帶你了解一種小型化射頻收發(fā)前端的設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代無線通訊技術(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短截線收發(fā)開關(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)式開關(guān)電路節(jié)省了一節(jié)λ/4短截線占據(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，對于輕摻雜N型本征層，流過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）。

λ/4短截線常用于窄帶內(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為傳輸線的特征阻抗，調(diào)整Z0使之滿足：

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λ/4短截線后在公共端口等效為開路，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，天線接收發(fā)射的信號都要經(jīng)過一個(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(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(shè)計(jì)其諧振點(diǎn)在1800MHz左右，用來抑制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(shè)計(jì)。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(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，對合適的無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)。對于一些取值較大的元件如扼流線圈和限流電阻，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，由于每層的平面空間有限，采用多層螺旋線來實(shí)現(xiàn)，既可以節(jié)約空間又可以利用其產(chǎn)生電容來等效縮短λ/4傳輸線的長度。

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(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

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)過程，從電路設(shè)計(jì)、三維建模、仿真優(yōu)化、測試結(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短截線收發(fā)開關(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。