无线测试工程师知识点分享:射频微波设计指南(一)

更新:2024-07-05 20:00 发布者IP:113.88.64.119 浏览:0次
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产品详细介绍

概述

射频微波是指频率范围为300kHz到超过100GHz的电磁波。射频(RF)与微波的频率界限比较模糊,并且随着器件技术和设计方法的进步还有所变化,比较通行的一种说法是射频频率范围的低端为300kHz,高端为300MHz~1GHz;微波的频率范围的低端为300MHz~1GHz,高端至少为100GHz。

射频微波技术是无线通信系统的核心技术之一。任何一种无线通信系统不论基站也好,移动终端也好都包含一个射频子系统,其组成如图1所示:


图1 RF射频子系统组成框图
 

由图可见,一个射频子系统通常包含天线、收发天线共用、低噪声放大器(LNA)、收信机(RX)、发信机(TX)、功率放大器(PA)和频率合成器(PLL)共七个部分。对于FDD系统利用双工器来完成收发天线共用,对于TDD系统则是利用RF收发开关来完成收发天线共用。

收发天线共用器选型

概述
在现代无线通信系统中,由于技术、成本、场地条件等多个因素的限制,为减少天线的数量,减小架设难度,基站一般都是采用收发天线共用,这就需要由收发天线共用器来实现。

基本原理:

1.1 天线共用器分类:
按照收发信机的频率规划,以及双工方式的区别,天线共用器可以分为以下几种类型:
- 同频双工收发天线共用器选型

概述
在现代无线通信系统中,由于技术、成本、场地条件等多个因素的限制,为减少天线的数量,减小架设难度,基站一般都是采用收发天线共用,这就需要由收发天线共用器来实现。

基本原理:
1.1 天线共用器分类:
按照收发信机的频率规划,以及双工方式的区别,天线共用器可以分为以下几种类型:
- 同频双工


在这种情形下,TX和RX同时工作于同一工作频带内,只能通过类似环行器这样的铁氧体器件的单向传输特性来实现TX/RX的隔离,实现天线共用。这一类天线共用器称为环行器型天线共用器。
- 双频双工


在这种情形下,TX和RX分别工作于具有一定频率分隔的频带内,采用两个滤波器分别调谐在相应的频带内,采用Y结形式共用天线。这一类称为滤波器型天线共用器,在实际使用中,通常也称为双工器。
-同频半双工

在这种情形中,TX和RX工作于同一频带,两者之间的隔离通过开关切换来实现,通常都是SPDT的开关。这一类称为开关型天线共用器,通常简称为收发天线开关。

以下是几类天线共用器的比较

通讯系统中,GSM,CDMA,以及WCDMA都是采用收发频分复用,相应地适用滤波器型天线复用器,即双工器;而PHS,TDS-CDMA以及WLAN都是采用了收发时分复用,相应地适用开关型天线复用器,即收发天线开关。

1.2 双工器基本原理
基站/移动台双工工作的时候,通过天线共用器,使同一副天线得以同时提供给收发信机使用,并且又互不影响。主要指的是发信对收信的影响,因为发信电平比收信电平高许多。影响主要体现在两个方面:第一是发信电平不能通过双工器泄入收信机。强大的发信功率可能使收信前端电路重者烧毁,轻者阻塞。因此,必须通过一系列抑制电路,将进入收信前端的电平抑制到阻塞电平以下。这可以通过设置高性能的收信带通滤波器来实现;第二方面,防止发信机输出的边带外噪声进入收信机,形成对收信机的干扰。这可通过设置发信带通滤波器加以解决。

上图为双工器的原理示意图。由于收发信滤波器在距公共天线1/4波长处,故能保证两个滤波器互不影响,还能使发信信号只能输入天线,而不能输向收信机;收信信号只能由天线进入收信机,而无法进入发信机。由于收信滤波器工作在收信频率上,收信频率可由天线无衰减地进入收信机,但它对发信频率起到短路作用。经过λT/4传输线后,从天线向此传输线看入的阻抗为无穷大,所以由发信机来的信号不能进入终端短路的λT/4传输线,只能传向天线。同理,由天线送入的收信信号无法进入终端短路的λR/4传输线,只能传向收信机。

1.2.1 双工器种类
根据构成双工器所使用的滤波器,可把双工器分为以下几类:
-带通双工器

如上图的结构,可以通过对谐振腔的个数以及谐振腔的尺寸进行调整来增减RX/TX之间的隔离。这样的双工器在使得发射信号通过带通滤波器的同时,发射机的噪声和杂散也被带通滤波器大大衰减,这样有助于对共址的其他接收机的干扰。带通型双工器Zui适合于中等以及较宽的收发频率间隔。如果两个频率相隔很近,需要外加陷波滤波器或者天线分离。
-带阻双工器


发射机信号直接通过滤波器发射到天线,但是发射机的载波和噪声仅在接收支路的滤波器上得到衰减。这样对于共址接收机来讲,干扰的衰减是很有限的。带阻型双工器Zui适合于收发间隔非常接近的系统。

- 带通/带阻双工器

这种双工器结合了上述两种双工器的特点。

1.2.2 基站/移动台双工器的比较

基站以及配套用的直放站等设备,通常采用腔体滤波器构成的双工器。同轴腔体滤波器采用耦合同轴腔结构,准椭圆函数方式实现,Q值高,具有较为理想的通带特性和阻带特性,过渡带陡峭,寄生通带远,它能提供小的插损和高的滤波性能,功率容量大。机加工则采用数控铣床精密加工,表面处理采用铝板镀银工艺。同时由于是同轴腔形式,性能指标和电磁兼容性是统一的。腔体密封好,电磁辐射也小,这是通过机加工精度和合适的螺钉数量来保证的。由于腔体基本上为一个整体,温度特性亦较好。同时由于是微波无源部件,可靠性很高,MTBF应该大于200,000小时。

移动台普遍采用了纯粹收发信窄带滤波器构成的双工器,其采用了多级谐振器作为选频器件,Q值较高,选频特性较好。很多情况下都不采用原理图示的λT/4,λR/4传输线,也能获得高达60dB的隔离度,同时减少了传输损耗,对提高灵敏度有好处。高性能滤波器往往由介质谐振器,LC滤波器,SAW滤波器等构成。也构成了对应的介质双工器,LC双工器,SAW双工器,以及由Agilent公司专利持有的薄膜体声谐振器FBAR(利用压电材料薄膜中激励的体声波(而不是表面声波)做成的谐振器。它具有频率高、体积小、效率高等优点,并且与半导体工艺兼容,容易与其它元器件集成)制作的双工器等。

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