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介紹了一種新穎的小型化射頻收發前端設計方法，采用這種方法在LTCC基片上實現了一款L波段雙頻段射頻收發前端，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、收發隔離度高等優點。文章分工作原理介紹、詳細電路設計、三維結構實現、參數仿真優化幾個方面對整個設計過程進行了較為詳細的講解，最后結合測試曲線對樣品的測試結果作了簡單分析。 隨著現代無線通訊技術的發展，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波段收發射頻前端采用LTCC工藝，利用無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短截線收發開關電路，既保證了高收發隔離和低損耗接收的電路性能，又比傳統的并聯式開關電路節省了一節λ/4短截線占據的空間，縮小了電路尺寸。 1 工作原理 本文介紹的收發前端包括一個900MHz與1800MHz雙工器、兩路PIN 管收發開關和兩個聲表面濾波器，電路原理如圖1。 圖1射頻收發前端原理圖 2 電路設計 2.1 開關電路設計 射頻微波電路中經常使用PIN二極管作開關器件。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短截線常用于窄帶內兩個網絡之間的阻抗匹配。設Z1、Z2為兩個不等的阻抗，Z0為傳輸線的特征阻抗，調整Z0使之滿足： Z20=Z1×Z2 (4) 則兩個阻抗之間實現了匹配。圖1中，Z0已知(50歐)，Z1為PIN 管正偏時的自諧振阻抗Rs或反偏時的開路隔離阻抗。當PIN管正偏置時，Z1很小接近于短路，經過λ/4短截線后在公共端口等效為開路，接收端被隔離，發射支路工作。當二極管反偏置時Z1接近開路狀態(CT)，發射端被隔離，保證低損耗接收。 2.2 雙工器設計 由圖1可見，天線接收發射的信號都要經過一個雙工器，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，在天線和GSM端口之間是一個低通濾波器，其截止頻率在1000MHz左右，C1和L1組成并聯諧振產生傳輸零點，我們設計其諧振點在1800MHz左右，用來抑制DCS頻段信號，同時又可增加對GSM 頻段二次諧波的抑制。 同時，在DCS端口天線之間是一個高通濾波器，C5和L2、L3和C6同時產生串聯諧振，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對收發前端模塊進行整體電路仿真，優化參數，得到準確的電路模型。 3 三維結構實現 電路仿真優化設計完成之后，對合適的無源元件在電磁仿真軟件Q3D中建模，優化其C、L值，然后導入HFSS中整體仿真優化S參數。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的限制，采用LTCC難以實現，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現，既可以節約空間又可以利用其產生電容來等效縮短λ/4傳輸線的長度。 4 實驗結果 將最終加工得到的模塊實物焊接在測試夾具上進行測試，兩個頻段的接收插損均小于1.9dB(通帶內波動小于0.5dB)，兩個頻段收發隔離均大于25dBc。 5 結語 本文介紹了一款小型化L波段射頻收發前端模塊的設計過程，從電路設計、三維建模、仿真優化、測試結果分析幾個方面進行了較為詳細的講解。其中使用的單節λ/4短截線收發開關電路既有效地降低了接收損耗、改善了收發隔離，又縮小了電路尺寸，值得借鑒。 |
