信号和本振功 率全部加在混频管上，不致向中频电路泄漏。中频输出线由两混频管中间引出， 其特性阻抗尽量取得高，这样由细线构成的电感对高频有扼流作用使高频功率向 中频电路的泄漏进一步减小。 设信号电压凇从电桥l 口加入，本振电压地从4 口加入，2 、3 口分别接相同 的混频二极管。如果混频管的高频阻抗为理想匹配，相当于电桥2 、3 口接以全匹 配负载，且电桥本身是完全理想的( 结效应及其它因素不予考虑) 。则此时l 、4 口之间应理想隔离，即信号和本振之间的隔离度应为无穷大。同时，根据电桥特 性，1 , 1 s 及1 1 e 通过电桥后均分为二路，从2 、3 口输出。并且对于信号，l l s 2 较z 忉 领先9 0 。；对于本振，“l j 较“2 领先9 0 。因此可写成： s 2 = u ss i n c o s f r万、 u s 3 = u s 8 1 n o ) s t - - - j ， r 石、 叱2 。u c o s c o l t ij 二 叱3 = u c o s ( 0 f ( 2 4 ) 弧、乩分别为二输出臂的信号及本振电压幅度。 相应地，两个混频管的混频电导可写成： 铲 z 扣一詈 + 从， 9 3 = g o + 2 9 lc o s o p l t + 人人 如忽略商次项，流过两管子的混频电流为： g o + 2 9 l c o s ( 叫一s i n 咄 = g o u ss i n c o s t + 2 9 l pss i n c a l t s i n s t = g o u s s i n c o s t g l i u sc o s 0 + s ，+ g l u sc o s ( e d 一0 9 s ， 扣 g o + 2 9 l - c 。s 吼ru s s i n ( r o s 卜三) = 一l g o u sc o s s t + 2 9 l u sc o s ( o c o s o ) 一j = 一g o u sc o s c o s t - g l u sc o s 0 + s ，一g l i u sc o s 0 屯一s ， 第二章智能天线射频前端的电路设计 由于在2 、3 臂所接的二极管极性彼此相反，因此总的输出中频电流i ，为： = i ，2 一f 3 = 2 9 l u sc o s ( o ) 一。( 2 6 ) 如果在本振源中包含有噪声，则在噪声频谱中频谱靠近s 的一部分有可能和 札混频后同样成为中频噪声输出。但在平衡混频器中，这部分噪声可以被抵消。 设本振噪声电压为，则在2 、3 臂的噪声电压“o “订的相位关系和本振电压“协 “2 相同，故差频后的中频噪声电压同相。由于二极管反接，故总的中频噪声电流 正好抵消为零。因此平衡混频器可以抵消本振引入的噪声。 2 1 3 混频器微带电路的设计 c l l c 一瓦了薄 图2 2 不等负载二支线定向耦合器 图2 2 给出了阻抗变换器型的二支线耦合器的一般电路结构形式，其中c 为功 率耦合系数；上、m 和足是表示各臂阻抗关系的系数。四个臂的阻抗可以不相等， 功率耦合系数可以任意取值。在单平衡混频器的应用中，要求电桥的耦合系数c + - 0 5 ( 即3 d b ) 且两个输入臂与5 0 q 标准微带线相接。若所选两只二极管的归一 化工作电导相等，且电路的所有阻抗均对5 0 q 归一化，再利用上述端口条件，则 可得l = i 。再由砰，舻= i l k 2 l 2 严，可求得m = i 。 为了将混频二极管的阻抗通过电桥变换成和标准微带线5 0 q 匹配，需将其虚 部消去。在混频器工作带宽很窄的情况下( 本混频器工作为士5 ) ，采用的方法是 加一段5 0 q 的相移线，使二极管阻抗在史密斯圆图上沿等反射系数圆顺时针旋转 变换到圆图的横轴上，得到具有归一化值s ，或1 机的实数阻抗。卸亦即表示二极管 与5 0 q 微带线失配程度的电压驻波比。 将得到的实数阻抗反归一化后，可得 z o l = z o s ，或z o l = s v z o ( 2 - 7 ) l o 智能天线射频电路的研究与设计 取低阻抗变换时，有 足列v ( 2 - 8 ) k = 1 s 。 取高阻抗变换时，有 乡。1 v f 2 9 1 k = x s 。 在3 9 5 g h z 智能天线射频电路中，采用的混频二极管其工作阻抗是容性的， 此时采用低阻抗变换具有制作方便、结构紧凑( 相移段，口 k 4 ) 的优点，因此按 低阻抗变换进行设计。 设计的平衡混频器其微带尺寸如表2 1 所示。 表2 1 单平衡混频器的微带尺寸 0 7 2 既 1 5 4 1 2 2 0 8 1 乇 7 4 6 如 6 8 0lc7 4 6 l d 4 0 2 图2 _ 3 为平衡混频器的微带电路结构。 图2 3 平衡混频器的微带电路 ( 左：装配前：右：装配后) 在1 9 g h z 智能天线射频电路中，采用a d e 1 8 w 集成混频芯片实现混频，其 等效电路及外观如图2 4 所示。 图2 4a d e 1 8 w 集成混频芯片 ( 左：等效电路：右：外观图) o麴蛹 第二章智能天线射频前端的电路设计 2 2 介质振荡器的原理及设计 由于在1 9 g h z 的智能天线射频电路中，采用的本振电路( 锁相频率源) 不在 本文的研究工作之内，故本节仅对3 9 5 g h z 智能天线射频电路中所采用的本振电 路，目口介质振荡器的原理及设计过程进行分析。 2 2 1 介质谐振器的工作机理 若一平面波投射至两种不同介质( 从1 投射入2 ) 的平面，当入射角大丁 0 ：s i n 】旦 、占2 时，将发生全反射。式中，和印分别为两种介质的相对介电常数。基于这一现象， 处于低介电常数媒质中的一块高介电常数的材料，就可以形成一种非常理想的谐 振腔。因为当p ，s 时0 角很小，电磁场能量基本上在高介电常数的材料之中，辐 射损耗甚小。这种介质谐振器的无载q 值，主要决定于介质内部的损耗。对于相 对介电常数为1 0 0 左右的或者更高的介质谐振器的无载q 值，可近似用下式估算： 9 f ，z ( 2 - 1 0 ) 式中r a n d 是介质谐振器材料的正切损耗。介质谐振器的常用材料的t a n i 的典型值 为o 0 0 0 1 o 0 0 0 2 。所以，q u 值约为5 0 0 0 至1 0 0 0 0 。 基模谐振的介质谐振器的尺寸为介质材料中一个波长的量级。介质中的波长 为： x ? = 2 0 | 0 r 式中而为自由空间的波长；o 是介质谐振器材料的相对介电常数。所以，“很大时， 谐振器的尺寸与自由空间波长如相比就很小。例如，t i 0 2 陶瓷的介电常数约为1 0 0 ， 0 t 0 1 2 0 。而普通的空气填充波导腔的尺寸则与z 是同数量级，所以介质谐振器与 波导空腔相比要小得多。 介质谐振器的谐振频率取决于它的几何尺寸及其周围环境。对于孤立的圆柱形 介质谐振器，其谐振频率( g h z ) 由下式给出”3 ： 肛一3 4 n a c t 。十3 4 5 ( 2 _ 1 1 )。 ，i 上j 式中口为谐振器的半径( m m ) ，l 为高度( m m ) 。具体结构示于图2 5 。 当满足下列条件时，上式的精度约为2 ： 智能天线射频电路的研究与设计 0 5 旦 2 3 0 s 5 0 对于在微带电路中的给定频率的介质谐振器，在设计过程中首先将其直径选定 在下述范围之内： 景地p 景k o 陋四 k o _ ， 式中，是基片材料的介电常数；一为自由空间传播常数。 谐振器的高度可由下式给出： l = 去 t a n 芳c 。m q ) + t a n 。 芳c 。t h q ：) ) c z 一s ， 式中h ? 为基片高度( 见图2 5 ) ，、d ，和n 。分别为传播常数和衰减常数，它们由 下式给出： 其中 r _ _ = 2 一h ：2 = 女“一瑶t 口? = , 2 - k ； 24口05+2405a1+j(243lyo)+0291yo 口 k = 口) 2 ( t 一1 ) - 2 4 0 5 2 2 2 2 介质谐振器与微带线间的耦合 g ； 金属屏蔽盒 一； 也 x 。 基片微带线介质谐振器 图2 5 微带线与介质谐振器的耦合 图2 5 示出了介质谐振器与微带线问的耦合。谐振器放置在陶瓷基片底面上 第二章智能天线射频前端的电路设计 谐振器与微带线间的耦合大小主要由它们之间的侧距d 所决定。为了减少辐射损 耗( 从而提高q 值) 所需的适当的金属屏蔽也会影响t e l 0 6 模的谐振频率。其原因 可用腔体微扰理论来解释。即：当谐振腔的金属壁内移时，若被位移场的贮能主 要为电能，介质谐振器的谐振频率将随之降低；反之，若被位移场的贮能主要是 磁能，如本节所讨论的屏蔽t e l 0 6 模介质谐振器，谐振频率将随之提高。 o ( a )( b ) 图2 6 与微带线耦合的介质谐振器的等效电路 介质谐振器中的t e l 0 6 模用一磁偶极矩m 来近似表示，微带线与谐振器之间的 耦合就是通过使谐振器的磁偶极矩方向与微带线平面( 截面) 相垂直，从而使谐 振器的磁力线与微带线的磁力线链合而实现的。放置在微带线邻近的介质谐振器 的工作类似于一个反应式谐振腔，在谐振频率它发射射频能量【1 5 1 。谐振器耦合于 微带线的等效电路如图2 6 所示。图中厶、c r 和b 为介质谐振器的等效参量，、 c f 和月，为微带线的等效参量，而厶为表征两者间磁耦合的参量。被变压器折换过 来与传输线串连的谐振器阻抗z 为 z - ，鸭+ 巧i 2 2 ( 2 - 1 4 ) 在中心频率附近，c o l 可以忽略，z 简化为 i - 2 1 扛缈见詈而1 ( 2 - 1 5 )1 式中x = 2 q u ( a c o c o ) ，谐振器的无载q 值为 警 在谐振频率，时，= 0 ，有 z 一帼毒 f 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 智能天线射频电路的研究与设计 该式表明图2 6 所示的等效电路可用图2 7 的简单并联谐振电路来表示。 l 图2 7 ( a ) 与微带线耦合的介质谐振器简化等效电路( b ) 最终的等效电路 图中l 、r 、c 满足下列方程： ：堡 ， c 2 蕊l r r = ( - o r o 。i l m 谐振频率0 2 , ，时的耦合系数口定义为： =ir=瓦r=瓦cotq,r鲁l ( 2 - 1 8 ) 酬2 z o2 z o， 、 如果s 1 1 0 和8 2 1 0 为与微电线耦合的谐振器在谐振频率时的反射系数与传输系数，则 可证明口也可按下式给出【1 6 】： 口：血：! 二璺! ：o r l l 0 。 1 5 1 1 05 2 l os 2 l o 这样就可很方便地从可直接测得的反射系数与传输系数来确定耦合系数了。口值亦 可从已知电路结构准确地算得。在屏蔽状况、基片厚度与介电常数给定时，式( 2 - 1 8 ) 中厶；l ，为微带线与谐振器间距离的强函数。 将代入无载、有载与外界品质系数( g 、q l 与g ) 的关系式： q 。= q 。( 1 + ) = q ( 2 1 9 ) 即可求出外界品质因数g 。在通常情况下，用q 表征耦合度。 第二章智能天线射频前端的电路设计 2 2 3介质振荡器的工作原理f 7 】 输入输出 ( a ) 基本组成( b ) 电路形式 倒2 8 反馈式介质振荡器 3 9 5 g h z 智能天线的射频本振所采用的振荡电路属于反馈型稳频振荡器电路， 其基本组成原理如图2 8 ( a ) 所示，它利用介质谐振器作选频网络，以达到产生 振荡和稳频的双重目的。反馈型介质振荡器的电路形式如图2 8 ( b ) 所示。 为了获得理想的稳频效果，必须采用单向性好的晶体管，亦即管子的s 。：应尽 可能地小，希望s i 2 一o 。否则，由于管子的内反馈作用，将无法实现预期的稳频 性能。在设计中，采用的是h p 公司的场效应晶体管a t f 1 3 7 3 6 。 此外，为了能产生振荡，并有足够大的功率输出，在工作频率上的放大器功率 增益肠必须大于介质谐振器反馈网络的功率传输系数口的绝对值，即 k p 例( 2 - 2 0 ) 反馈型稳频振荡器的振荡频率可用图2 9 ( a ) 的等效电路分析求得。 设放大器的输入电容和输出电容分别为c f 和c 口，它们通过介质谐振器与放大 器的输入和输出传输线间的互感上。，和三。，反映至谐振器等效回路中的电抗x 和 五分别是： x i = 矗l 。i 2 蕊| = 囊l z o , r r 砬l x ，= c o | l m ，2 c o c o = k o z o o r ? o 式中，z o f 和z 。分别是放大器输入和输出传输线的特性阻抗；k t 和k 分别是谐 振器与输入和输出传输线间的耦合系数： t ：选二 z r ：尘芷 z 。r ， 这样，电路的振荡频率可按图2 9 ( b ) 的等效电路，由下式决定： 6智能天线射频电路的研究与设计 ( o l 丽1 七x i + x 。= o 解上式可得： = ， + 善i 扯，z 。c ，+ t 。z 。c 。) 一； 其中珊，是未耦合介质振荡器的振荡角频率，q ：，是其无载q 值。 ( 2 2 1 ) f 2 - 2 2 ) 幽2 , 9 反馈，哩介质振荡器的近似等效电路 由于q 。值通常比较大，故有 一q l 卜毒以，乙c ，“r j z m 巴) j q - 2 3 ) 当放大器的输入和输出特性阻抗相等，即z 0 ，= 乙。= 而时，可进一步化简为： 舭 ，一鲁阶叫 p z a ， 在反馈型稳频振荡器中，反馈介质振荡器与输入和输出线间的耦合一般是松耦 合，即岛和都比较小，由式( 2 - 2 4 ) 式可知，该振荡器的频率主要由介质谐振 器的谐振频率，来决定。因此可以得出两个结论：1 、这种振荡器具有很宽的调谐 带宽，从理论上讲，它的调谐范围主要由不等式酶决定，只要满足该不等式， 就能产生振荡；2 、振荡器的频率稳定度主要由介质谐振器的频率稳定度决定，因 为由式( 2 - 2 4 ) 式可得： 告a ( 。r i 卜z - 辔一- ( k c + k c n ) 卜面2 0 , 9 9 地刚 亿：，、 * 等一篆芦c 。) 式( 2 2 5 ) 中等号右边第二项与第一项相比可以忽略不计。 第二章智能天线射频前端的电路设计 2 3 4 介质振荡器电路结构 对于反馈型介质振荡器，输出功率可以从源极端取出，也可以从漏极端取出。 本系统中振荡器输出功率较低( 3 - 4 m w ) ，可以不考虑散热问题。故采用源极输出 的电路形式，因为其所需元件少，而且可以单电源供电。 图2 1 0 介质振荡器电路结构 如图2 1 0 所示，基片选用陶瓷基片，介质放置在漏极与栅极之i 司，其主模t e l 0 6 模同这两根微带线产生磁耦合。三。和g 构成滤波网络，c 0 用于隔直，砖为自偏置 电阻，漏极微带线的端接电阻如与微带线特性阻抗相匹配。漏极微带线的特性阻 抗为4 0 q ，调节其长度可将漏极电阻岛抵消；栅极微带线的特性阻抗为5 0 q ；源 极输出有一个从3 0 q 变换到5 0 q 的直线渐变阻抗变换器。介质谐振器放在场效应 管的漏极和栅极微带线之间，它的位置是根据反馈信号的相位能满足振荡条件、 并有好的频率稳定度和足够的输出功率等几方面因素确定的。在本电路中，耦合 于距漏极微带线开路端约2 9 1 4 处，使介质谐振器同微带线间的耦合最强。 从理论上讲，这种振荡器仅有一个谐振回路，所以是单频振荡工作的。但是 实际电路中有可能存在寄生回路 8 j ，为防止寄生振荡，在场效应管的栅极电路中加 有匹配电阻r g 。 图2 11 3 9 5 g h z 智能天线射频前端的介质振荡器 智能天线射频电路的研究与设计 2 3 中频放大及滤波电路 收信组件的中频放大器部分主要对信号实现进一步放大。采用的芯片是h p 公 司的集成运放i n a0 2 1 8 4 。其主要参数为： 表2 - 2i n a0 2 1 8 4 的主要技术参数 增益f = - 0 5 g h z2 9 3 1 d b 增益平坦度 f = 0 0 1 1 g h z2 d b 3 d b 带宽o 8 g h z 噪声系数 f = 0 5 g h z2 d b l d b 压缩点 f = 0 5 g h zl l d b m 工作电压5 5 v i n a 0 2 1 8 4 的噪声系数较大，为2 d b 。但由于信号已经过低噪声放大器的放大， 其影响相对较小。 i d 3 压缩点是中频放大器中的重要指标，当输出信号幅度大于l d b 压缩点后， 将产生较为严重的失真。经过实际测量，得到i n a0 2 1 8 4 在7 0 m h z 中频时的l d b 压缩点为9 d b m 。 i n a0 2 18 4 的典型外围电路图为： n v 啦 ) 图2 1 2i n a0 2 1 8 4 的外围电路图 在3 9 5 g h z 智能天线射频电路中，收信组件接收到的信号功率为5 0 d b m ，经 过低噪声放大器和混频器后，被放大到一2 5 - 3 0 d b m 。此时采用一级i n a0 2 1 8 4 进 行放大，增益无法达到设计指标；采用两级放大，总增益将超过设计值，且输出 信号功率将超过l d b 压缩点，最后选择的方案是在两级放大的基础上加入2 0 d b 的 冗型衰减器。由于混频器输出的是7 0 m h z 中频信号，尚需做进一步的混频，故未 对此中频信号进行滤波。 在1 9 g h z 智能天线射频电路中，混频器的输出中频为1 0 m h z ，采用的中频 方案是两级放大并经声表面器滤波器进行带通滤波。 第三章智能天线射频前端的低噪声放大器1 9 第三章智能天线射频前端的低噪声放大器 3 1 场效应晶体管的工作原理 在两套智能天线射频收信组件的低噪声放大器部分均采用场效应晶体管对信 号进行放大。其主要特点是噪声低、效率高：采用平面结构，性能稳定，电流放 大倍数随电流的变化较小，并允许在较小的有效面积的条件上，使用较大的接触 面积，从而可将引线电感和接触电阻减至最小。和双极晶体管相比，场效应管不 存在基区电导调制效应，因此线性较好；场效应管是多数载流子器件，少数载流 子不参加导电；抗辐射性能强，能耐高温。 v 2 v s ： 源极 电子流 v g v s 卜十 0l 距离 图3 1 场效应晶体管的基本电极配置 场效应管晶体管( f e t ) 的基本结构如图3 1 所示，两个导电电极之间用一个 控制电极( 栅极) 分开一定距离。该控制栅( 称作栅极) 相对于源极是负偏置的。 因此，对试图从源极流向漏极的电子呈现一个减速势垒。 欧姆接触 v s 2 0 v g+ v d 图3 2 场效应晶体管的典型剖面结构 姆接触 智能天线射频电路的研究与设计 智能天线射频前端的低噪声放大器由两级场效应管电路构成，场效应管分别 选用三菱公司的m g f 4 7 1 4 c p 和m g f1 3 0 2 。它们都属于砷化镓金属半导体场效应 管( g a a sm e s f e t ) 。其结构如图3 2 所示。导电沟道通过两个设置在半导体上且 相隔一段距离的欧姆接触( 称作源极和漏极) 与外界电路相连接。栅极由放在这 两个欧姆接触之间的一个整流( 肖特基) 接触构成。在漏、源极之间加入正电压， 在肖特基势垒区( 称为栅极) 加入负电压。”g s 越负，肖特基势垒区越宽，沟道的 有效截面积越小，漏极电流如将随v g s 变化。所以，这种器件相当于一个压控开关， 它有很高的调制速率，适合在微波频段工作。 智能天线射频收信组件对低噪声放大器提出的要求是：满足一定的功率增益 ( 2 8 3 0 d b ) 和噪声指标( 在1 9 g h z 小于1 2 d b ，在3 9 5 g h z 小于1 8 d b