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一种小型化射频收发前端的设计介绍了一种新颖的小型化射频收发前端设计方法,采用这种方法在LTCC基片上实现了一款L波段双频段射频收发前端,其电路尺寸仅为
6.5mm X5mm X
0.5mnio样品测试结果表明,该射频收发前端的各项性能指标均达到了设计预期要求,并且具有接收损耗低、收发隔离度高等优点文章分工作原理介绍、详细电路设计、三维结构实现、参数仿真优化几个方面对整个设计过程进行了较为详细的讲解,最后结合测试曲线对样品的测试结果作了简单分析随着现代无线通讯技术的发展,射频微波器件和功能模块的小型化需求日益迫切本文介绍的L波段收发射频前端采用LTCC工艺,利用无源电路的三维叠层结构,大大缩小了电路尺寸在电路设计上,使用单节入/4短截线收发开关电路,既保证了高收发隔离和低损耗接收的电路性能,又比传统的并联式开关电路节省了一节入/4短截线占据的空间,缩小了电路尺寸1工作原理本文介绍的收发前端包括一个900MHz与1800MHz双工器、两路PIN管收发开关和两个声表面滤波器,电路原理如图1图1射频收发前端原理图2电路设计TX900MHzA
2.1开关电路设计射频微波电路中经常使用PIN二极管作开关器件其结构像三明治一样,在高掺杂的P+和N+层之间夹有一本征的I层或低掺杂半导体中间附加层设I层厚度为肌在正向偏压下,对于轻掺杂N型本征层,流过PIN二极管的电流为O-V2SAWRX1800MHz RX900MHz/=/!逆⑺_1N TD1由关系式可计算出总的电荷量这样就可求出扩散电容」—‘—丁与=
①C2OV AM2yT与肖特基二极管相似,通过在点附近的泰勒展开可求出管的动态电Q PIN阻Hi/、dV2VT^r=—|^=—2z由上面的公式导出的结电阻和扩散电容可以在实际应用中很近似地模拟PIN二极管的性能PIN管在正偏压下等效为结电阻Rs本文中正偏压为
2.5V,Rs约1欧姆;反偏压卜等效为扩散电容CT本文中为零偏,CT约
0.5PF,在2GHz以下阻抗为千欧级入/4短截线常用于窄带内两个网络之间的阻抗匹配设Zl、Z2为两个不等的阻抗,Z0为传输线的特征阻抗,调整Z0使之满足Z2O=Z1XZ24则两个阻抗之间实现了匹配图1中,Z0已知50欧,Z1为PIN管正偏时的自谐振阻抗Rs或反偏时的开路隔离阻抗当PIN管正偏置时,Z1很小接近于短路,经过入/4短截线后在公共端口等效为开路,接收端被隔离,发射支路工作当二极管反偏置时Z1接近开路状态CT,发射端被隔离,保证低损耗接收
2.2双工器设计由图1可见,天线接收发射的信号都要经过一个双工器,该双工器的主要功能是隔离GSM900频段与DCS1800频段信号本文介绍的是一个GSM手机前端,GSM频段上下行频率范围为890-915MHz TX和935-960MHz RX,DCS频段上下行频率范围为1710-1785MHzTx和1805T880MHz Rx图2为双工器的电路结构图2双工器电路图如图2,在天线和GSM端口之间是一个低通滤波器,其截止频率在1000MHz左右,C1和“组成并联谐振产生传输零点,我们设计其谐振点在1800MHz左右,用来抑制DCS频段信号,同时又可增加对GSM频段二次谐波的抑制同时,在DCS端口天线之间是一个高通滤波器,C5和L
2、L3和C6同时产生串联谐振,谐振频率在900MHz左右,用来抑制GSM频段信号按照同样方法可完成发射端口低通滤波器设计最后利用ansof公司的电路仿真软件designer对收发前端模块进行整体电路仿真,优化参数,得到准确的电路模型3三维结构实现电路仿真优化设计完成之后,对合适的无源元件在电磁仿真软件Q3D中建模,优化其C、L值,然后导入生退中整体仿真优化S参数对于一些取值较大的元件如扼流线圈和限流电阻,由于模块基板尺寸和材料介电常数的限制,采用LTCC难以实现,将其和非线性元件PIN二极管、声表面波滤波器SAW一起表贴在基板上对于入/4短截线,由于每层的平面空间有限,采用多层螺旋线来实现,既可以节约空间又可以利用其产生电容来等效缩短入/4传输线的长度4实验结果将最终加工得到的模块实物焊接在测试夹具上进行测试,两个频段的接收插损均小于
1.9dB通带内波动小于
0.5dB,两个频段收发隔离均大于25dBco5结语本文介绍了一款小型化L波段射频收发前端模块的设计过程,从电路设计、三维建模、仿真优化、测试结果分析几个方面进行了较为详细的讲解其中使用的单节入/4短截线收发开关电路既有效地降低了接收损耗、改善了收发隔离,又缩小了电路尺寸,值得借鉴。