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介紹了一種新穎的小型化射頻收發(fā)前端設計方法，采用這種方法在LTCC基片上實(shí)現了一款L波段雙頻段射頻收發(fā)前端，其電路尺寸僅為6.5 mm × 5mm × 0.5mm。樣品測試結果表明，該射頻收發(fā)前端的各項性能指標均達到了設計預期要求，并且具有接收損耗低、收發(fā)隔離度高等優(yōu)點(diǎn)。文章分工作原理介紹、詳細電路設計、三維結構實(shí)現、參數仿真優(yōu)化幾個(gè)方面對整個(gè)設計過(guò)程進(jìn)行了較為詳細的講解，最后結合測試曲線(xiàn)對樣品的測試結果作了簡(jiǎn)單分析。 隨著(zhù)現代無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的發(fā)展，射頻微波器件和功能模塊的小型化需求日益迫切。本文介紹的L波段收發(fā)射頻前端采用LTCC工藝，利用無(wú)源電路的三維疊層結構，大大縮小了電路尺寸。在電路設計上，使用單節λ/4短截線(xiàn)收發(fā)開(kāi)關(guān)電路，既保證了高收發(fā)隔離和低損耗接收的電路性能，又比傳統的并聯(lián)式開(kāi)關(guān)電路節省了一節λ/4短截線(xiàn)占據的空間，縮小了電路尺寸。 1 工作原理 本文介紹的收發(fā)前端包括一個(gè)900MHz與1800MHz雙工器、兩路PIN 管收發(fā)開(kāi)關(guān)和兩個(gè)聲表面濾波器，電路原理如圖1。 圖1射頻收發(fā)前端原理圖 2 電路設計 2.1 開(kāi)關(guān)電路設計 射頻微波電路中經(jīng)常使用PIN二極管作開(kāi)關(guān)器件。其結構像三明治一樣，在高摻雜的P+和N+層之間夾有一本征的I層或低摻雜半導體中間附加層。設I層厚度為W，在正向偏壓下，對于輕摻雜N型本征層，流過(guò)PIN二極管的電流為： 由上面的公式導出的結電阻和擴散電容可以在實(shí)際應用中很近似地模擬PIN二極管的性能。PIN管在正偏壓下等效為結電阻Rs(本文中正偏壓為2.5V，Rs約1歐姆)；反偏壓卜等效為擴散電容CT(本文中為零偏，CT約0.5PF，在2GHz以下阻抗為千歐級)。 λ/4短截線(xiàn)常用于窄帶內兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )之間的阻抗匹配。設Z1、Z2為兩個(gè)不等的阻抗，Z0為傳輸線(xiàn)的特征阻抗，調整Z0使之滿(mǎn)足： Z20=Z1×Z2 (4) 則兩個(gè)阻抗之間實(shí)現了匹配。圖1中，Z0已知(50歐)，Z1為PIN 管正偏時(shí)的自諧振阻抗Rs或反偏時(shí)的開(kāi)路隔離阻抗。當PIN管正偏置時(shí)，Z1很小接近于短路，經(jīng)過(guò)λ/4短截線(xiàn)后在公共端口等效為開(kāi)路，接收端被隔離，發(fā)射支路工作。當二極管反偏置時(shí)Z1接近開(kāi)路狀態(tài)(CT)，發(fā)射端被隔離，保證低損耗接收。 2.2 雙工器設計 由圖1可見(jiàn)，天線(xiàn)接收發(fā)射的信號都要經(jīng)過(guò)一個(gè)雙工器，該雙工器的主要功能是隔離GSM900頻段與DCS1800頻段信號。本文介紹的是一個(gè)GSM 手機前端，GSM 頻段上下行頻率范圍為890-915MHz(TX)和935-960MHz(RX)，DCS頻段上下行頻率范圍為1710-1785 MHz(Tx)和1805-l880MHz(Rx)。圖2為雙工器的電路結構。 圖2 雙工器電路圖 如圖2，在天線(xiàn)和GSM端口之間是一個(gè)低通濾波器，其截止頻率在1000MHz左右，C1和L1組成并聯(lián)諧振產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，我們設計其諧振點(diǎn)在1800MHz左右，用來(lái)抑制DCS頻段信號，同時(shí)又可增加對GSM 頻段二次諧波的抑制。 同時(shí)，在DCS端口天線(xiàn)之間是一個(gè)高通濾波器，C5和L2、L3和C6同時(shí)產(chǎn)生串聯(lián)諧振，諧振頻率在900MHz左右，用來(lái)抑制GSM頻段信號。 按照同樣方法可完成發(fā)射端口低通濾波器設計。最后利用ansof公司的電路仿真軟件designer對收發(fā)前端模塊進(jìn)行整體電路仿真，優(yōu)化參數，得到準確的電路模型。 3 三維結構實(shí)現 電路仿真優(yōu)化設計完成之后，對合適的無(wú)源元件在電磁仿真軟件Q3D中建模，優(yōu)化其C、L值，然后導入HFSS中整體仿真優(yōu)化S參數。對于一些取值較大的元件如扼流線(xiàn)圈和限流電阻，由于模塊基板尺寸和材料介電常數的限制，采用LTCC難以實(shí)現，將其和非線(xiàn)性元件PIN二極管、聲表面波濾波器(SAW)一起表貼在基板上。對于λ/4短截線(xiàn)，由于每層的平面空間有限，采用多層螺旋線(xiàn)來(lái)實(shí)現，既可以節約空間又可以利用其產(chǎn)生電容來(lái)等效縮短λ/4傳輸線(xiàn)的長(cháng)度。 4 實(shí)驗結果 將最終加工得到的模塊實(shí)物焊接在測試夾具上進(jìn)行測試，兩個(gè)頻段的接收插損均小于1.9dB(通帶內波動(dòng)小于0.5dB)，兩個(gè)頻段收發(fā)隔離均大于25dBc。 5 結語(yǔ) 本文介紹了一款小型化L波段射頻收發(fā)前端模塊的設計過(guò)程，從電路設計、三維建模、仿真優(yōu)化、測試結果分析幾個(gè)方面進(jìn)行了較為詳細的講解。其中使用的單節λ/4短截線(xiàn)收發(fā)開(kāi)關(guān)電路既有效地降低了接收損耗、改善了收發(fā)隔離，又縮小了電路尺寸，值得借鑒。 |
