智能天線射頻前端電路的研究和設(shè)計(jì)

1、引言

隨著移動(dòng)通信事業(yè)在全球范圍內(nèi)的迅猛發(fā)展，我國(guó)的移動(dòng)通信總用戶已經(jīng)躍居世界第一。作 為通信強(qiáng)國(guó)，國(guó)內(nèi)許多大學(xué)和公司致力于通信事業(yè)的研究和發(fā)展，并與九十年代初，提出了我國(guó)第一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA，它成為了第 三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中三大主流標(biāo)準(zhǔn)之一。其中，智能天線是第三代移動(dòng)通信技術(shù)及三代以后移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要研究方向之一。應(yīng)用智能天線，可以有效抑制多 址干擾，成倍的提高系統(tǒng)容量，極大的改善頻譜的使用效率，是解決近年來(lái)移動(dòng)數(shù)目急劇增加，頻譜資源匱乏的有效途徑。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)的基站設(shè)備結(jié)構(gòu)中，射頻前端模塊位于天線單元與中頻處理單元之間，其作用是為基站與用戶終端之間的通信提供信號(hào)通道。作為智能天線系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，在一定程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

2、射頻前端在智能天線中的作用和構(gòu)成

在 智能天線接收系統(tǒng)中，射頻前端的任務(wù)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大及頻率變換，以滿足A/D采樣的要求，射頻前端輸出信號(hào)的質(zhì)量直接決定了整個(gè)智能天線系統(tǒng)的性能。它 包括收信單元和發(fā)信單元，其中收信單元的主要作用是接收來(lái)自用戶發(fā)出的上行射頻信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行濾波、放大和下變頻處理，然后對(duì)變頻后的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn) 換和解調(diào)，產(chǎn)生需要的數(shù)字I/Q信號(hào)，送往基帶處理單元；發(fā)信單元的主要功能是對(duì)基站基帶處理單元送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制以及數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后上變頻到規(guī)定 的射頻頻段并進(jìn)行功率放大，最后通過(guò)天線發(fā)射。射頻前端的典型原理框圖如圖1所示。

圖1：智能天線射頻前端工作原理框圖

3、接收機(jī)射頻前端特性

收信機(jī)的設(shè)計(jì)目的就是在引入盡可能最小的干擾的情況下，將輸入的電磁能量轉(zhuǎn)變成有用的信號(hào)。一般情況下，收信機(jī)的性能指標(biāo)主要由以下幾個(gè)指標(biāo)衡量：

（1） 接收參考靈敏度電平： 接收參考靈敏度是指在確保誤比特率（BER）不超過(guò)某一特定值的情況下，即保證能對(duì)信號(hào)正確解調(diào)的情況下，接收機(jī)接收的最小信號(hào)電平。
（2） 鄰道選擇性：鄰道選擇性指接收機(jī)濾波器在指定信道頻率上的衰減與在相鄰信道頻率上的衰減比值。鄰道選擇性的強(qiáng)弱，直接影響著射頻收信機(jī)的接收性能。
（3） 動(dòng)態(tài)范圍：對(duì)于收信機(jī)來(lái)說(shuō)，其接收動(dòng)態(tài)范圍指在滿足一定的通信質(zhì)量的前提下它能夠處理的最小與最大信號(hào)功率范圍。
（4） 雜散抑制：雜散抑制是指接收機(jī)對(duì)有用信號(hào)以外的其他雜散信號(hào)（如寄生信號(hào)、本振泄漏等）的抑制能力。

典 型的接收機(jī)設(shè)計(jì)主要有超外差接收機(jī)和零中頻接收機(jī)兩種形式。零中頻接收機(jī)或者接近零中頻接收機(jī)又叫直接變換接收機(jī)，這是近年來(lái)比較偏愛(ài)的一類接收機(jī)，但零 中頻接收技術(shù)上還有些問(wèn)題。超外差接收機(jī)是最為普遍的接收機(jī)，它比零中頻接收機(jī)具有更好的噪聲性能，能有效的抑制接近有用信號(hào)的干擾， 因此，TD-SCDMA系統(tǒng)適宜采用這種超外差接收機(jī)的方案。

4、接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在TD-SCDMA射頻收信機(jī)模塊中考慮二次變頻方案，這是因?yàn)樵诓煌l率點(diǎn)分配增益穩(wěn)定性較好，并且更多的優(yōu)化濾波可提高接收機(jī)抗干擾能力。圖2為射頻前端發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖2：射頻前端發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)圖

RF前端包括射頻濾波器（RF Fliter），低噪聲放大器（LNA），中頻濾波器（IF Fliter），中頻放大器（IF Amplifier），混頻器（MIX）。

各部分電路的作用如下：
（1） RF Fliter1一般叫做預(yù)選器，它具有良好的單向性能和良好的反向隔離性，防止除接收頻率以外的干擾信號(hào)進(jìn)入和防止本振（或發(fā)射） 信號(hào)通過(guò)接收天線泄漏；
（2） LNA選擇低噪聲、高增益的集成放大器，目的是補(bǔ)償預(yù)選器的損耗、提高系統(tǒng)的信噪比、加強(qiáng)混頻器/ 本振電路與輸入端口之間的隔離；
（3） 1st IF Fliter主要是實(shí)現(xiàn)鏡像抑制，在高放后必須有抑制，否則高放的噪聲系數(shù)會(huì)由于放大后的鏡像噪聲混頻進(jìn)入信道而成倍增加。1st IF越高鏡像抑制濾波器的通頻帶越寬；
（4） 1st IF Amplifier的作用為補(bǔ)償混頻器的損耗，提供給2st IF Amplifier足夠電平；
（5） IF Fliter2實(shí)際上是一個(gè)低通濾波器，主要是抑制放大、混頻產(chǎn)生組合的干擾和雜波以及取出中頻信號(hào)。在混頻器選擇低端輸入，某些干擾信號(hào)可能在射頻信號(hào) 的低端產(chǎn)生，特別是在數(shù)字本振電路中，低端的中頻干擾信號(hào)會(huì)泄漏到混頻器的輸入端，混頻器對(duì)中頻干擾相當(dāng)于一級(jí)放大器，能順利的通過(guò)后面的電路而形成干 擾；
（6） MIX1變頻采用的是低噪聲、大動(dòng)態(tài)、隔離度高的DMOS 場(chǎng)效應(yīng)管集成的無(wú)源雙平衡混頻器。MIX2變頻采用的是無(wú)源雙平衡混頻器。

5、仿真結(jié)果

根 據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)收信鏈路設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真，對(duì)收信鏈路的各個(gè)器件建立相關(guān)模型，構(gòu)建射頻收發(fā)鏈路的設(shè)計(jì)平臺(tái)。由于篇幅的限制，這里沒(méi)有一一列出所 選器件的參數(shù)，仿真時(shí)，按照所選器件的性能指標(biāo)，使用各個(gè)的行為級(jí)功能模塊，直接按設(shè)計(jì)要求對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后對(duì)整機(jī)方案的各種特性進(jìn)行仿真。

（1） 頻帶選擇性仿真

由仿真結(jié)果可看到，在偏離中心頻率190MHz處，即1820～1835MHz頻段，可得到78dB左右的衰 減；在偏離中心頻率380MHz處，即1630～1645MHz頻段，可得到98dB左右的衰減，此外接收機(jī)射頻前端的接收帶寬為20MHz，和TD- SCDMA系統(tǒng)的要求相吻合，而且通帶內(nèi)的波動(dòng)不超過(guò)0.01dB。

圖 3： 頻帶選擇性仿真結(jié)果圖