能力拓展训练报告-软件无线电中的射频电路设计方案

1、武汉理工大学能力拓展训练报告摘要软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势力要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（a/d和d/a变换）尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。报告中着重介绍了软件无线电领域中有关射频电路设计方面。 abstract the basic idea of software

2、 defined radio is a generic, standard, modular hardware platform as the basis, through software programming to implement wireless station a variety of functions, from hardware based, for use in radio design method of liberation. the software realization forces required to reduce the single function,

3、 poor flexibility of the hardware circuit, especially the reduction of simulation link, the digital processing ( a / d and d / a transform) as close to the antenna. software radio architecture emphasizes open and programmability, via software update change of hardware structure, realize the new func

4、tion. software radio standard, high performance open bus structure, in order to facilitate the hardware module upgrade and expansion. the report focuses on software radio is introduced in the field of rf circuit design.1. 射频电路设计与性能指标1.1射频电路模块介绍 射频简称rf射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的 简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，

5、大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。有线电视系统就是采用射频传输方式的在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频，英文缩写：rf。图1.1是射频前端收发电路。从图中可以看出一个典型的射频电路分为发射和接收两个部分。每个部分包括以下几个模块：开关（功率分配器）、低噪声放大器(lna)、混频器

6、(mixer：降频器和升频器)、射频滤波器和本地振荡器，功率放大器(pa)、中频滤波器和中频放大器。图1.1射频发射与接收电路在发送信号时，从基带模块送出的模拟信号，经中频放大、混频器中的升频器、功率放大器(pa)，然后再通过天线发送出去。通过天线接收进来的射频信号经滤波和低噪声放大器(lna)放大后，与本地振荡器所产生的本地振荡信号经混频器混频(这里是降频器)，产生固定的中频信号if，然后，经放大后送到基带部分。典型的射频收发设备除了功耗、速度、成品率等性能要求外，还要面对噪声、线性范围、增益等指标。射频通信电路中的放大器包括接收机的低噪声小信号放大器和发射机的射频功率放大器。1.1.1 低

7、噪声放大器低噪声放大器(1ow-noise amplifier，简称lna)是射频接收机前端的主要部分。它主要有四个特点：首先，它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。其次，它所接收的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必定是一个小信号线性放大器，而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接收信号的同时又可能伴随许多强干扰信号混入，因此要求放大器有足够大的线性范围，而且增益最好是可调节的。第三，低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或天线滤波器相连，放大器的输入端必须

8、和它们很好的匹配，以达到功率最大传输或最小的噪声系数，并能保证滤波器的性能。第四，应具有一定的选频功能，抑制带外和镜象频率干扰，因此它一般是频带放大器。1.1.2 混频器混频器是通信机的重要组成部件。在发射机中一般用上混频，它将已调制的中频信号搬移到射频段。接收机一般为下混频，它将接收到的射频信号搬移到中频上。接收机的混频器位于lna之后，将lna输出的射频信号通过与本振信号相乘变换为中频信号。1.1.3 振荡器振荡器作为射频电路中最主要的原件，我们再次将作主要介绍。振荡器的有源器件可以用固态器件和电真空器件。固态器件与真空器件相比具有体积小，制作方便，耗能小，工作稳定及成本低等特点，因此人们

9、广泛使用固态源。在使用的固态器件中，固态三端器件与固态二端器件相比具有效率高、噪声低、频带宽及易于集成等优势。所以固态振荡器己逐渐向三端器件发展。振荡器的主要技术指标是振荡器性能质量的标志，是设计研制、质检考核、选择使用的依据。工作原理：振荡器在现代各种电子系统中，几乎是必不可少的重要部件。它主要用作各种中小功率调制载波信号源、收发信机中的本机振荡源和激励器、以及测量系统中的基本信号源。由于它的性能直接影响到整个系统的质量，因此，设计优质的振荡源是电子技术领域中的一个永恒的课题。振荡器的分类：振荡器分类方法很多，这里分别从工作频段和带宽、器件类型、电路结构形式、调谐方式、稳频方式来对其进行分类

10、。1、工作频段和带宽来划分按照振荡器工作的频段和带宽可划分为p、l、s、c、x、ku、ka、w波段的振荡器。根据振荡器工作带宽又可分为宽带与窄带的形式。2、根据器件类型划分1）双极晶体管振荡器；2）场效应管振荡器；3）微波二极管（体效应管、雪崩管等）振荡器。微波二极管是单结器件，由它构成的振荡器又称单端口振荡器。双极晶体管(bjt)和场效应管(fet)都是双结器件，由它们构成的振荡器称作双端口振荡器或微波晶体管振荡器。3、按照电路形式分1）同轴腔振荡器；2）波导腔振荡器；3）微波集成（或混合集成）振荡器（含微带、鳍线）；4）微波单片振荡器（mmic osc.）。4、按振荡器调谐方式分1）机械调

11、谐振荡器；2）偏置调谐振荡器；3）变容管调谐振荡器；4）yig调谐振荡器；5）数字调谐振荡器；6）光调谐振荡器。5、按稳频方式分按稳频方式可分为稳频振荡器与一般振荡器，而稳频振荡器有以下几种形式1）晶体稳频源。即晶振激励的倍频微波源；2）高q腔稳频源，又分为同轴腔、波导腔、介质谐振器稳频源；3）锁相稳频源，又可细分为注入锁相稳频源、环路锁相稳频源、取样锁相稳频源谐波混频锁相稳频源等。其它还可根据功率大小、相位噪声高低等性能来划分振荡源。实际中常常是综合上述诸性能来分类，以比较全面反映微波固态源的特性。 1.2 rf电路设计的常见问题1. 数字电路模块和模拟电路模块之间的干扰如果模拟电路(射频)

12、和数字电路单独工作，可能各自工作良好。但是，一旦将二者放在同一块电路板上，使用同一个电源一起工作，整个系统很可能就不稳定。这主要是因为数字信号频繁地在地和正电源(3 v)之间摆动，而且周期特别短，常常是纳秒级的。由于较大的振幅和较短的切换时间。使得这些数字信号包含大量且独立于切换频率的高频成分。在模拟部分，从无线调谐回路传到无线设备接收部分的信号一般小于lv。因此数字信号与射频信号之间的差别会达到120 db。显然如果不能使数字信号与射频信号很好地分离。微弱的射频信号可能遭到破坏,这样一来，无线设备工作性能就会恶化，甚至完全不能工作。2. 供电电源的噪声干扰射频电路对于电源噪声相当敏感,尤其是

13、对毛刺电压和其他高频谐波。微控制器会在每个内部时钟周期内短时间突然吸人大部分电流,这是由于现代微控制器都采用cmos工艺制造。因此。假设一个微控制器以lmhz的内部时钟频率运行，它将以此频率从电源提取电流。如果不采取合适的电源去耦必将引起电源线上的电压毛刺。如果这些电压毛刺到达电路rf部分的电源引脚,严重时可能导致工作失效。3. 不合理的地线如果rf电路的地线处理不当,可能产生一些奇怪的现象。对于数字电路设计,即使没有地线层,大多数数字电路功能也表现良好。而在rf频段，即使一根很短的地线也会如电感器一样作用。粗略地计算,每毫米长度的电感量约为l nh,433 mhz时10 toni pcb线路

14、的感抗约27。如果不采用地线层，大多数地线将会较长，电路将无法具有设计的特性。4. 天线对其他模拟电路部分的辐射干扰在pcb电路设计中，板上通常还有其他模拟电路。例如，许多电路上都有模，数转换(adc)或数模转换器(dac)。射频发送器的天线发出的高频信号可能会到达adc的模拟输入端。因为任何电路线路都可能如天线一样发出或接收rf信号。如果adc输入端的处理不合理，rf信号可能在adc输入的 esd二极管内自激。从而引起adc偏差。2 射频电路设计原则及方案2.1 压控振荡器的设计压控振荡器（vco）是电压频率转换器，其瞬时频率(t)受到环路滤波器输出误差电压ud(t)的控制，(t)= 0+k

15、v ud(t)。其中kv是vco的压控灵敏度，它表示单位控制电压可使vco角频率变化的大小。vco是数字锁相环路中的核心部分，锁相振荡源的输出功率直接来自vco，vco的调频噪声会直接反映到振荡器的输出中。而输出信号的调频噪声（相位噪声）与输出长期频率稳定度一并构成了锁相频率合成器非常关键的两个技术指标。从相位的观点看压控振荡器在锁相环路中起了积分器的作用。因此，从理论和实践上设计好压控振荡器是十分重要的。需按如下步骤实现对压控振荡器的设计。2.1.1 主要元器件的选择 微波晶体管分为双极型与单极型两种,双极型晶体管就是一般的npn或pnp晶体管，由于硅的特征频率ft与最大允许电压vm的乘积v

16、mft=2*1011伏/秒比锗材料的大一倍，因而在微波应用中主要是npn型的硅管。由于它有两种载流子参与导电故又称双极型晶体管。单极型晶体管就是场效应晶体管，在微波中使用的主要是金属-半导体场效应晶体管（mesfet），由于其中只有一种载流子参与导电故称单极型晶体管，由于砷化镓材料的vmft的乘积比硅大5倍，目前多采用砷化镓材料。 在微波(固体)压控振荡其中，即可以用yig(钇铁石榴石)，也可以用变容管作为压控元件，前者压控特性的线性好，控制范围宽,但需要用一套外加磁场结构，比较复杂；而变容管作为压控元件，结构简单，对于单频锁相，其线性范围够用.所以本设计选用变容管。振荡管的选择： 在本设计中

17、，选用微波双极晶体管。微波双极晶体管的工作原理与普通晶体管相同，为了使其工作在微波波段，它的结构工艺和封装形式有所不同。微波双极晶体管的内部结构通常是平面型。这种结构的主要优点是性能稳定，电流放大倍数随电流变化较小，并允许在较小有效结面积的条件下，使用较大接触面积，从而可将引线电感和接触电阻减至最小。微波双极晶体管的一个重要性能参数是特征频率ft ,它是共发射极短路电流增益hfc=1时的频率。特征频率越高，工作频率也越高。微波双极晶体管的特征频率可以达到15ghz ，一般工作频率只用到c波段以下，即其特性频率较高。晶体管的特性频率高，一方面可减小其分布参数对振荡频率的限制；另一方面，也有利于提

18、高振荡器的频谱纯度。我们可以求出ft的近似表达式式中，x是载流子在基极集电极耗尽层的渡越时间；b是载流子在基区的渡越时间。从而，基区设计越薄，b越小，特征频率越高。晶体管的最高振荡频率与特征频率的关系表述如下：其中rb是基极扩散电阻，c0是集电极基极结电容。由上式可知，晶体管的特征频率越高，其工作频率也就越高。通常要求ft (310)fmax。不仅这些，我们选用微波双极晶体管，还因为它在噪声特性方面所具备的优越性能。另外，双极晶体管的制造工艺十分成熟，在器件的可靠性，抗电压冲击性，偏置电路简单等许多方面都占有相当优势。 除此以外，选择晶体管还应具备下述要求：电流放大系数(也就是增益)要大,这样

19、振荡器就易于起振；晶体管集电极损耗应满足pcm（520）pout。鉴于上述这些要求，在设计中选用hp公司的at41411。它是低功耗、硅材料npn双极型晶体管，普遍用于低噪声vhf、uhf、微波宽带放大器和振荡器中25。对应的在电路仿真时采用的是ads元件库里所提供的芯片。芯片名称为pb_hp_at-41411_19921101，v ce（集电极与发射极电压）=12v, ic（集电极电流）=20ma，frequency(可达到的频率范围)=0.107.00ghz，noise frequency(噪声频率范围)=0.104.00ghz。这里需说明，在ads库中晶体管由两种仿真模型：sp参数模型和

20、大信号模型。sp模型：属于小信号线性模型，模型中已经带有了确定的直流工作点，和在一定范围内的s参数，仿真时需要注意适用范围。sp模型只能得到初步的结果，对于某些应用来说已经足够，不能用来大信号的方针，或者直流馈电电路的设计，不能直接生成版图。 大信号模型：可以用来仿真大、小信号，需要自行选择直流工作点，仿真时要加入馈电电路和电源。带有layout的大信号模型可以用来生成版图。变容二极管的选择： 变容二极管简称变容管，是一种电抗可变的非线性电路元件，其可变电抗是通过改变变容管上外加电压来实现的。要选择变容管，我们首先要对其基本原理和主要参数有所了解。1、变容二极管的等效电路和数学模型 变容管是由

21、pn结或金属半导体结构构成的。它的理想化电路模型可以表示成一个结电容cj和电阻rs相串联的电路，考虑封装电感ls和封装电容cp的影响，则等效电路如图5.3(a)所示。其伏安特性与一般半导体二极管没有什么区别，所不同的是变容二极管pn结势垒电容cj随外加反向偏置电压变化而改变，rs是p型和n型半导体的体电阻和引线接触电阻之和，通常为15。rs随外加电压变化很小，因而一般把它当常量看待。变容管结电容cj和外加反向偏压v的关系可用下式表示cj=式中cj0是外加电压v=0时的结电容；是p型和n型半导体接触电势，对砷化镓变容管约0.7v，对硅管，约0.35v。m是结电容非线性稀疏，它的大小取决于pn结的

22、结构和杂质浓度分布状况。对于突变结（如合金结和肖特基结）杂质分布和空间电荷分布都是突变的，m=1/2；对于缓变结或渐变结（如生长结和扩散结），m=1/3；对于超突变结，m1/2。图2.1（b）表示了变容管结电容cj随外加电压v变化的关系曲线。电调振荡器正是利用了变容管接入谐振电路，在外电压作用下改变了回路电容，从而调整频率的。(a) 等效电路 （b）结点容cj-v特性图2.1 变容管的特性电路与cj-v特性2、变容二极管的主要参数变容二极管用作电调振荡器时有几个重要参数：电容变比t、品质因数q、截止频率fc、自谐振频率fd等对振荡器影响较大。1）电容变化。在电调振荡器中，变容管的结电容随外加反

23、向偏压而变化，设对应最大偏压和最小偏压时的结电容分别为cmax cmin,则电容变比为t=cmax/cmint愈大，表示结电容在一定电压变化范围内相对变化量愈大，可实现电调范围就愈宽。有些场合，也有用电容调制系数表示变容管结电容的相对变化量，此时 =愈大，电调范围也愈宽。2）品质因数。变容管的品质因数定义为 q= 由于结电容cj与偏压有关，因此q值随偏压而变，反向偏压愈大，cj愈小，则q值愈高。此外变容管的q值还与测试频率f有关，因此说变容管的q值时必须指明频率测试与电压数值。3）截止频率fc。变容管的q值随工作频率的升高而下降，通常定义q值等于1时的频率叫做变容管的截止频率fc，由下式得截止

24、频率fc取决于变容管的损耗电阻rs及结电容cj。一般规定在变容管反向击穿电压使得截止频率叫额定截止频率，此时cj=cmin。由此截止频率确定了变容管工作频率的上限，一般工作频率远小于fc。4）自谐振频率fd。封装变容管的等效电路具有谐振电路的形式。由ls、cj、rs组成的串联电路为变容管的串联谐振电路，其自谐振频率为 该图中由ls、cj、rs和cp组成的并联电路为变容管的并联谐振电路，则并联自谐振频率为 =提高变容管的自谐振频率对提高电调振荡器的工作频率、增大带宽和降低噪声都具有重要意义。此外还应考虑到射频电压对变容管的作用，要求振荡器工作在弱电平，即射频电压小，相对激励振幅低，使变容管产生的

25、谐波电容趋于零，这样才有可能获得纯净频谱的振荡，输出低的调频噪声。鉴于对以上的这些考虑，应尽量选择品质因素高地变容二极管，并且要求其反向饱和电流尽量小。本电路设计采用的变容二极管是asi mv1404,其主要参数为，其最大电容为：90-144pf,最大q值：200。2.2 rf布局概念在设计rf布局时,必须优先满足以下几个总原则：1 尽可能地把高功率rf放大器(hpa)和低噪音放大器(lna)隔离开来，简单地说，就是让高功率rf发射电路远离低功率rf接收电路：2 确保pcb板上高功率区至少有一整块地，最好上面没有过孔，当然，铜箔面积越大越好；3电路和电源去耦同样也极为重要；4 rf输出通常需要

26、远离rf输入；5敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号和rf信号。2.3 物理分区和电气分区设计原则 设计分区可以分解为物理分区和电气分区。物理分区主要涉及元器件布局、方向和屏蔽等；电气分区可以继续分解为电源分配、rf走线、敏感电路和信号以及接地等的分区。物理分区原则 1元器件位置布局原则。元器件布局是实现一个优秀rf设计的关键最有效的技术是首先固定位于rf路径上的元器件并调整其方向,以便将rf路径的长度减到最小,使输入远离输出。并尽可能远地分离高功率电路和低功率电路。 2 pcb堆叠设计原则。最有效的电路板堆叠方法是将主接地面(主地)安排在表层下的第二层，并尽可能将rf线布置在表层上。将r

27、f路径上的过孔尺寸减到最小,这不仅可以减少路径电感,而且还可以减少主地上的虚焊点,并可减少rf能量泄漏到层叠板内其他区域的机会。 3射频器件及其rf布线布局原则。在物理空间上,像多级放大器这样的线性电路通常足以将多个rf区之间相互隔离开来，但是双工器、混频器和中频放大器混频器总是有多个rfif信号相互干扰因此必须小心地将这一影响减到最小。rf与if迹线应尽可能十字交叉，并尽可能在它们之间隔一块地。正确的rf路径对整块pcb的性能非常重要，这就是元器件布局通常在蜂窝电话pcb设计中占大部分时间的原因。 4降低高/低功率器件干扰耦合的设计原则。在蜂窝电话pcb上,通常可以将低噪音放大器电路放在pc

28、b的某一面,而将高功率放大器放在另一面,并最终通过双工器把它们在同一面上连接到rf端和基带处理器端的天线上。要用技巧来确保通孔不会把rf能量从板的一面传递到另一面，常用的技术是在二面都使用盲孔。可以通过将通孔安排在pcb板二面都不受rf干扰的区域来将通孔的不利影响减到最小。电气分区原则 1功率传输原则。蜂窝电话中大多数电路的直流电流都相当小,因此，布线宽度通常不是问题。不过必须为高功率放大器的电源单独设定一条尽可能宽的大电流线，以将传输压降减到最低。为了避免太多电流损耗,需要采用多个通孔来将电流从某一层传递到另一层。 2高功率器件的电源去耦。如果不能在高功率放大器的电源引脚端对它进行充分的去耦

29、，那么高功率噪声将会辐射到整块板上，并带来多种的问题。高功率放大器的接地相当关键，经常需要为其设计一个金属屏蔽罩。 3 rf输入，输出隔离原则。在大多数情况下，同样关键的是确保rf输出远离rf输入。这也适用于放大器、缓冲器和滤波器。在最坏情况下，如果放大器和缓冲器的输出以适当的相位和振幅反馈到它们的输入端，那么它们就有可能产生自激振荡。在最好情况下，它们将能在任何温度和电压条件下稳定地工作。实际上。它们可能会变得不稳定，并将噪音和互调信号添加到rf信号上。 4滤波器输入，输出隔离原则。如果射频信号线不得不从滤波器的输入端绕回输出端，那么，这可能会严重损害滤波器的带通特性。为了使输入和输出良好地隔离。首先必须在滤波器周围布置一圈地。其次滤波器下层区域也要布置一块地，并与围绕滤波器的主地连接起来。把需要穿过滤波器的信号线尽可能远离滤波器引脚也是个好方法。此外，整块板上各个地方的接地都要十分小心,否则可能会在不知觉之中引入一条不希望发生的耦合通道。 5数字电路