手機射頻講義

手機射頻2004-09-13Guofu.Zheng@GSM系統(tǒng)的無線頻譜分配：Unit(MHz)TxbandRxbandGSM850824-849869-894GSM900880-915925-960DCS1710-17851805-1880PCS1850-19101930-1990GSM系統(tǒng)工作在UHF頻段，其真空中電磁波波長為15cm~33cm，跟手機尺寸相當，所以手機射頻電路設計部分要引入波的概念，跟我們通常所說的高頻電子線路原理有很大區(qū)別。電容的射頻特性：這是個0402的22pF貼片電容射頻特性，在1253MHz時電容發(fā)生諧振，阻抗很小。應用：濾波，信號耦合impedance阻抗不同容值的電容特性：15pF22pF56pF100nF47uF不同容值的電容其諧振點不一樣。所以在電源上并聯(lián)了多個容值不等的電容以濾除不同頻段的雜波。射頻電路中能量以波的形式存在或傳播平行雙導線，在低頻中各點的電壓、電流相同。在UHF電路中平行雙導線上各點的電壓、電流不再一樣。理論和實踐表明，平行雙導線上電壓、電流以波的形式存在和分布。平行雙導線上電壓、電流分布正向波和反向波疊加|U||I|電壓幅度分布電流幅度分布傳輸線上各點的阻抗模|Z|=|U|/|I|,不再是常數(shù)，即傳輸線上各點的阻抗是空間的函數(shù)。散射參數(shù)由于在射頻中測量電壓和電流幾乎不太可能，而且電壓、電流的幅度和相位是空間的函數(shù)，用電壓、電流來描述射頻信號和器件的特性不切實際。散射參數(shù)的引入為器件特性的描述或者信號傳輸特性的描述提供了可能。多端口器件1端口n端口各端口均接匹配負載，一端口反射系數(shù)S11＝一端口歸一化反射波電壓/一端口歸一化入射波電壓。傳輸參數(shù)Sn1=n端口歸一化出射波電壓/一端口歸一化入射波電壓散射參數(shù)S11表征反射波電壓幅度和角度的量，|S11|*|S11|則表示了反射波反射回能量的百分率?；夭〒p耗Returnloss=10*log(|S11|*|S11|)=20*log(|S11|)

如果|S11|=0.5,則反射回的能量為25％,相應的回波損耗為－6dB對于二端口網(wǎng)絡，|S21|*|S21|表示信號能量從一端口傳到二端口的百分率。

插入損耗Insertloss=-20*log(|S21|)

如果|S21|=0.5,則傳輸?shù)哪芰繛?5％，相應的插入損耗為6dB.手機中常見的傳輸線類型傳輸線的特性阻抗:其中L為傳輸線單位長度的電感，C為傳輸線單位長度的電容。手機中傳輸線的要求（1）特性阻抗設計成50歐姆（2）插入損耗很小，一般小于0.5dBNote:當傳輸線終端接阻抗為ZL的負載時，傳輸線上的反射系數(shù)|S11|=|(ZL-Z0)/(ZL+Z0)|，其中Z0為傳輸線的特性阻抗。當傳輸線上終端負載等于傳輸線的特性阻抗時，反射系數(shù)最小，這正是要把終端負載阻抗匹配成50歐姆的原因。Smith圓圖簡介用來測量散射參數(shù)的網(wǎng)絡分析儀中，Smith圓圖是一種結(jié)果顯示方式，用它可以很直觀地看到反射系數(shù)和終端負載阻抗的關(guān)系，給電路阻抗分析、匹配網(wǎng)絡設計、噪聲系數(shù)計算、放大器穩(wěn)定性分析等帶來很大方便。S11=(ZL-Z0)/(ZL+Z0)在圓圖中ZL作歸一化處理手機天線介紹功能：能有效接收和發(fā)射電磁波根據(jù)天線理論，天線要能有效接收和發(fā)射電磁波，其尺寸應與相應的電磁波波長相當。以四分之一波長的線天線為例，GSM900的天線長度大概在8～9cm。而現(xiàn)在的手機體積越來越小，留給天線的空間相當有限，有時手機天線的設計是個問題。手機天線的參數(shù)阻抗天線是個終端器件，要求其阻抗在50歐姆左右，如果不是50歐姆那得通過阻抗匹配網(wǎng)絡變成50歐姆，以達到無線信號的最佳發(fā)送和接收。反映在反射系數(shù)上，要求反射系數(shù)小于0.5，回波損耗小于－6。方向圖天線向各個方向的輻射性能肯定不一樣，把各個方向的輻射強度描繪在三維坐標圖上就構(gòu)成了天線的方向圖。由于是移動通信，手機天線要求在大多數(shù)方向都能有較好的輻射性能。手機天線的參數(shù)效率手機天線上也有電阻分量，其輸入的射頻能量并不能全部傳輸出去，有一部分能量會以熱能的形式消耗掉。天線的效率＝傳輸出去的能量/輸入的能量手機內(nèi)置天線的效率一般在30％－40％，外置天線的效率一般在40％－70％手機天線的參數(shù)增益InputpowerIsotropicantenna接收到能量aInputpower能量輻射集中在這個方向,好像能量被放大了。接收到能量bGain=10*log(b/a),單位是dBi，i表示isotropic增益跟天線方向圖和效率有關(guān)，一般手機天線增益在0～3dBi手機天線的設計考慮外置天線：要求天線周圍沒有金屬，至少周圍的6－8mm內(nèi)不能有金屬器件，手機主板的地最少長度得有8cm.內(nèi)置FMA天線：天線周圍不能有金屬。內(nèi)置PIFA天線：天線正下方是地，地與天線的距離一般在6.5mm以上，天線空間在3.5cc以上。手機天線的設計考慮手機天線在自由空間的性能和手機貼在臉上時性能大不一樣，手機貼在臉上打電話時90％以上的能量會被人體吸收，同時天線的諧振頻率也會下偏。天線設計得把諧振頻率調(diào)得高一些，以免在打電話時手機的接收性能會受到較大的影響天線測量SAR:SpecificAbsorptionRate吸收率定義為生物體單位時間(s)，單位質(zhì)量(kg)所吸收的電磁輻射(照射)能量，其單位是W/kg。GB****-2004（中國）ANSIC95.1，1.6W/kg(1g)（美國）EN50360(2000)，2.0W/kg(10g)（歐洲）SAR的測試手機射頻指標發(fā)射功率GSM系統(tǒng)對終端的發(fā)射功率有嚴格要求，太小了基站接收不到，太大了會使鄰近蜂窩產(chǎn)生同頻干擾。同時終端發(fā)射功率分不同等級，距離基站近時低功率等級發(fā)射，遠離基站時則在大功率等級發(fā)射。GSM900分15個功率等級，P5=33dBm,P6=31dBm…P19=5dBm.DCS1800分16個功率等級，P0=30dBm,P6=28dBm…P15=0dBm.Note:dBm的定義P(W)=10*log(P(W)/1mW)(dBm)2W=10*log(2W/1mW)=10*log2000=33dBm手機射頻指標頻率誤差：指手機射頻載波的頻率誤差，GSM要求其值小于0.1ppm。在移動過程中，由于多普勒效應也能產(chǎn)生頻率誤差，F(xiàn)ER=移動速度/波長。相位誤差：指I、Q信號的相位誤差，要求其均方根值小于5度，最大值小于20度。調(diào)制頻譜和開關(guān)頻譜：GSM采用的調(diào)制方式是GMSK，其最大優(yōu)點就是邊帶頻譜下降很快。其中開關(guān)頻譜跟PVT聯(lián)系緊密。手機射頻指標PVT/powerramper跟CDMA通信方式不同，GSM是TDMA和FDMA多址接入方式相結(jié)合的通信方式，GSM對powerramper有嚴格的要求，其發(fā)射功率曲線要求模板之內(nèi)。尤其在功率曲線的上升沿和下降沿，功率曲線的質(zhì)量直接影響開關(guān)頻譜的質(zhì)量和雜散指標接收靈敏度當手機周圍的信號強度變小時，手機接收誤碼率會增大。保證接收誤碼率在2％以內(nèi)，手機周圍能接受的最小信號強度稱手機的接收靈敏度。一般手機的靈敏度都要求在－102dBm以下。靈敏度跟天線的接收性能、手機的自身干擾、接收通路的噪聲直接相關(guān)。手機中的EMC和EMI由于GSM移動終端最高發(fā)射功率能達到33dBm,功率放大器發(fā)射功率此時達到了35dBm左右，手機上的許多元件都會受到這么大發(fā)射功率的影響。（1）電源電壓值的波動：由于是TDMA方式工作，在發(fā)射時隙內(nèi)，電源供電電流可達到2A,以供電回路上有0.2歐姆的電阻計算，供電電壓就有0.4V的波動,這種波動可能引起射頻信號的相位誤差、LCD閃屏甚至引起掉線等。要求：供電電源處并聯(lián)大電容穩(wěn)壓，PCB電源走線盡量加粗以減少分布電阻。EMC指電磁兼容性，EMI指電磁干擾。手機中的EMC和EMI（2）Microphone或Receiver能解調(diào)出天線發(fā)出的射頻信號產(chǎn)生Burst(脈沖)noise,所以GSM手機的麥克風要作專門濾波處理。手機中的EMC和EMI（3）手機的雜散如二次三次諧波要作抑制。由于無線頻譜資源的有限性，手機除了在它工作的頻段外，在其它所有頻段上都不能產(chǎn)生無線雜波信號，或者產(chǎn)生的雜波信號要小于某個值。Frequency(MHz)

GSMDCSLimit(dBm)

Limit(dBm)

0.1-1000-36\-36\1000-1710-30\-30\1710-1785-30\-36\1785-12750-30\-30\手機中的EMC和EMI手機雜散抑制把射頻電路部分要進行很好的屏蔽，PCB上面用金屬屏蔽罩，PCB邊緣打孔，射頻傳輸線兩側(cè)打孔屏蔽，雙工器帶通可抑制高頻率的雜波通過天線出來。另外功率放大器的良好接地和電源濾波對諧波的抑制作用也很大。大于二十分之一波長的縫隙都將可能產(chǎn)生電磁泄漏或輻射基本原則：屏蔽，接地，濾波手機中的EMC和EMI手機自身的干擾比如LCD、Camera的高速數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生的干擾信號，其頻率可到達GHz,對手機的接收靈敏度會產(chǎn)生很大影響。這時要對這些數(shù)據(jù)線進行屏蔽、濾波處理。Note:對數(shù)據(jù)線進行并電容濾波處理時，要考慮到并電容會有數(shù)據(jù)波形產(chǎn)生失真的可能，數(shù)據(jù)線上并的電容不超過3pF。這時可考慮RC濾波、磁珠濾波或者其它濾波形式。手機射頻測試JT