一種小型化射頻收發(fā)前端的設(shè)計(jì)

介紹了一種新穎的小型化射頻收發(fā)前端設(shè)計(jì)方法，采用這種方法在LTCC基片上實(shí)現(xiàn)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(cè)試結(jié)果表明，該射頻收發(fā)前端的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)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(xì) 電路設(shè)計(jì)、三維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、參數(shù)仿真優(yōu)化幾個(gè)方面對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了較為詳細(xì)的講解，最后結(jié)合測(cè)試曲線(xiàn)對(duì)樣品的測(cè)試結(jié)果作了簡(jiǎn)單分析。

隨著現(xiàn)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(jié)構(gòu)，大大縮小了電路尺寸。在電路設(shè)計(jì)上，使用單節(jié)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(tǒng)的并聯(lián)式開(kāi)關(guān)電路節(jié)省了一節(jié)λ/4短截線(xiàn)占據(jù)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(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)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(dǎo)體中間附加層。設(shè)I層厚度為W，在正向偏壓下，對(duì)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(dǎo)出的結(jié)電阻和擴(kuò)散電容可以在實(shí)際應(yīng)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(jié)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(kuò)散電容CT(本文中為零偏，CT約0.5PF，在2GHz以下阻抗為千歐級(jí))。

λ/4短截線(xiàn)常用于窄帶內(nèi)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的阻抗匹配。設(shè)Z1、Z2為兩個(gè)不等的阻抗，Z0為傳輸線(xiàn)的特征阻抗，調(diào)整Z0使之滿(mǎn)足：

Z20=Z1×Z2 (4)

則兩個(gè)阻抗之間實(shí)現(xiàn)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(dāng)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(dāng)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(shè)計(jì)

由圖1可見(jiàn)，天線(xiàn)接收發(fā)射的信號(hào)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(hào)。本文介紹的是一個(gè)GSM 手機(jī)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(jié)構(gòu)。

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?cè)O(shè)計(jì)其諧振點(diǎn)在1800MHz左右，用來(lái)抑制DCS頻段信號(hào)，同時(shí)又可增加對(duì)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(hào)。

按照同樣方法可完成發(fā)射端口低通濾波器設(shè)計(jì)。最后利用ansof公司的電路仿真軟件designer對(duì)收發(fā)前端模塊進(jìn)行整體電路仿真，優(yōu)化參數(shù)，得到準(zhǔn)確的電路模型。

3 三維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

電路仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)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(dǎo)入HFSS中整體仿真優(yōu)化S參數(shù)。對(duì)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(shù)的限制，采用LTCC難以實(shí) 現(xiàn)，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(duì)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(xiàn)，既可以節(jié)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(zhǎng)度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將最終加工得到的模塊實(shí)物焊接在測(cè)試夾具上進(jìn)行測(cè)試，兩個(gè)頻段的接收插損均小于1.9dB(通帶內(nèi)波動(dòng)小于0.5dB)，兩個(gè)頻段收發(fā)隔離均大于25dBc。

5 結(jié)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(shè)計(jì)過(guò)程，從電路設(shè)計(jì)、三維建模、仿真優(yōu)化、測(cè)試結(jié)果分析幾個(gè)方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的講解。其中使用的單節(jié)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。