射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課件 第2章 射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)-2.3

射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)馬文建等編著機(jī)械工業(yè)出版社第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解通信鏈路基本框架。從微觀角度，掌握當(dāng)前移動(dòng)通信信號(hào)元素的構(gòu)成；從宏觀角度，理解整個(gè)信號(hào)發(fā)射、傳輸和接收的實(shí)現(xiàn)過程。掌握射頻設(shè)計(jì)的相關(guān)入門知識(shí)，包括噪聲、峰均比、非線性、阻抗匹配和采樣轉(zhuǎn)換等基本概念。理解各射頻單元電路的工作原理、關(guān)鍵指標(biāo)，通過實(shí)例掌握相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。主要包括功率放大器、低噪聲放大器、混頻器、射頻開關(guān)、衰減器、射頻濾波器、功率檢波器、時(shí)鐘鎖相環(huán)、直接數(shù)字頻率合成器、功率分配器、耦合器、移相器、天線等單元電路。了解相關(guān)射頻處理算法的基本概念和設(shè)計(jì)方法，從射頻通信系統(tǒng)角度，梳理電路和算法的相輔相成關(guān)系。第2章射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)框架2.1基本通信鏈路2.1.1無線信道2.1.2信號(hào)構(gòu)成2.1.3信號(hào)調(diào)制與解調(diào)2.2射頻設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.1噪聲2.2.2峰均比2.2.3非線性2.2.4阻抗匹配2.2.5采樣轉(zhuǎn)換2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器2.3.2低噪聲放大器2.3.3混頻器2.3.4射頻開關(guān)2.3.5衰減器2.3.6射頻濾波器2.3.7功率檢波器2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)2.3.9直接數(shù)字頻率合成器2.3.10功率分頻器2.3.11耦合器2.3.12移相器2.3.13天線2.4射頻基本算法2.4.1載波聚合2.4.2數(shù)字變頻2.4.3削波2.4.4數(shù)字預(yù)失真2.4.5自動(dòng)增益控制2.3射頻單元電路一個(gè)射頻通信系統(tǒng)是由若干個(gè)完成特定功能的單元電路組成，通過各單元電路之間的配合工作，一起完成整個(gè)信號(hào)處理過程。要想成功設(shè)計(jì)出一個(gè)合理射頻通信鏈路，首先就需要理解各射頻單元電路的工作原理、關(guān)鍵指標(biāo)，掌握相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。2.3.1功率放大器功率放大器(PA)，簡(jiǎn)稱功放。用于發(fā)射機(jī)末級(jí)，將已調(diào)制的頻帶信號(hào)放大到所需的功率值，送到天線中發(fā)射，保證在設(shè)定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)能收到所需的信號(hào)電平，并不干擾其他信道通信。關(guān)鍵指標(biāo)(1)工作頻段

2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——關(guān)鍵指標(biāo)(2)輸出功率

(3)功率效率

2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——關(guān)鍵指標(biāo)(4)功率增益輸出功率與輸入功率的線性比值，表征功率放大器的放大特征，通常用對(duì)數(shù)dB表示。結(jié)合前端驅(qū)放輸出能力和產(chǎn)品最大輸出功率來評(píng)估功率放大器的增益，一般來講，功率放大器的輸出功率越高，其增益就相對(duì)越低。此外，對(duì)于寬帶功率放大器而言，將其工作帶寬內(nèi)的最大增益和最小增益之差用來評(píng)估增益平坦度性能。(5)線性度射頻功率放大器按照工作狀態(tài)可分為線性放大器和非線性放大器兩種，非線性放大器具有較高效率，而線性放大器最高理論效率只有50%。因此，從效率角度來看應(yīng)盡可能采用非線性放大器，但非線性放大器在放大輸入信號(hào)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一系列新的非線性頻譜分量，影響信號(hào)質(zhì)量。在設(shè)計(jì)選型中，應(yīng)分析產(chǎn)品被放大信號(hào)的峰均比以及諧波、鄰道功率比等需求，并結(jié)合DPD算法性能，對(duì)功率放大器的1dB壓縮點(diǎn)、三階截點(diǎn)、鄰道功率抑制比、誤差矢量幅度等非線性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——關(guān)鍵指標(biāo)(6)輸出噪聲功率放大器在放大有用信號(hào)的同時(shí)，也伴隨著底噪的抬升。在設(shè)計(jì)應(yīng)用中，主要有兩種場(chǎng)景對(duì)功率放大器輸出噪聲有著更為苛刻的需求：發(fā)射功率大動(dòng)態(tài)場(chǎng)景FDD雙工場(chǎng)景必須盡可能抑制功率放大器的帶外噪聲，降低底噪的抬升。(7)端口阻抗阻抗匹配可以使向下一級(jí)進(jìn)行能量傳輸時(shí)的損耗盡可能小，使輸出回波損耗、噪聲系數(shù)、失真和穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)化。功率放大器的輸入/輸出阻抗為復(fù)阻抗，且大功率晶體管的輸出阻抗隨輸出功率的增大而降低。功率晶體管復(fù)數(shù)串聯(lián)輸入/輸出阻抗2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器工作類型根據(jù)功率放大器功率管工作模式的差異，可分為電流源式(即跨導(dǎo)式)和開關(guān)式兩大類。其中，工作于電流源式下的放大器根據(jù)導(dǎo)通角的不同分為A類、B類、AB類和C類，導(dǎo)通角由放大器偏壓決定。工作于開關(guān)式下放大器作為開關(guān)，放大器導(dǎo)通和截止分別相當(dāng)于開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)，根據(jù)輸出端波形整形電路的不同具體可分為D類、E類、F類等。功率放大器分類樹狀圖2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——工作類型工作于電流源式下的A類、AB類和B類屬于線性放大器，但效率不高。工作于開關(guān)式下的D類、E類和F類屬于非線性放大器，線性差但擁有較高的效率。對(duì)于B類和C類放大器，通常在輸出端增加能進(jìn)行波形整形的諧波控制網(wǎng)絡(luò)，使得漏極電壓和電流不在一個(gè)周期內(nèi)共存，降低功消，提高效率。功率放大器按導(dǎo)通角分類特點(diǎn)比較2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——工作類型電流源式放大器漏極電壓和電流波形2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——工作類型開關(guān)式放大器基本電路原理2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——工作類型射頻功率放大器的主要原材料為襯底，常見的襯底包括Si、GaAs、GaN以及Ga2O3。隨著射頻半導(dǎo)體材料由第一代到第三代的發(fā)展，以及后面一代，功率放大器根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景有不同的分類。功率放大器按材料制成分類特點(diǎn)比較2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器應(yīng)用設(shè)計(jì)功率放大器的輸出功率和工作效率是其最重要的兩項(xiàng)指標(biāo)。下面將分別對(duì)用于功率增強(qiáng)的平衡放大器和用于效率增強(qiáng)的Doherty放大器進(jìn)行簡(jiǎn)單應(yīng)用設(shè)計(jì)。(1)平衡放大器在一些中小功率場(chǎng)景下，由于單個(gè)功率放大器輸出能力和器件選型的限制，通?？紤]使用平衡式放大結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)輸出能力并改善端口回?fù)p，具有高穩(wěn)定性和高可靠性、容易實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)工作和雙倍于單路功率等優(yōu)點(diǎn)。2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(1)平衡放大器平衡式放大器輸入和輸出端口的駐波系數(shù)主要取決于3dB電橋的性能和兩路放大電路的一致性，也就是說即使兩個(gè)放大電路的輸入和輸出端口的駐波很差，平衡放大器的整體駐波也會(huì)較好，所以設(shè)計(jì)時(shí)不用過多考慮輸入和輸出端口的阻抗失配問題，更多關(guān)注放大器的功率增益和輸出功率指標(biāo)，以及3dB電橋的幅相一致性和兩路功率放大器的幅相一致性即可。

對(duì)于同樣輸出功率的設(shè)計(jì)需求，相比單功放放大，平衡放大器中的每個(gè)功放輸出功率可降低3dB，從而提高了平衡放大器的整體輸出能力。2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(2)Doherty放大器Doherty功率放大器的輸出功率越大，其效率指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)越顯著。針對(duì)高峰均比的高效率放大，Doherty功率放大架構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。由兩個(gè)功率放大器組成：一個(gè)主功放(Main管)和一個(gè)輔助功放(Peak管)。主功放工作在B類或者AB類，輔助功放通常工作在C類。主功放一直工作，當(dāng)信號(hào)包絡(luò)峰值達(dá)到一定門限后，輔助功放才工作。主功放后面的四分之一波長(zhǎng)線起阻抗變換作用。經(jīng)典雙管Doherty功率放大器基本架構(gòu)2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(2)Doherty放大器對(duì)無耗輸出傳輸線，利用功率守恒條件可得主功放50Ω?jìng)鬏斁€輸出口的視在阻抗為輔助功放50Ω?jìng)鬏斁€輸出口的視在阻抗為

2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(2)Doherty放大器

2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(2)功放保護(hù)功率放大器屬于大功率器件，在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要設(shè)計(jì)相關(guān)保護(hù)電路，保證發(fā)射系統(tǒng)正常工作：上下電時(shí)序保護(hù)過溫告警和過溫保護(hù)過流告警和過流保護(hù)過功率告警和過功率保護(hù)2.3射頻單元電路2.3.1功率放大器發(fā)展趨勢(shì)功率放大器需要朝著高效率、大帶寬和小尺寸的總體方向發(fā)展：高效率當(dāng)前第三代半導(dǎo)體GaN功放在5GNRSub6G的主流3.5GHz頻段基本可實(shí)現(xiàn)75%的峰值效率和20dB增益，下一步需要以金剛石和Ga2O3等為代表的下一代超寬禁帶半導(dǎo)體材料進(jìn)行物理建模，并結(jié)合數(shù)字算法，規(guī)劃實(shí)現(xiàn)3.5GHz頻段85%的峰值效率和25dB增益。大帶寬突破Bode-Fano準(zhǔn)則，在700M~40GHz中的任意子頻段，功放瞬時(shí)工作帶寬提升5倍，將5%相對(duì)帶寬推進(jìn)到25%相對(duì)帶寬，且性能不下降。小尺寸下一代超寬禁帶半導(dǎo)體材料具有更高的電子遷移率使得器件在給定的導(dǎo)通電阻和擊穿電壓下具有更小的尺寸，但小尺寸需要更高的熱導(dǎo)率和效率。另外，從應(yīng)用上來說，SiP(SystemInaPackage)和AoP(AntennaonPackage)等封裝技術(shù)也進(jìn)一步推進(jìn)著功率放大器的小尺寸進(jìn)程。2.3射頻單元電路2.3.2低噪聲放大器低噪聲放大器(LNA)屬于射頻信號(hào)放大器，實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻微弱信號(hào)的線性放大。基于其應(yīng)用的特殊性，一般要求具有以下3大特點(diǎn)：由于LNA是位于接收機(jī)最前端的有源器件，要求其具有足夠低的噪聲系數(shù)和適當(dāng)高的增益，以降低接收鏈路級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)，抑制后級(jí)器件對(duì)級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)的影響，但為了避免后級(jí)鏈路產(chǎn)生不必要的非線性失真，LNA的增益不宜過大。由于接收天線可能會(huì)收到功率較強(qiáng)的干擾信號(hào)，因此要求LNA具有足夠好的線性度。由于位于接收機(jī)前端的LNA一般直接和天線或?yàn)V波器相連，因此要求其輸入端有良好的阻抗匹配，以最小化噪聲系數(shù)，并保證濾波器性能。2.3射頻單元電路2.3.2低噪聲放大器關(guān)鍵指標(biāo)低噪聲放大器的關(guān)鍵指標(biāo)有：低的噪聲系數(shù)(NF)、合適的增益(Gain)、足夠的線性度(IIP3)、輸入輸出端口阻抗匹配(VSWR)、輸入輸出端口反向隔離度(ISO)，另外對(duì)于消費(fèi)類移動(dòng)通信，低功耗也是一項(xiàng)重要指標(biāo)。(1)工作頻段在LNA所允許的工作頻段內(nèi)，其具有較好且穩(wěn)定的性能指標(biāo)，比如：增益平坦度、端口回?fù)p、穩(wěn)定性等。對(duì)于類似支持移動(dòng)通信2G/3G/4G/5G多模的通用LNA，為了增大其應(yīng)用范圍，適配單板器件歸一化準(zhǔn)則，一般都有寬帶和通用化的特點(diǎn)；而對(duì)于類似僅支持北斗/GPS等GNSS接收機(jī)的專用LNA，為了提高其工作性能，一般具有窄帶和高性能的特點(diǎn)。(2)噪聲系數(shù)對(duì)于單級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)可表示為噪聲系數(shù)越低，本底噪聲就越低，則靈敏度越高。因此，從性能角度考慮，應(yīng)在滿足其他需求的前提下，選擇噪聲系數(shù)盡可能低的LNA。2.3射頻單元電路2.3.2低噪聲放大器——關(guān)鍵指標(biāo)(3)增益根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇合適的增益，過大的增益會(huì)使后級(jí)放大器或混頻器等器件輸入功率太大，產(chǎn)生較大失真，甚至飽和；過小的增益無法盡可能的抑制后級(jí)噪聲對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響。

因此，LNA的增益選擇結(jié)合系統(tǒng)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍等綜合考慮。(4)線性度為滿足最大輸入電平的場(chǎng)景需求，避免LNA產(chǎn)生較大的非線性失真，應(yīng)選擇合適線性度，通常使用IIP3來表征。

在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，一般將IIP3比最大輸入信號(hào)功率至少高30dB作為設(shè)計(jì)基線。但放大器線性度越高，其噪聲系數(shù)和功耗也越大，因此需要綜合考慮。2.3射頻單元電路2.3.2低噪聲放大器——關(guān)鍵指標(biāo)(5)端口阻抗匹配放大器匹配設(shè)計(jì)有兩個(gè)方向：一種是以獲取最小噪聲系數(shù)為目的的噪聲匹配，另一種是以獲取最大功率傳輸和最小反射損耗為目的的共軛匹配。

一般來說，輸入匹配采用前一種方法，獲得最佳噪聲；輸出匹配采用后一種方法，獲得最大輸出，因此輸入和輸出匹配總是存在某種程度上的失配，需要將此失配盡可能降至最低。當(dāng)前大多數(shù)寬帶LNA芯片內(nèi)部已進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)，但對(duì)于特定頻段的應(yīng)用，為了獲取最優(yōu)匹配性能，一般也需要外接匹配網(wǎng)絡(luò)。(6)線性度反向隔離度對(duì)應(yīng)S參數(shù)中的S12，增加LNA反向隔離度可以減少本振信號(hào)從混頻器向天線的泄露，尤其對(duì)于零中頻接收機(jī)，本振信號(hào)頻率與射頻收發(fā)頻率相同，本振泄露的多少完全取決于LNA的反向隔離性能。

另外，增加LNA的反向隔離度，還能減小輸出負(fù)載變化對(duì)輸入阻抗的影響，簡(jiǎn)化端口阻抗匹配調(diào)試優(yōu)化難度。2.3射頻單元電路2.3.2低噪聲放大器——關(guān)鍵指標(biāo)(7)穩(wěn)定性放大器的穩(wěn)定性可以通過Rollet穩(wěn)定系數(shù)K進(jìn)行表征(8)功耗LNA屬于小信號(hào)放大，需要一個(gè)靜態(tài)偏置。低功耗是手持終端和穿戴設(shè)備的重要指標(biāo)，該類設(shè)備通過采用低電源電壓、低偏置電流的方式，從根本上降低LNA的功耗，但線性度和增益也會(huì)隨之降低。當(dāng)K>1時(shí)，放大器對(duì)應(yīng)指定的頻率和所選擇的DC靜態(tài)工作點(diǎn)，對(duì)任何輸入/輸出阻抗都將無條件穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)K<1時(shí)，則可能存在一些輸入/輸出阻抗會(huì)導(dǎo)致放大器不穩(wěn)定，即發(fā)生振動(dòng)。2.3射頻單元電路2.3.2低噪聲放大器應(yīng)用設(shè)計(jì)在進(jìn)行LNA設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注放大器選型、輸入/輸出阻抗匹配、偏置電路以及物理布局。下面將從穩(wěn)定性、匹配網(wǎng)絡(luò)和綜合設(shè)計(jì)三個(gè)方面分別進(jìn)行討論。(1)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)放大器必須在所有工作頻段和輸入/輸出阻抗條件下無條件保持穩(wěn)定。當(dāng)放大器不穩(wěn)定并開始振蕩時(shí)，會(huì)造成晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)偏移，電流增大，功耗增加，并可能導(dǎo)致器件的損壞。當(dāng)一個(gè)放大器發(fā)生振蕩時(shí)，其輸出頻譜除了主信號(hào)外，還會(huì)在其他頻率點(diǎn)上額外產(chǎn)生一些振蕩毛刺尖峰。在實(shí)際調(diào)試過程中，可將手指放置在電路的低電壓和低電流區(qū)域，通過觀察這些振蕩毛刺尖峰是否發(fā)生頻率偏移，將振蕩毛刺尖峰從其他尖峰中辨別出來。如果發(fā)生了頻率偏移，則可判定此放大器不穩(wěn)定，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)將這種不穩(wěn)定性消除。放大器的穩(wěn)定性和很多因素有關(guān)，比如：晶體管的溫度、偏置電路、信號(hào)強(qiáng)度、HFE的范圍、有源器件內(nèi)部正反饋機(jī)制、外圍器件造成的外部正反饋機(jī)制、所需帶寬外的高增益(通常在低頻段)、PCB電路布局、RF屏蔽罩等等。2.3射頻單元電路2.3.2低噪聲放大器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(1)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)一般情況下，晶體管放大器在低頻段的增益會(huì)明顯高于高頻段。用于對(duì)放大器低阻抗電源進(jìn)行去耦合的RF扼流圈在頻率降低時(shí)將不再呈現(xiàn)“開路”狀態(tài)，而是逐漸趨于“短路”，導(dǎo)致放大器的負(fù)載嚴(yán)重偏離50Ω，從而在一個(gè)條件穩(wěn)定的放大器上造成振蕩。降低這種影響的一個(gè)方法是在偏置電路的DC端放置一個(gè)低頻扼流圈，通過低頻和高頻扼流圈維持電源的寬帶高阻抗。2.3射頻單元電路2.3.2低噪聲放大器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(1)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)在放大器穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)，還有如下設(shè)計(jì)點(diǎn)需要考慮：放大器的增益越高，就越容易產(chǎn)生振蕩，通常情況下，單級(jí)放大器的增益應(yīng)不超過25dB。避免由于反饋引起的放大器振動(dòng)，比如：通過對(duì)電源電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)腞F去耦合，以及避免放大器輸出端口走線靠近或耦合進(jìn)放大器的輸出端口。保證電路接地良好，即具有盡可能低的接地阻抗，如果地電位過于分散，放大器的工作狀態(tài)將會(huì)不可預(yù)測(cè)，也就是說放大器工作溫度、頻率、功率、阻抗、供電等變化都可能導(dǎo)致間歇性振蕩。對(duì)于串聯(lián)多級(jí)放大電路的場(chǎng)景，應(yīng)注意電路布局，合理分腔，單個(gè)腔內(nèi)的增益控制在50dB以內(nèi)，并保證放大器的電源線上進(jìn)行了合理的RF去耦合，避免從電源上形成高反饋，產(chǎn)生振蕩。2.3射頻單元電路2.3.2低噪聲放大器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(2)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過程中，需注意以下幾點(diǎn)：從結(jié)構(gòu)上講，匹配網(wǎng)絡(luò)包括L型、π型和T型，結(jié)合LNA輸入/輸出端口實(shí)際Smith圓圖進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的選擇。從頻帶上講，匹配網(wǎng)絡(luò)包括寬帶通用型匹配和窄帶高性能匹配。對(duì)于5GNR等寬帶，以及多頻多模這類應(yīng)用，一般選用寬帶匹配；對(duì)于4GLTE之前的這類窄帶場(chǎng)景，一般選用窄帶匹配，可以獲得更優(yōu)端口匹配性能。匹配網(wǎng)絡(luò)的帶寬主要由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和匹配電容/電感的Q值決定，低Q值對(duì)應(yīng)寬帶匹配，高Q值對(duì)應(yīng)窄帶匹配。從實(shí)現(xiàn)上講，匹配網(wǎng)絡(luò)包括集總式參數(shù)匹配和分布式參數(shù)匹配。一般情況下，Sub6G可優(yōu)先選擇集總參數(shù)匹配，超過6GHz的電路優(yōu)先選擇分布式參數(shù)匹配。在進(jìn)行輸入/輸出端口阻抗匹配時(shí)，需要考慮放大器反向隔離度S12帶來的影響，即輸入阻抗匹配和輸出阻抗匹配相互影響2.3射頻單元電路2.3.2低噪聲放大器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(3)綜合設(shè)計(jì)針對(duì)所需頻段、增益、NF、價(jià)格、封裝以及在不同偏置條件下得到的S參數(shù)文件選擇合適的LNA。S參數(shù)用于描述任何RF元件在不同頻率和靜態(tài)工作點(diǎn)下的工作特性，將S參數(shù)帶入ADS軟件，可以計(jì)算出元件的增益、回波損耗、反向隔離度、輸入/輸出阻抗和穩(wěn)定性。晶體管分立元件無論是采用SiGe、RFCMOS、RFSOI或GaAs工藝技術(shù)設(shè)計(jì)LNA，其電路結(jié)構(gòu)基本都是由晶體管、偏置、匹配和負(fù)載四大部分組成。右圖為單管小信號(hào)LNA典型放大電路。注意分析各元件對(duì)電路結(jié)構(gòu)的作用。2.3射頻單元電路2.3.2低噪聲放大器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(3)綜合設(shè)計(jì)MMICMMIC是將晶體管放大電路封裝在一個(gè)芯片內(nèi)，應(yīng)用設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，一般只需要為芯片提供合適的偏置即可。2.3射頻單元電路2.3.3混頻器

上述信號(hào)包含和頻、差頻兩種頻率成分，經(jīng)過濾波器，即可得到所需要單邊信號(hào)。2.3射頻單元電路2.3.3混頻器關(guān)鍵指標(biāo)在設(shè)計(jì)射頻收發(fā)機(jī)前端電路的混頻器電路時(shí)，應(yīng)對(duì)混頻器的變頻增益、噪聲系數(shù)、線性度、功耗、電源電壓等多方面進(jìn)行詳細(xì)地分析。(1)變頻增益變頻增益是輸出信號(hào)功率與輸入信號(hào)功率之比，通常以dB表示?；祛l器可以分為有源混頻器和無源混頻器兩種，它們的區(qū)別在于是否有功率增益，有源混頻器會(huì)帶有一定的變頻增益；無源混頻器插入損耗即為其變頻損耗，其主要由混頻二極管的內(nèi)阻、端口阻抗不匹配、混頻器產(chǎn)生頻率以及在無用和頻或差頻上產(chǎn)生的3dB損耗構(gòu)成，一般在4.5~9dB之間。對(duì)于射頻接收機(jī)，一般希望下混頻器具有一定的變頻增益，用于降低下混頻器后級(jí)電路對(duì)整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)噪聲性能的影響。對(duì)于射頻發(fā)射機(jī)，上混頻器具有一定的變頻增益可以有效降低對(duì)后級(jí)功率放大器增益的要求。但過大的混頻器變頻增益將使得混頻器后級(jí)電路出現(xiàn)飽和，導(dǎo)致整個(gè)電路無法正常工作。2.3射頻單元電路2.3.3混頻器——關(guān)鍵指標(biāo)(2)噪聲系數(shù)混頻器噪聲系數(shù)指標(biāo)和其他射頻電路有所差異，根據(jù)輸入信號(hào)的不同，其一般有單邊帶(SSB)噪聲系數(shù)和雙邊帶(DSB)噪聲系數(shù)兩種定義，它們分別對(duì)應(yīng)單邊帶混頻器和雙邊帶混頻器，并分別適用于超外差架構(gòu)和零中頻架構(gòu)。下圖給出了兩種架構(gòu)的下變頻混頻器的噪聲來源，超外差式架構(gòu)的單邊帶噪聲實(shí)際上只占了本振信號(hào)的一個(gè)邊帶，另一個(gè)鏡像邊帶被濾波器抑制了。而零中頻架構(gòu)的雙邊帶噪聲完整來自于本振信號(hào)的上下兩個(gè)邊帶。2.3射頻單元電路2.3.3混頻器——關(guān)鍵指標(biāo)(2)噪聲系數(shù)顯然超外差式架構(gòu)的混頻器噪聲是零中頻架構(gòu)的2倍，因此，單邊帶噪聲功率是雙邊帶噪聲功率的2倍。結(jié)合噪聲因子的定義，可以得出(3)干擾與失真混頻功能是靠器件的非線性特征中的平方項(xiàng)完成兩信號(hào)的相乘來實(shí)現(xiàn)的。由于器件非線性特征高次項(xiàng)使本振與輸入信號(hào)除了產(chǎn)生有用分量外，還會(huì)產(chǎn)生很多組合頻率，當(dāng)某些組合頻率落入有用信號(hào)帶內(nèi)或ADC低階混疊區(qū)時(shí)，就會(huì)形成對(duì)有用信號(hào)的干擾。三大干擾與失真主要來源：組合干擾寄生通道干擾互調(diào)失真2.3射頻單元電路2.3.3混頻器——關(guān)鍵指標(biāo)(4)線性度混頻器線性度性能決定了其失真水平，以及能承受的最大信號(hào)電平?；祛l器在不同的信號(hào)輸入功率下有著不同的混疊雜散，特別是對(duì)于阻塞場(chǎng)景下的接收機(jī)尤為明顯。

在實(shí)際應(yīng)用中，混頻器關(guān)注的線性度指標(biāo)主要有1dB壓縮點(diǎn)和三階截點(diǎn)。(5)端口隔離度混頻器包含射頻端、本振端和中頻端3個(gè)端口，由于器件工藝和寄生效應(yīng)等影響，導(dǎo)致各端口之間相互泄露形成干擾。以接收機(jī)為例，本振端口向射頻端口的強(qiáng)泄露會(huì)影響到LNA工作，甚至通過天線輻射。射頻端口向本振端口的串?dāng)_可能會(huì)使射頻端口中包含的強(qiáng)干擾信號(hào)影響本振工作。本振端口向中頻端口的串?dāng)_可能會(huì)使中頻放大器飽和。在實(shí)際應(yīng)用中，除了根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適隔離性能的混頻器外，還應(yīng)當(dāng)注意單板布局布線帶來的隔離影響，盡量降低因隔離度不好帶來的泄露和雜散干擾。2.3射頻單元電路2.3.3混頻器工作類型混頻器按照有無增益分為無源混頻器和有源混頻器兩大類。有變頻損耗的混頻器稱為無源混頻器；反之，有變頻增益的混頻器稱為有源混頻器。(1)有源混頻器有源混頻器根據(jù)電路結(jié)構(gòu)可分為非平衡型混頻器和平衡型混頻器。典型非平衡型混頻器包括單管跨導(dǎo)型混頻器和雙柵管混頻器。

平衡型混頻器又可分為單平衡混頻器和雙平衡混頻器。下面以當(dāng)前有源混頻器中應(yīng)用最為廣泛的Gilbert雙平衡混頻器進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。Gilbert雙平衡有源混頻器由驅(qū)動(dòng)級(jí)、跨導(dǎo)級(jí)、開關(guān)級(jí)、輸出級(jí)4部分組成。有源Gilbert雙平衡混頻器基本結(jié)構(gòu)2.3射頻單元電路2.3.3混頻器——工作類型(2)無源混頻器無源混頻器具有噪聲低、線性度高和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。常見的無源混頻器結(jié)構(gòu)有單MOS管開關(guān)混頻器、單平衡混頻器和雙平衡混頻器等。應(yīng)用最為廣泛的雙平衡混頻器主要由二極管環(huán)路、本振巴倫和射頻巴倫三部分構(gòu)成。無源雙平衡混頻器使用一個(gè)二極管環(huán)路實(shí)現(xiàn)射頻輸入信號(hào)的頻率變換，混頻二極管在環(huán)內(nèi)受大幅值本振信號(hào)控制，交替處于開、關(guān)狀態(tài)。當(dāng)RF信號(hào)依次經(jīng)過二極管環(huán)路時(shí)，就相當(dāng)于使用非線性方式對(duì)RF和LO信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生IF輸出頻率。無源混頻器存在變頻損耗，主要由混頻二極管內(nèi)阻、端口阻抗不匹配度、混頻器產(chǎn)生的混疊雜散，以及無用的和頻或差頻產(chǎn)生的3dB損耗構(gòu)成。2.3射頻單元電路2.3.3混頻器——工作類型(3)二者比較2.3射頻單元電路2.3.3混頻器應(yīng)用設(shè)計(jì)由于混頻器各個(gè)性能指標(biāo)之間有著緊密的聯(lián)系，如何在轉(zhuǎn)換增益、線性度、噪聲系數(shù)、功耗、端口隔離度等性能指標(biāo)中選擇最合適的參數(shù)是混頻器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。(1)有源混頻器在有源混頻器應(yīng)用設(shè)計(jì)中，有以下幾點(diǎn)要素需要重點(diǎn)關(guān)注：頻率應(yīng)用有源混頻器應(yīng)用于上變頻時(shí)，輸入/輸出端口不變，有源混頻器此時(shí)輸入端口和輸出端口仍然分別為RF信號(hào)和IF信號(hào)。此時(shí)的輸出信號(hào)只能達(dá)到IF端口輸出信號(hào)頻率的額定值，從而限制了有源混頻器的應(yīng)用頻段一般不超過3GHz。本振電平大多數(shù)有源混頻器對(duì)端口不匹配的靈敏度比無源混頻器，本振輸入通常不需要外部緩沖放大器。端口隔直很多集成有源混頻器的端口需要提供直流電壓，在應(yīng)用時(shí)需保證各端口串聯(lián)合適的隔直電容。2.3射頻單元電路2.3.3混頻器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(2)無源混頻器在無源混頻器應(yīng)用設(shè)計(jì)中，有以下幾點(diǎn)要素需要重點(diǎn)關(guān)注：頻率規(guī)劃選擇恰當(dāng)?shù)腖O和IF頻率，并進(jìn)行完整的組合干擾、寄生通道干擾和互調(diào)失真預(yù)算，使IF(接收方向)或RF(發(fā)射方向)通頻帶內(nèi)干擾失真成分的數(shù)量和幅度降到最小。本振電平較高的本振電平會(huì)導(dǎo)致電路功耗、LO饋通和噪聲系數(shù)的增加，但較低的本振電平又會(huì)對(duì)IMD抑制和變頻損耗產(chǎn)生不利影響。因此，將本振電平設(shè)計(jì)在推薦值上是一種對(duì)系統(tǒng)整體性能相對(duì)較好的折中方案。端口匹配RF和IF端口之間的寬帶共軛匹配直接影響無源混頻器的變頻增益和互調(diào)性能，盡可能選用非反射的濾波器(比如雙工器)，或者在混頻器與濾波器之間嵌入放大器，保證足夠的反向隔離度。2.3射頻單元電路2.3.4射頻開關(guān)射頻開關(guān)在射頻通信電路中的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括：大功率TDD基站系統(tǒng)為保證功率放大器輸出阻抗和降低對(duì)TDD開關(guān)功率等級(jí)的需求，一般在功率放大器輸出級(jí)使用環(huán)形器，TDD開關(guān)放在接收電路的輸入端。小功率TDD終端系統(tǒng)小功率場(chǎng)景下的功率放大器對(duì)輸出阻抗變化的敏感程度相對(duì)降低，為降低成本和模塊尺寸，一般考慮將環(huán)形器去掉，將TDD開關(guān)直接放置在收發(fā)通道的公共回路上。多功能切換應(yīng)用對(duì)于一些多頻場(chǎng)景或校正場(chǎng)景，一般使用多通道切換開關(guān)，進(jìn)行頻率的選擇、收發(fā)校正選擇。2.3射頻單元電路2.3.4射頻開關(guān)關(guān)鍵指標(biāo)(1)通路個(gè)數(shù)開關(guān)的通道數(shù)，根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。一般有SPST(單刀單擲)、SPDT(單刀雙擲)、SP3T(單刀三擲)、SP4T(單刀四擲)、SP5T(單刀五擲)、SP6T(單刀六擲)、SP8T(單刀八擲)。SPST一般用于多級(jí)開關(guān)級(jí)聯(lián)，提高開關(guān)通道的隔離度；SPDT一般用于TDD系統(tǒng)；SP3T、SP4T、SP5T、SP6T、SP8T一般用于多功能切換場(chǎng)景。(2)工作頻率在保證相關(guān)性能指標(biāo)前提下，可以正常工作的頻率范圍。

為提高單板器件歸一化指標(biāo)和平臺(tái)化需求，一般希望所選的射頻開關(guān)能覆蓋盡可能寬的頻帶，特別是多頻切換開場(chǎng)景。2.3射頻單元電路2.3.4射頻開關(guān)——關(guān)鍵指標(biāo)(3)線性度常使用P1dB和IIP3來反映射頻開關(guān)的線性指標(biāo)。特別是用于功放后級(jí)的TDD開關(guān)和收/發(fā)/反饋校正開關(guān)，需要較高的線性度，以滿足發(fā)射通道線性指標(biāo)和通道校正性能。(4)插入損耗經(jīng)過開關(guān)后信號(hào)的損耗。用于TDD系統(tǒng)的射頻開關(guān)，尤其需要關(guān)注其插入損耗指標(biāo)。

對(duì)于大功率場(chǎng)景的TDD開關(guān)，其插入損耗越小，接收通道的噪聲系數(shù)越小，靈敏度越高。

對(duì)于小功率場(chǎng)景的TDD開關(guān)，其插入損耗越小，發(fā)射通道的后級(jí)損耗越小，整機(jī)功耗越小。2.3射頻單元電路2.3.4射頻開關(guān)——關(guān)鍵指標(biāo)(5)端口隔離度端口隔離度包括通道關(guān)斷隔離度和開關(guān)端口間隔離度。

隔離度需求主要依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，比如：多發(fā)射通道的反饋校正一般共用一個(gè)ADC采集通道，使用校正開關(guān)分時(shí)切換，此校正開關(guān)需要較高的隔離度，以降低各發(fā)射通道之間的干擾。(6)開關(guān)切換時(shí)間和普通開關(guān)一樣，開關(guān)切換時(shí)間包括開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間兩個(gè)定義：開啟時(shí)間：一般定義為50%控制信號(hào)到90%RF信號(hào)。關(guān)斷時(shí)間：一般定義為50%控制信號(hào)到10%RF信號(hào)。射頻開關(guān)反饋校正多級(jí)級(jí)聯(lián)提升通道間隔離度2.3射頻單元電路2.3.4射頻開關(guān)工作類型除了上述關(guān)鍵指標(biāo)中根據(jù)通道個(gè)數(shù)進(jìn)行射頻開關(guān)的分類外，一般還會(huì)根據(jù)其端口內(nèi)部是否有匹配電阻分別為反射式和吸收式兩種類型。反射式開關(guān)在關(guān)斷狀態(tài)下，處于開路或短路狀態(tài)；而吸收式開關(guān)在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)下，通過50ohm負(fù)載吸收反射信號(hào)。2.3射頻單元電路2.3.4射頻開關(guān)——工作類型根據(jù)兩類射頻開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，下表分別從端口駐波、插入損耗、端口隔離度、額定功率4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。如果系統(tǒng)的指標(biāo)性能對(duì)反射波比較敏感，則優(yōu)先選擇吸收式射頻開關(guān)，降低級(jí)間牽引，可應(yīng)用于大多數(shù)場(chǎng)景；反射式射頻開關(guān)一般用于追求低插損、高隔離，且對(duì)駐波不敏感的特殊場(chǎng)景。反射式和吸收式射頻開關(guān)對(duì)比2.3射頻單元電路2.3.4射頻開關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)一般選用PIN結(jié)二極管進(jìn)行射頻開關(guān)的設(shè)計(jì)。PIN結(jié)二極管的導(dǎo)通電阻比普通PN結(jié)二極管的導(dǎo)通電阻低很多，通過直流電壓控制電流，使PIN結(jié)二極管偏置，提供一個(gè)很大范圍的電阻值(0.5~10000Ω)，成為一個(gè)流控電阻器。控制電流使PIN結(jié)二極管在導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)之間切換，導(dǎo)通狀態(tài)下電阻值很小，而截止?fàn)顟B(tài)下電阻值很大(電阻值的大小取決于偏置電壓)?；诙O管RF開關(guān)基本電路高隔離SPDTPIN二極管開關(guān)2.3射頻單元電路2.3.5衰減器射頻收發(fā)電路中，需要衰減器進(jìn)行通道增益調(diào)整和(或)改善級(jí)間回波損耗。從控制方式來講，衰減器可分為固定衰減器和可調(diào)衰減器兩種類型，其中可調(diào)衰減器又分為數(shù)控衰減器(DSA)和壓控衰減器(VVA)兩種。關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)計(jì)或應(yīng)用衰減器時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵指標(biāo)有：工作頻段、回波損耗、衰減精度、線性度，對(duì)于可調(diào)衰減器，還需要重點(diǎn)關(guān)注插入損耗、衰減步進(jìn)、衰減范圍、響應(yīng)時(shí)間。(1)工作頻段工作頻段是衰減器在保證相關(guān)性能指標(biāo)前提下，可以正常工作的頻率范圍。衰減器的工作頻段越寬，其應(yīng)用范圍越廣，寬帶化是衰減器一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。(2)回波損耗回波損耗反映電路的匹配狀況，且影響帶內(nèi)衰減平坦度。在實(shí)際應(yīng)用中，常常使用回波損耗較好的固定衰減器來抑制級(jí)間反射，改善濾波器、混頻器等器件的級(jí)間匹配。2.3射頻單元電路2.3.5衰減器——關(guān)鍵指標(biāo)(3)衰減精度衰減精度反映理論衰減量與實(shí)際衰減量的誤差?？烧{(diào)衰減器的衰減誤差一般隨著衰減量的增大而增大。對(duì)于需要精確增益控制的鏈路，一般采用壓控衰減器配合反饋鏈路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)增益控制。(5)插入損耗可調(diào)衰減器處于最小衰減量(參考態(tài))的插入損耗，此時(shí)的損耗主要由其內(nèi)部開關(guān)導(dǎo)通電阻或二極管導(dǎo)通壓降產(chǎn)生。(4)線性度常使用P0.1dB和IIP3來反映有源衰減器的線性指標(biāo)。對(duì)于數(shù)控衰減器和壓控衰減器，其線性度主要受內(nèi)部切換開關(guān)和二極管限制。(6)衰減范圍可調(diào)衰減器的衰減動(dòng)態(tài)范圍，表示最大衰減與最小衰減的差值。2.3射頻單元電路2.3.5衰減器——關(guān)鍵指標(biāo)(7)衰減步進(jìn)衰減步進(jìn)主要針對(duì)數(shù)控衰減器提出的指標(biāo)，表示最小位(LSB)的衰減量，與衰減范圍(FS)和衰減bit數(shù)N的關(guān)系表達(dá)式為(9)附加相移量射頻信號(hào)經(jīng)過衰減器后相比參考態(tài)產(chǎn)生的附加相位調(diào)制，此相移量與衰減量、溫度、頻率相關(guān)。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)要求附加相移盡量小，特別對(duì)于多通道波束成形的系統(tǒng)，需要重點(diǎn)考慮不同衰減檔位和溫度對(duì)通道相位的影響，并通過作表進(jìn)行補(bǔ)償。(8)響應(yīng)時(shí)間與射頻開關(guān)的開關(guān)時(shí)間定義類似，表示衰減指令(數(shù)控值或壓控值)下發(fā)到衰減生效的時(shí)間間隔。2.3射頻單元電路2.3.5衰減器應(yīng)用設(shè)計(jì)基于電阻衰減網(wǎng)絡(luò)的固定衰減器、數(shù)控衰減器和壓控衰減器三種類型。(1)固定衰減器基于電阻衰減網(wǎng)絡(luò)的固定衰減器一般有π型和T型兩種實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)于電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，一般不需要阻抗變換，即輸入阻抗和輸出阻抗相等，電路具有對(duì)稱形式。2.3射頻單元電路2.3.5衰減器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(1)固定衰減器當(dāng)衰減值較小時(shí)，T型衰減網(wǎng)絡(luò)中的取值很小，容易受引線和焊點(diǎn)影響，影響衰減準(zhǔn)確度。而隨著衰減值的增加，T型衰減網(wǎng)絡(luò)中的阻值也會(huì)很小。所以，對(duì)于較小(2dB以下)或較大(30dB以上)的衰減應(yīng)用時(shí)，一般選用π型衰減網(wǎng)絡(luò)。而對(duì)于中間衰減值，π型和T型衰減網(wǎng)絡(luò)都適用。2.3射頻單元電路2.3.5衰減器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(2)數(shù)控衰減器數(shù)控衰減器包含一組級(jí)聯(lián)單元，每個(gè)單元又含有一個(gè)獨(dú)立bit位，通過切換控制開關(guān)狀態(tài)得到目標(biāo)衰減量。級(jí)聯(lián)bit位通過最低有效位(LSB)電平作為最小可分辨的級(jí)別進(jìn)行二進(jìn)制加權(quán)，最高有效位(MSB)決定了衰減器的上限電平。當(dāng)所有衰減位都處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)獲得最小衰減，所有衰減位都處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)獲得最大衰減。數(shù)控衰減器具有線性度高、衰減誤差小、一致性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于相控陣系統(tǒng)中。一種6bit數(shù)控衰減器電路拓?fù)?.3射頻單元電路2.3.5衰減器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(2)壓控衰減器壓控衰減器根據(jù)控制電壓的大小實(shí)現(xiàn)衰減量的調(diào)節(jié)，具有衰減步進(jìn)小，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于基站發(fā)射功率控制和射頻干擾對(duì)消系統(tǒng)中。PIN二極管導(dǎo)通電阻比普通PN結(jié)整流二極管導(dǎo)通電阻低很多，利用PIN二極管“電流控制電阻”的特性，可以構(gòu)成壓控衰減器電路。一種利用PIN二極管“電流控制電阻”特性構(gòu)成的壓控衰減器2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器射頻濾波器是射頻收發(fā)系統(tǒng)中的重要單元之一，用來選擇性地通過和抑制某些特定頻段，其可以看作是一個(gè)帶有頻率選擇功能的二端口網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)從輸入端口進(jìn)入，經(jīng)過濾波器選擇和抑制，使得滿足特定頻率要求的信號(hào)以盡可能低的損耗通過，而特定頻率之外的信號(hào)盡可能高的被抑制，保證發(fā)射電路的頻譜模板和接收電路的信噪比。按照濾波器對(duì)頻率的不同響應(yīng)，可將濾波器分為低通濾波器(LPF)、高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF)、帶阻濾波器(BSF)四大類?；緸V波電路幅頻特性曲線2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器關(guān)鍵指標(biāo)(1)中心頻率和截止頻率中心頻率屬于帶通濾波器的幾何中心，決定著濾波器的工作頻率。截止頻率定義為濾波器在平均通帶響應(yīng)下降3dB處的頻率響應(yīng)點(diǎn)。(2)通帶帶寬

(3)插入損耗插入損耗表示通帶內(nèi)信號(hào)經(jīng)過濾波器傳輸之后的平均衰減量，一般要求濾波器的插入損耗越小越好。(4)帶內(nèi)波動(dòng)帶內(nèi)波動(dòng)是描述濾波器通帶內(nèi)插入損耗平坦度的指標(biāo)，定義為通帶內(nèi)插入損耗最大值和最小值之間的差值。

帶內(nèi)波動(dòng)的大小主要由濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定。對(duì)于射頻濾波器，較差的端口匹配度也會(huì)導(dǎo)致帶內(nèi)波動(dòng)的惡化。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——關(guān)鍵指標(biāo)(5)帶外抑制帶外抑制是衡量濾波器抗干擾性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。理想濾波器通帶以外的衰減量趨于無窮大，而實(shí)際濾波器只能做到有限的帶外抑制，且還會(huì)由于元件自身終端電抗、內(nèi)部寄生效應(yīng)、PCB上的電抗會(huì)在某些頻點(diǎn)產(chǎn)生一定的寄生響應(yīng)。同樣，濾波器過渡帶的衰減速率主要由其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定。(6)回波損耗回波損耗為通帶內(nèi)返回(反射)的射頻信號(hào)與輸入端信號(hào)功率強(qiáng)度的比值?；夭〒p耗反映濾波器輸入輸出端口的阻抗匹配程度，阻抗匹配越好，反射功率越小，回波損耗也就越小，一般也可獲得較高的帶外抑制和較小的帶內(nèi)波動(dòng)。(7)品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)(簡(jiǎn)稱為Q值)一般針對(duì)帶通濾波器，定義為中心頻率與3dB下降點(diǎn)帶寬的比值。對(duì)于中心頻率不變的情況，帶寬越窄濾波器的Q值越高。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——關(guān)鍵指標(biāo)(8)群時(shí)延波動(dòng)群時(shí)延是描述傳輸系統(tǒng)相頻特性的一個(gè)重要參量，表征系統(tǒng)的線性失真度。當(dāng)群信號(hào)通過一個(gè)傳輸系統(tǒng)時(shí)，從整個(gè)信號(hào)包絡(luò)輸入到信號(hào)包絡(luò)輸出需要消耗一定時(shí)間，此段時(shí)間便稱為群時(shí)延，即信號(hào)整體傳輸系統(tǒng)的傳輸時(shí)間。從物理意義上看，某一頻率對(duì)應(yīng)的群時(shí)延為：以該頻率為中心的一個(gè)非常窄的頻段內(nèi)信號(hào)通過傳輸系統(tǒng)所需的時(shí)間，其數(shù)值大小等于該頻率對(duì)應(yīng)相位特性的一階微分量，即相位對(duì)頻率的變化率。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——關(guān)鍵指標(biāo)(8)群時(shí)延波動(dòng)以Qorvo公司的兩個(gè)band40(2300~2400MHz)，中心頻率為2350MHz的濾波器為例，其型號(hào)分別為885069和QPQ1287。在band40帶內(nèi)，885069的下邊帶帶內(nèi)波動(dòng)優(yōu)于QPQ1287，產(chǎn)生的群時(shí)延波動(dòng)也略優(yōu)于QPQ1287；在band40帶外，885069具有更為陡峭的過渡帶，產(chǎn)生更高的群時(shí)延波動(dòng)。因此，一般有如下結(jié)論：增益波動(dòng)越大的頻段會(huì)產(chǎn)生越高的群時(shí)延波動(dòng)。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器工作類型按照濾波器的工藝制程，可將其主要分為集總式濾波器、分布式濾波器、SAW濾波器、BAW濾波器、FBAR濾波器、LTCC濾波器、金屬腔體濾波器和陶瓷介質(zhì)濾波器。另外，還有一些特殊用途的濾波器，比如用于FDD雙工模式的雙工濾波器和用于多頻變換的調(diào)諧濾波器。(1)集總式濾波器集總式濾波器由獨(dú)立的電容、電感等物理元件組成一個(gè)可以通過特定頻率而阻止其他頻率的電路。濾波器通帶內(nèi)的插入損耗主要由元件的有限無載Q值產(chǎn)生，引起電阻損耗。集總式低通濾波基本形式2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(1)集總式濾波器兩種基本結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)級(jí)聯(lián)可以得到T型和π型低通濾波結(jié)構(gòu)，通過增加濾波器極點(diǎn)個(gè)數(shù)來進(jìn)一步提高過渡帶邊沿的陡峭程度。相應(yīng)的，隨著濾波器級(jí)聯(lián)節(jié)數(shù)的增加，實(shí)際的截止頻率會(huì)略微降低，插入損耗也會(huì)隨之增大。集總式低通濾波翻轉(zhuǎn)級(jí)聯(lián)集總式高通濾波翻轉(zhuǎn)級(jí)聯(lián)2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(1)集總式濾波器帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法與低通濾波器和高通濾波器相似，差異點(diǎn)主要體現(xiàn)在元件個(gè)數(shù)和截止頻率的增加。集總式帶通濾波翻轉(zhuǎn)級(jí)聯(lián)2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(2)分布式濾波器在高于3GHz的應(yīng)用場(chǎng)景中，由于物理元件寄生參數(shù)的影響導(dǎo)致集總式濾波器性能下降，通常會(huì)使用大尺寸面積的分布式濾波器進(jìn)行取代。與集總濾波器的設(shè)計(jì)不同，分布式濾波器的計(jì)算一般相當(dāng)復(fù)雜，絕大多數(shù)需要借助ADS或(和)HFSS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算和迭代優(yōu)化。集總映像分布式濾波器將集總式濾波器中元件參數(shù)的值進(jìn)行分布式表達(dá)，使用分布式元件代替各個(gè)集總元件，調(diào)諧電感和電容的長(zhǎng)度得到最優(yōu)的頻率響應(yīng)。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(2)分布式濾波器平行邊緣耦合帶通濾波器適用于窄帶濾波，屬于分布式類型中最基本的結(jié)構(gòu)。邊緣耦合的平行耦合線由相互平行且靠近的微帶線構(gòu)成，每條單獨(dú)的微帶線都等價(jià)為小段串聯(lián)電感和小段并聯(lián)電容。當(dāng)微帶線的長(zhǎng)度為濾波器中心頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4時(shí)，該結(jié)構(gòu)的微帶線將具備帶通特性。雖然單獨(dú)耦合節(jié)單元具有典型的帶通特性，但是單個(gè)帶通濾波單元難以具有良好的濾波器響應(yīng)及陡峭的過渡特性。因此，一般選用多個(gè)平行耦合節(jié)級(jí)聯(lián)來構(gòu)成多節(jié)耦合的帶通濾波器。。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(2)分布式濾波器發(fā)夾型邊緣耦合帶通濾波器適用于窄帶濾波，與上述平行邊緣耦合帶通濾波器原理類似，但尺寸更短，由若干個(gè)發(fā)夾型半波長(zhǎng)耦合諧振器折合成“U”字排列而成，屬于一種結(jié)構(gòu)緊湊、終端開路無需通過過孔接地的濾波器。濾波器性能主要由發(fā)夾臂長(zhǎng)、發(fā)夾間距、發(fā)夾線寬和抽頭位置等決定。梳狀線帶通濾波器適用于窄帶濾波，結(jié)構(gòu)更加緊密。濾波器的諧振器由一端短路，另一端經(jīng)過過孔接地的平行耦合線組成。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(3)SAW濾波器聲表面波(SAW)濾波器主要由壓電基板和叉指電極構(gòu)成。輸入電信號(hào)通過發(fā)射叉指電極轉(zhuǎn)換為聲表面波信號(hào)，然后在壓電基片表面?zhèn)鞑?，?jīng)過一定傳播時(shí)間后，送入接收叉指電極轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。整個(gè)濾波過程主要是通過壓電基片上的叉指電極實(shí)現(xiàn)電聲和聲電轉(zhuǎn)換完成的，其工作頻率和濾波性能主要受壓電材料和叉指電極所決定。壓電基板叉指電極叉指電極金屬線表面聲波SAW濾波器由于其低插損、高矩形度和小體積等優(yōu)勢(shì)占據(jù)Sub3G高性能小功率濾波器市場(chǎng)。在實(shí)際使用過程中，一些SAW濾波器不需要任何輸入/輸出端口匹配，而有些需要外部無源器件來提供合適的端口匹配，用于減小通帶內(nèi)的幅度和相位波動(dòng)。對(duì)于SAW濾波器的PCB布局，需要在SAW濾波器下設(shè)置一個(gè)頂層地平面，并通過多個(gè)過孔與內(nèi)部接地層緊密相連。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(4)BAW濾波器體聲波(BAW)對(duì)于使用石英晶體作為襯底的BAW諧振器，貼嵌于石英基板頂部和底部?jī)蓚?cè)的金屬對(duì)聲波實(shí)施激勵(lì)，使聲波從頂部表面反彈至底部，形成駐聲波，板坯厚度和電極質(zhì)量決定著諧振頻率。BAW的原理與SAW基本相同，唯一區(qū)別在于SAW是沿著表面?zhèn)鞑?，而BAW是在介質(zhì)內(nèi)傳播。聲信號(hào)在介質(zhì)內(nèi)部傳輸，可以達(dá)到更小的體積。在3~6GHz高頻段，SAW濾波器已不再使用，而BAW濾波器具有通帶插入損耗小、阻帶選擇性高、可承受高功率時(shí)間長(zhǎng)、靜電放電保護(hù)好、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。在當(dāng)前5G時(shí)代的Sub6G終端設(shè)備中，BAW濾波器幾乎已經(jīng)取代了4G時(shí)代的SAW濾波器。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(5)FBAW濾波器薄膜體聲波諧振器(FBAR)是利用壓電薄膜的壓電效應(yīng)產(chǎn)生。FBAR是一種基于BAW的諧振技術(shù)，利用壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)將電能量轉(zhuǎn)換成聲波形成諧振。FBAR濾波器綜合了介質(zhì)陶瓷的性能優(yōu)越和SAW體積較小的優(yōu)勢(shì)，并且克服兩者的缺點(diǎn)，是替代SAW濾波器的下一代濾波器。FBAR可以在陶瓷、硅片等襯底上實(shí)現(xiàn)，其制作工藝能夠與半導(dǎo)體工藝相兼容，成為當(dāng)前唯一可以和RFIC和MMIC集成的濾波器解決方案。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(6)LTCC濾波器低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)作為一種先進(jìn)的集成封裝技術(shù)，是一種在經(jīng)過流延工藝得到的生瓷帶膜片上通過打孔、印刷疊層等工序?qū)崿F(xiàn)多層三維電路，再經(jīng)過燒制將生瓷燒成熟瓷后制成無源集成組件的技術(shù)。LTCC技術(shù)具有穩(wěn)定性高、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，可在設(shè)計(jì)的靈活性、布線密度和可靠性等方面擁有巨大潛能，被廣泛應(yīng)用于各種小型化、輕量化、高性能和高集成度的5G毫米波頻段的濾波電路中。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(7)金屬腔體濾波器金屬腔體濾波器內(nèi)部主要包括腔體、蓋板、連接器、傳輸主桿、電容耦合片、低通、諧振器、調(diào)諧螺桿(即調(diào)諧螺釘)、電容耦合桿、介質(zhì)、緊固螺釘?shù)攘悴考哂泄β嗜萘看?、插入損耗小、品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。2G/3G/4G時(shí)代的基站設(shè)備，天線和主設(shè)備之間是通過饋線相連，沒有直接的耦合關(guān)系，金屬腔體濾波器是市場(chǎng)主流選擇，其成本低、工藝成熟，但體積較大，通常集成到天饋系統(tǒng)的RRU中。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(8)陶瓷介質(zhì)濾波器當(dāng)前Sub6GMassiveMIMO技術(shù)應(yīng)用迫使通道數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)，原有的2/4/8通道增長(zhǎng)為32/64/128通道，且要求RU天線一體化設(shè)計(jì)，這對(duì)濾波器體積、重量和功率容量都提出了更高的要求。傳統(tǒng)的金屬腔體濾波器雖然具有很高的品質(zhì)因數(shù)，但由于其體積和重量都過于龐大，且生產(chǎn)成本高，不利于在大規(guī)模多通道電路系統(tǒng)中應(yīng)用。而SAW、BAW和LTCC等小尺寸濾波器又無法滿足基站設(shè)備的功率容量和極高的選擇性需求。通過在諧振腔內(nèi)填充介質(zhì)構(gòu)成諧振器的小型化陶瓷介質(zhì)濾波器，具有介電常數(shù)高、溫度穩(wěn)定性高、插入損耗小、品質(zhì)因數(shù)高、功率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前陶瓷介質(zhì)濾波器已基本取代了4G時(shí)代基站設(shè)備中的金屬腔體濾波器，成為實(shí)現(xiàn)Sub6GMassiveMIMO通信系統(tǒng)的有效解決方案。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(9)雙工濾波器雙工濾波器(簡(jiǎn)稱雙工器)是由兩個(gè)或多個(gè)單獨(dú)封裝的濾波器組成，屬于濾波器的一種組合表現(xiàn)形式，其主要應(yīng)用于FDD收發(fā)機(jī)和多頻收發(fā)機(jī)，用來分離兩個(gè)或多個(gè)頻段。另外，雙工器也可用在混頻器的輸出端，發(fā)射通道泄露的干擾信號(hào)或部分其他干擾信號(hào)經(jīng)過雙工器下半部分端接的50Ω電阻負(fù)載到地，可以起到很好的吸收作用，防止這些干擾信號(hào)反射回去，避免重新回到混頻器產(chǎn)生其他混疊雜散信號(hào)。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型(10)調(diào)諧濾波器調(diào)諧濾波器可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)通帶的切換，屬于濾波器的另一種變換表現(xiàn)形式，主要應(yīng)用于具有跳頻功能的收發(fā)設(shè)備。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常使用變?nèi)荻O管進(jìn)行濾波器的調(diào)諧，分為電感耦合和電容耦合兩種方式。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——工作類型各類型射頻濾波器特點(diǎn)及應(yīng)用總結(jié)整體來看，射頻濾波器主要有小尺寸、低重量、低插損、高抑制等發(fā)展趨勢(shì)，并需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與調(diào)試方法，提高應(yīng)用效率。2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器應(yīng)用設(shè)計(jì)下面以平行邊緣耦合帶通濾波器為例，介紹其應(yīng)用設(shè)計(jì)過程。(1)設(shè)計(jì)步驟計(jì)算濾波器相對(duì)帶寬W確定濾波器參數(shù)確定耦合傳輸線的奇、偶模特征阻抗計(jì)算各節(jié)耦合微帶線尺寸W、S、L(2)設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.3射頻單元電路2.3.6射頻濾波器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(3)設(shè)計(jì)過程根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，選用級(jí)數(shù)N=5的3dB紋波切比雪夫低通原型。微帶濾波器的實(shí)際電路是由實(shí)際電路板和微帶線構(gòu)成的，實(shí)際電路的性能可能會(huì)與原理圖仿真的結(jié)果會(huì)有一定差別，需要將版圖仿真結(jié)果與原理圖仿真結(jié)果對(duì)比，并迭代優(yōu)化，完成最終的電路設(shè)計(jì)。2.3射頻單元電路2.3.7功率檢波器功率檢波器在射頻收發(fā)系統(tǒng)中起到功率檢測(cè)的作用，通常應(yīng)用于通信設(shè)備接收鏈路的自動(dòng)增益控制(AGC)和發(fā)射鏈路的自動(dòng)電平控制(ALC)，通過檢測(cè)功率大小來調(diào)整接收鏈路增益。2.3射頻單元電路2.3.7功率檢波器關(guān)鍵指標(biāo)(1)工作頻率檢波器可檢測(cè)的信號(hào)頻率范圍。對(duì)于寬帶檢波器，器件數(shù)據(jù)手冊(cè)一般值列出了處于較高頻率下的性能參數(shù)，由于前端交流耦合電容和輸入匹配電路的限制，很難同時(shí)兼容高、低頻段的性能。(2)動(dòng)態(tài)范圍檢波器可檢測(cè)到的最大信號(hào)與最小信號(hào)功率差，單位為dB。在某些場(chǎng)合，也把檢波器輸出電壓值與輸入射頻信號(hào)功率值的V-dBm關(guān)系曲線中線性區(qū)間對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)功率稱為其動(dòng)態(tài)范圍。2.3射頻單元電路2.3.7功率檢波器——關(guān)鍵指標(biāo)(3)響應(yīng)時(shí)間射頻輸入信號(hào)變化到檢波輸出變化的延遲時(shí)間。一般使用一個(gè)脈沖調(diào)制信號(hào)，例如載波頻率1GHz，脈沖寬度100ns輸入到檢波器的輸入端口，測(cè)量檢波器輸入的上升沿和下降沿時(shí)間。這個(gè)參數(shù)反映的是檢波器響應(yīng)功率變化的快慢。(5)頻率穩(wěn)定度檢波器輸入同一類型、相同功率、不同頻率的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同的檢波結(jié)果，這主要由相關(guān)檢波器件的頻率響應(yīng)決定。一般通過檢波器具體應(yīng)用頻段來確定射頻輸入信號(hào)功率與檢波輸出信號(hào)之間的關(guān)系表達(dá)式。(4)溫度穩(wěn)定度溫度穩(wěn)定度表達(dá)的是測(cè)量結(jié)果相對(duì)于溫度的變化，通常單位用dB表示。檢波器輸入功率單位為dBm，輸出電壓?jiǎn)挝粸閂，需要將輸出電壓相對(duì)于溫度的變化轉(zhuǎn)換成dB值，得到功率隨溫度的變化曲線。(6)峰均比誤差檢波器輸入相同頻率、相同功率、不同峰均比信號(hào)產(chǎn)生的檢波結(jié)果差異，這主要由具體的檢波方法來決定。2.3射頻單元電路2.3.7功率檢波器工作類型從應(yīng)用角度來說，射頻檢波器主要可以分為包絡(luò)檢波器、對(duì)數(shù)(LOG)檢波器和均方根(RMS)檢波器。(1)包絡(luò)檢波主要是利用二極管的非線性變換，產(chǎn)生諧波、低頻和直流分量，通過檢測(cè)該直流分量，換算得到被檢測(cè)信號(hào)的功率值。峰值包絡(luò)檢波器典型結(jié)構(gòu)峰值包絡(luò)檢波示意D是檢波二極管。Lp是扼流電感。Cp是旁路電容。前端的匹配電路是用于阻抗匹配，減小反射，使射頻信號(hào)盡可能被二極管吸收。2.3射頻單元電路2.3.7功率檢波器——工作類型(2)對(duì)數(shù)檢波

2.3射頻單元電路2.3.7功率檢波器——工作類型(3)均方根檢波根據(jù)包絡(luò)檢波和對(duì)數(shù)檢波原理，其受所檢測(cè)信號(hào)的峰均比較大，因此需要尋找一種檢測(cè)信號(hào)均值功率的方法，拋開信號(hào)峰均比的影響。信號(hào)電壓均方根值定義為信號(hào)積分可按移動(dòng)均值計(jì)算近似值，即2.3射頻單元電路2.3.7功率檢波器——工作類型3類射頻檢波器性能對(duì)比包絡(luò)檢波器具有很快的響應(yīng)速度，但動(dòng)態(tài)范圍較小，且受峰均比影響較大。對(duì)數(shù)檢波器響應(yīng)較快，動(dòng)態(tài)范圍大，但信號(hào)的不同峰均比會(huì)嚴(yán)重影響檢波結(jié)果。均方根檢波器不受型號(hào)峰均比影響，但由于均方根檢波器要求時(shí)間求均值，導(dǎo)致響應(yīng)速度慢。2.3射頻單元電路2.3.7功率檢波器應(yīng)用設(shè)計(jì)由于均方根檢波器不受信號(hào)峰均比的影響，使其廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中。但由于均方根直流轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍低，因此需要通過一定的技術(shù)手段擴(kuò)大其動(dòng)態(tài)范圍，并降低溫度變化對(duì)檢波精度的影響。下圖給出了一種具有溫度補(bǔ)償?shù)拇髣?dòng)態(tài)均方根射頻檢波電路，主要由壓控衰減器、固定增益放大器、低動(dòng)態(tài)范圍均方根直流轉(zhuǎn)換器、誤差放大器、LC低通濾波器、電壓跟隨器和溫度傳感器等組成。2.3射頻單元電路2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)時(shí)鐘鎖相環(huán)是通信系統(tǒng)中不可或缺的模塊，以晶體振蕩器或恢復(fù)時(shí)鐘頻率作為基準(zhǔn)參考源，使鎖相環(huán)產(chǎn)生連續(xù)的輸出信號(hào)，可為收發(fā)通道提供變頻的本振信號(hào)，也可為數(shù)字基帶模塊提供時(shí)鐘信號(hào)。工作原理鎖相環(huán)(PLL)基本模塊包括鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器(VCO)和反饋分頻器?；鶞?zhǔn)頻率與反饋分頻器輸出進(jìn)行鑒頻鑒相，產(chǎn)生的誤差控制信號(hào)經(jīng)過電荷泵放大和環(huán)路濾波器后送入VCO，使VCO產(chǎn)生設(shè)定的頻率和相位。借助拉普拉斯變換理論，利用正向增益和反饋?zhàn)鳛樨?fù)反饋系統(tǒng)進(jìn)行分析。負(fù)反饋牽制誤差信號(hào)在反饋分頻器輸出和基準(zhǔn)頻率處于鎖相和鎖頻狀態(tài)，鎖定之后，頻率相同，并維持一定穩(wěn)態(tài)相差。2.3射頻單元電路2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)關(guān)鍵指標(biāo)鎖相環(huán)能鎖定輸出的頻率范圍，主要由VCO的頻率范圍決定。(1)輸出頻率范圍對(duì)于一給定功率的時(shí)鐘頻率來說，相位噪聲就是時(shí)鐘信號(hào)功率相對(duì)于給定頻偏處1Hz帶寬上的功率，單位為dBc/Hz@offsetfrequency。相位噪聲是信號(hào)在頻域的度量。在移動(dòng)通信中，射頻前端更關(guān)注本振的相位噪聲性能，較差的相位噪聲會(huì)直接影響發(fā)射的調(diào)制精度，且頻率越高，影響越明顯。(2)相位噪聲時(shí)鐘抖動(dòng)可通過相位噪聲積分得到：對(duì)給定起始頻率偏移到結(jié)束頻率偏移處的相位噪聲進(jìn)行積分，得到所關(guān)注頻率偏移范圍內(nèi)的積分相位噪聲A，單位為dBc。對(duì)積分相位噪聲A取對(duì)數(shù)，求得相位抖動(dòng)均方根值(RMSPhaseJitter)，單位為弧度。將弧度值轉(zhuǎn)換為時(shí)間單位，單位一般為ps。2.3射頻單元電路2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)——關(guān)鍵指標(biāo)根據(jù)PLL的基本模型，其相位噪聲來源主要包括參考輸入，反饋分頻1/N，電荷泵和VCO四部分，其總的相位噪聲表達(dá)式為(2)相位噪聲PLL相位噪聲貢獻(xiàn)曲線PLL相位噪聲貢獻(xiàn)項(xiàng)模型2.3射頻單元電路2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)——關(guān)鍵指標(biāo)(2)相位噪聲PLL相位噪聲優(yōu)化措施2.3射頻單元電路2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)——關(guān)鍵指標(biāo)(3)參考雜散參考雜散是PLL中最常見的雜散干擾，主要由電荷泵源電流與匯電流失配、電荷泵漏電流(電荷泵三態(tài)下輸出的窄脈沖電流)，以及電源去耦濾波不理想導(dǎo)致。在接收通道設(shè)計(jì)中，PLL雜散信號(hào)與其他干擾信號(hào)的混頻產(chǎn)物可能落到有用信號(hào)頻段內(nèi)，從而影響接收機(jī)靈敏度。當(dāng)鑒相頻率較低時(shí)，由電荷泵漏電流引起的雜散占主要地位。當(dāng)鑒相頻率較高時(shí)，由電荷泵交替電流(源電流和匯電流)引起的雜散占主要地位。當(dāng)電荷泵處于三態(tài)時(shí)，電荷泵漏電流是雜散的主要來源。電荷泵漏電流經(jīng)過環(huán)路濾波器形成控制電壓調(diào)諧VCO，相當(dāng)于對(duì)VCO進(jìn)行調(diào)頻(FM)，反映在VCO的輸出，從而出現(xiàn)雜散信號(hào)。2.3射頻單元電路2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)——關(guān)鍵指標(biāo)(4)整數(shù)邊界雜散整數(shù)邊界雜散(IBS)就是在鑒相頻率整數(shù)倍頻偏處的雜散。例如：PLL鑒相頻率為100MHz，如果PLL的環(huán)路帶寬無限大，則200MHz、300MHz、400MHz…等頻偏處的雜散都是整數(shù)邊界雜散。PLL整數(shù)邊界雜散示例在設(shè)計(jì)過程中，主要有以下幾點(diǎn)措施用于降低整數(shù)邊界雜散：改變鑒相頻率，使VCO目標(biāo)頻率偏移整數(shù)邊界雜散。對(duì)于固定的參考頻率，可在輸入端加入預(yù)分頻器，通過編程實(shí)現(xiàn)不同預(yù)分頻器的設(shè)置。降低環(huán)路帶寬，使整數(shù)邊界雜散落在環(huán)路帶寬之外，但會(huì)有失鎖風(fēng)險(xiǎn)，需折中考慮。2.3射頻單元電路2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)——關(guān)鍵指標(biāo)(5)鎖定時(shí)間鎖定時(shí)間是PLL從一個(gè)指定頻率跳變到另一個(gè)指定頻率所用的時(shí)間。頻率跳變的步長(zhǎng)取決于PLL工作在限定的系統(tǒng)頻帶上所能達(dá)到的最大的頻率跳變能力。移動(dòng)通信小區(qū)切換過程中，終端需保證具有足夠快的鎖定時(shí)間，比如2GGSM系統(tǒng)要求鎖定時(shí)間小于1.5個(gè)時(shí)隙(1.5×557=835.5us)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有如下方法用于加速環(huán)路鎖定：增加環(huán)路帶寬環(huán)路帶寬與鎖定時(shí)間是一對(duì)矛盾體，增大環(huán)路帶寬意味著降低了對(duì)雜散信號(hào)的衰減，導(dǎo)致相位噪聲惡化。如果環(huán)路帶寬大于0.2倍鑒相頻率，環(huán)路可能不穩(wěn)定，并徹底失鎖。環(huán)路帶寬一般設(shè)置為0.05~0.1倍鑒相頻率。增大鑒相頻率鑒相頻率決定了反饋分頻和參考頻率的比較速度，增大鑒相頻率可以加快電荷泵對(duì)環(huán)路濾波器的充放電速度，更快達(dá)到預(yù)定的控制電壓，從而有效減小鎖定時(shí)間。但另一方面，鑒相頻率的增大往往意味著需要增加環(huán)路帶寬。2.3射頻單元電路2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)應(yīng)用設(shè)計(jì)(1)高頻微波雙通道PLL

核芯互聯(lián)公司的CLF5356——高頻微波雙通道PLL典型代表。2.3射頻單元電路2.3.8時(shí)鐘鎖相環(huán)——應(yīng)用設(shè)計(jì)(2)數(shù)字中頻多通道PLL

Aurasemi公司的Au5328——數(shù)字中頻多通道PLL典型代表。2.3射頻單元電路2.3.9直接數(shù)字頻率合成器直接數(shù)字頻率合成器(DDS)擁有頻率分辨率高和跳頻速度快的特點(diǎn)，廣泛用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)、儀器儀表、通信、國(guó)防等眾多領(lǐng)域，特別是跳頻通信電臺(tái)，DDS具有不可替代的地位。工作原理主要包括相位累加器、相位幅度轉(zhuǎn)換、DAC和低通濾波器。在參考時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，相位累加器對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性疊加，得到的相位碼對(duì)波形存儲(chǔ)器尋址，使之輸出相應(yīng)的幅度碼，DAC轉(zhuǎn)換后得到相應(yīng)的階梯波，最后經(jīng)過低通濾波器對(duì)其進(jìn)行平滑處理，得到所需頻率的平滑連續(xù)波形。最終模擬輸出信號(hào)的頻譜失真度主要取決于DAC，相噪主要來自參考時(shí)鐘。DDS屬于采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，必須考慮所有與采樣相關(guān)的問題，包括量化噪聲、混疊、濾波等。2.3射頻單元電路2.3.9直接數(shù)字頻率合成器關(guān)鍵指標(biāo)(1)輸出頻率范圍

(2)頻率分辨率

(3)跳頻時(shí)間DDS的跳頻時(shí)間是指輸出信號(hào)從頻率1變到頻率2所用的時(shí)間，主要考慮以下3個(gè)部分：頻率控制字的計(jì)算頻率控制字的配置芯片跳頻處理綜合來看，DDS的跳頻時(shí)間一般能控制在25us以內(nèi)，用于滿足1000跳/秒以上的捷變通信指標(biāo)。2.3射頻單元電路2.3.9直接數(shù)字頻率合成器——關(guān)鍵指標(biāo)(4)相位噪聲

(4)無雜散動(dòng)態(tài)范圍無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)是信號(hào)均方根RMS值與一定帶寬內(nèi)最大雜散頻譜分量均方根RMS值的比率。注意dBc和dBFS兩種單位定義。在實(shí)際應(yīng)用中，DDS的輸出雜散主要來自以下幾點(diǎn)：參考時(shí)鐘引入的噪聲DAC輸出導(dǎo)致的雜散開關(guān)電源雜散相位幅度轉(zhuǎn)換雜散2.3射頻單元電路2.3.10功率分配器功率分配器(簡(jiǎn)稱功分器)是一種將輸入功率分成相等或不相等的幾路輸出功率的多端口網(wǎng)絡(luò)。相反，也可向功分器的分路端口輸入信號(hào)進(jìn)行功率合成，構(gòu)成合路器。在射頻通信電路中，功分器常應(yīng)用于FDD系統(tǒng)共本振功率分配、多通道幅相一致性校正功分合路、相控陣系統(tǒng)多天線功分合路等典型場(chǎng)景。2.3射頻單元電路2.3.10功率分配器關(guān)鍵指標(biāo)(1)工作頻段工作頻段是指在保證功分器相關(guān)性能指標(biāo)下，可以正常工作的頻率范圍。(2)插入損耗插入損耗是指功分器輸入和輸出端口之間的功率比值，包括分配損耗和傳輸損耗兩部分。分配損耗與功分器的功率配比有關(guān)，比如二等分功分器的分配損耗為3dB，四等分功分器的分配損耗為6dB。傳輸損耗主要由傳輸線介質(zhì)損耗和失配損耗等因素導(dǎo)致。(3)隔離度功分器隔離度特指各支路端口之間的隔離度，屬于功分器的一個(gè)重要指標(biāo)，隔離度越大，端口間相互牽引越小。在測(cè)量?jī)芍范丝谥g隔離度時(shí)，需保證其他端口均已端接匹配負(fù)載。(4)駐波比駐波比為其他端口均端接匹配負(fù)載時(shí)，被測(cè)端口的駐波比(VSWR)，通過駐波電壓幅度最大值與駐波電壓的最小值進(jìn)行表征。(5)幅相一致性幅相一致性主要用于表征等分功分器各支路端口之間的幅度和相位平衡度。用于多通道校正和相控陣多天線的功分器，其幅相一致性指標(biāo)尤其重要。2.3射頻單元電路2.3.10功率分配器應(yīng)用設(shè)計(jì)(1)集總LC功分器

以工作頻率3.5GHz，端口阻抗50Ω為例，進(jìn)行集總LC功分器設(shè)計(jì)，計(jì)算得到L=3.2nH，C=0.6pF，C1=1.2pF，R=100Ω，使用理想元件進(jìn)行ADS仿真。

可以看出，隨著頻率展寬，端口隔離度和回波損耗將逐步惡化，使用實(shí)際的LC元件更為明顯。因此，集總LC功分器一般用于窄帶場(chǎng)景。2.3射頻單元電路2.3.10功率分配器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(2)微帶線功分器

計(jì)算得到隔離電阻的取值為

2.3射頻單元電路2.3.10功率分配器——應(yīng)用設(shè)計(jì)(2)微帶線功分器同樣以工作頻率3.5GHz，端口阻抗50Ω為例，進(jìn)行Wilkinson微帶線功分器設(shè)計(jì)。選用Rogers4350B板材，介電常數(shù)為3.48(設(shè)計(jì)使用3.66)，基板厚度為10mil，損耗角正切為0.0037，銅導(dǎo)體厚度為1.4mil。使用ADS的LineCalc仿真并優(yōu)化得到的50Ω微帶線寬w1=20.8mil，70.7Ω分支線線寬w2=10.8mil，為縮小微帶線功分器的布局面積，70.7Ω分支線由折線型實(shí)現(xiàn)。對(duì)比前面集總LC功分器的仿真結(jié)果，微帶線功分器的工作頻段更寬，實(shí)際應(yīng)用的插入損耗更優(yōu)。2.3射頻單元電路2.3.11耦合器耦合器是一種特殊的功分器，它將射頻信號(hào)耦合分配出一部分信號(hào)功率，同時(shí)改變信號(hào)相位的無源器件。常見的耦合器一般都是定向耦合器，定向耦合器是具有方向性的功率耦合，屬于四端口器件，由輸入端口①、輸出端口②、耦合端口③和隔離端口④組成。輸入端口的電磁波能量經(jīng)過耦合結(jié)構(gòu)(一般包括耦合縫、耦合孔、耦合傳輸線、耦合網(wǎng)絡(luò)等)進(jìn)入耦合端口，并在隔離端口無輸出。對(duì)于射頻通信電路，耦合器主要用在2個(gè)地方：發(fā)射功率耦合功率放大器輸出電路耦合一部分輸出信號(hào)用于DPD校正、閉環(huán)功控等處理。校正信號(hào)耦合MIMO系統(tǒng)多通道一致性校正，耦合一部分校正信號(hào)，用于多個(gè)發(fā)射或接收通道的幅相一致性校正。2.3射頻單元電路2.3.11耦合器關(guān)鍵指標(biāo)(1)耦合度

(3)方向性

根據(jù)上述對(duì)耦合度、隔離度和方向性定義的介紹，它們之間的關(guān)系為(2)隔離度

2.3射頻單元電路2.3.11耦合器——關(guān)鍵指標(biāo)(4)插入損耗

(5)工作帶寬工作帶寬為耦合器滿足各性能指標(biāo)前提下的工