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短距离无线通信系统射频前端关键技术研究
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更新于2024-07-02
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"本文主要关注短距离无线通信系统的射频前端设计,主要涵盖了三个研究方向:基于ISM频段无线局域网(WLAN)的射频收发器前端的关键模块、短距离无线通信的WLAN射频滤波器以及用于室内短距离数据传输的带阻特性的超宽带(UWB)天线。 首先,针对无线局域网在ISM频段的射频前端的关键组件,包括频率合成器、低噪声放大器和功率放大器,报告了三项工作。在WLAN射频前端的主要规格基础上,提出了收发器设计计划,分析了接收链路和发射链路的技术指标,并给出了初步的链路预算和目标分配结果。这一部分详细探讨了频率合成器如何实现精确的频率控制,低噪声放大器如何保证信号的高信噪比,以及功率放大器如何提供足够的输出功率以覆盖所需范围。 其次,详细描述并分析了各种关键模块的性能参数。利用如ADS(Advanced Design System)和ADISimPLL等相关的软件工具,对每个组件进行了仿真设计。这包括了频率合成器的锁相环设计,低噪声放大器的噪声系数优化,以及功率放大器的效率和线性度改进。这些仿真步骤是确保射频前端性能的关键环节。 最后,完成了布局设计,每个模块都经过实际制造和测量。实验结果验证了理论设计的有效性,同时通过测试结果对各个模块的性能进行了实际评估,包括频率响应、增益、噪声系数、效率和带宽等关键指标。 这篇论文的研究不仅涵盖了短距离无线通信系统射频前端的关键器件设计,还深入探讨了它们在实际应用中的性能表现,对于理解和优化此类系统具有重要的参考价值。这些研究成果对于提升无线通信设备的性能,特别是在短距离、高数据传输速率和低功耗的需求下,具有重要的理论与实践意义。"
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第一章 绪论
电流,减小接地板对天线阻抗特性的影响。天线的尺寸大小为 25 mm
×
25 mm
×
1.5
mm,绝对带宽为 9 GHz(S
11
<-10dB)。
图 1-7 文献[45]中设计的天线 图 1-8 文献[46]中设计的天线
文献[51-54]是几种共面波导馈电的单极天线。图 1-9 中单极子天线的辐射贴片
为矩形结构,通过在辐射贴片的左右两边引入两个寄生贴片来调节天线的宽带特
性
[51]
。在矩形贴片上开三个同样大小的缝隙可以用来提高了天线的阻抗匹配能力,
此天线的相对带宽为 112%。图 1-10 中是辐射贴片为圆形结构的单极天线,接地板
采用的三角形结构有利于天线在很宽的工作频带上达到阻抗匹配的效果
[52]
,其相
对带宽可以达到 160%。
图 1-9 文献[51]中设计的天线 图 1-10 文献[52]中设计的天线
缝隙天线
缝隙天线也叫开槽天线(Slot Antenna),包括普通的窄槽天线和宽槽天线。传统
的平面槽天线是在介质板的一个金属面上开一个窄槽,在介质板的另一面通过开
路或短路的微带馈源对槽进行耦合激励,但这种平面槽天线的驻波比带宽比较窄,
11
万方数据
电子科技大学硕士学位论文
一般只有 5%-7%。针对普通窄槽天线的缺点,2000 年,文献[55]中仔细研究了槽
的大小对天线阻抗带宽的影响,得到槽越大越有利于增加带宽的结论。从此,宽
槽天线受到了广泛关注。文献[56-65]通过改变馈电形式、槽的结构、辐射贴片的
形状等方式对宽槽天线进行了改进,进一步提高了阻抗带宽和辐射特性。
图 1-11 文献[59]中设计的天线 图 1-12 文献[61]中设计的天线
文献[59]中采用共面波导馈电,如图 1-11 所示,天线通过在槽的四个角上分
别加了四个小支节,是为了得到更好的阻抗带宽。文中仔细研究了高频特性下天
线的方向图畸变得原因,测试得到 S
11
≤
-10dB 的相对带宽为 60%,这一结果对共
面波导馈电的宽槽天线来说是相当好的。文献[61]中的宽槽天线如图 1-12 所示,
天线采用了杈子结构的馈电形式(a fork-like tuning stub),并在槽的结构上做了改
进,得到了很好的阻抗带宽,工作频率为 2.3GHz~12GHz(S11
≤
-10dB),相对带宽
达到了 135.7%。
虽然宽槽天线相对于普通窄槽天线具有较大的优越性,但由于宽槽天线开在
地面上的槽在高频下的电尺寸过大,天线上水平方向的电流和电场分量较大,天
线的交叉极化电平高。并且由于其内电场的相位分布不均匀,槽内高次模的幅度
增加,导致方向图畸变比较严重。
1.3 论文的主要工作和内容安排
论文围绕短距离无线通信系统射频前端,包括有源部分(频率源,低噪声放
大器和功率放大器)和无源部分(射频滤波器和天线)展开研究,全文共分为 6
12
万方数据
第一章 绪论
13
章:
第一章为绪论部分,介绍课题的研究背景和意义,并介绍了几种典型的短距
离无线通信技术的研究现状和发展趋势,提出本文所要研究的主要内容。
第二章详细地介绍了无线局域网射频收发机的典型结构类型并对通信系统指
标进行了解析。
第三章是研究基于 IEEE 802.11b 标准(ISM 频段)的无线局域网收发前端的
设计。该章首先提出了收发机射频前端的设计方案并给出了预算结果,接下来对
射频前端的关键模块,包括频率源、低噪声放大器和功率放大器的性能参数和设
计方法进行了介绍,并给出了仿真和测试结果。
第四章为 WLAN 短距离无线通信的射频滤波器设计,该章论述了 SIR 阶梯阻
抗滤波器的设计理论、发夹型微带带通滤波器的通用设计方法,给出了 ISM 频段
中心频率为 2.45 GHz 的发夹型带通滤波器的电路及仿真结果。并提出了一种新颖
的设计方法,设计了一款具有单通带(5.25 GHz)和双通带(2.45 GHz/5.25 GHz)
特性的滤波器。
第五章讲述了具有带阻性能的室内短距离数据传输的超宽带天线设计,是本
文的工作重点之一。为了避免 UWB 系统的频段与其它通信频段(如 WLAN、
WiMax)之间存在互相串扰的问题,近年来具有带阻性质的 UWB 天线也获得了广
泛的研究。本章中作者介绍几种超宽带天线的结构类型,并结合目前一些典型文
献中出现的在平面超宽带天线上实现带阻特性的方法,对超宽带带阻天线的发展
状况进行了介绍。并详细介绍了作者设计的两个具有创新性结构的超宽带带阻天
线。
第六章总结了本论文的主要工作和创新点以及对未来工作的展望。
万方数据
电子科技大学硕士学位论文
第二章 无线通信射频前端的系统简介
无线收发机是提供信息源与通信信道(空气)之间进行信息交换的接口。图
2-1 给出了一个典型的无线通信系统,包括发射系统、信道和接收系统。信息源发
送的数据经发射机调制和上变频后,转换为适合在通信信道中传送的格式,经天
线辐射后,在通信信道中传播;接收机将通过信道传播的信号进行接收后,经下
变频和解调后,将数据恢复为原来的格式发送给用户或上一层应用。
应用接口
发射机
接收机
接收机
发射机
应用接口
图 2-1 一个典型的无线通信系统
2.1 超外差式接收机
超外差式接收机是应用最广泛的一种系统结构,它的基本原理是将从天线接
收到的高频信号
R
F
ω
和本振信号
L
O
ω
混频后转换为一固定的中频信号
I
F
ω
,然后进行
进一步下变频或者直接进行解调,其系统结构如图 2-2 所示。
天线
图 2-2 超外差式接收机的系统结构
超外差式接收机的实现遇到的一个难题是如何消除镜像频率(Image
Frequency)的干扰问题,而所谓的镜像频率信号是指与有用射频信号关于本振频
率对称的信号,它与有用信号的频率差等于两倍中频频率。该问题是由下变频引
起的,如果镜像信号没有被变频器的前端电路滤除而进入了变频器,在下变频时
除了有用信号被转换到中频外,镜像信号也被转换到中频,从而对有用信号造成
BPF1 LNA BPF2
中频放大
BPF2
解调
VCO
R
F
ω
L
O
ω
I
F
ω
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万方数据
第二章 无线通信射频前端的系统简介
干扰。实现超外差式接收机的另外一个主要问题是相邻信道干扰问题,由于信道
之间的频率间隔很小,为了高度抑制相邻信道的干扰,需要在下变频器后插入一
个高品质因数(50)和大的阶数(8 或者 10 阶)中频信道选择滤波器,这样的高
性能滤波器是很难集成的,一般还是只有采用外接的滤波器来实现。
超外差式接收机的主要缺点是需要多个外接的高性能滤波器,这些滤波器可
以是 SAW 或陶瓷的,但一般比较昂贵,而且体积较大,集成度低,成本也相对较
高,此外由于了采用外接元件,会使整个系统的稳定性能大大降低,更严重的是,
驱动这些外部低阻抗的元件需要消耗很大的功耗。尽管超外差式接收机存在上述
诸多问题,但是超外差式接收机可以提供优良的性能:1. 超外差式接收机可以有
很大的动态接收范围;2. 超外差式接收机具有很高的邻道选择性(selectivity)和
接收灵敏度(sensitivity),一般超外差式接收机在混频器前面会有一个预选射频滤
波器,在混频器后面还会有一个中频滤波器,这使得它具有良好的选择性,可以
抑制很强的干扰;3. 超外差式接收机受 I/Q 信号不平衡影响小,不需要复杂的直
流消除电路。超外差式结构仍然是目前应用最广泛的一种接收机结构,在对接收
机性能要求很高的应用中,超外差式结构几乎是目前唯一的选择。
2.2 超外差式发射机
超外差式结构的发射机也是目前最常用的一种发射机结构,它的系统结构如
图 2-3 所示。由于在这种发射机结构中,第一级上变频通常在数字域中采用正交上
变频结构,通过在数字域中实现上变频可以使 I、Q 支路匹配精确,避免因不匹配
对电路性能造成影响。混频后的中频信号经 D/A 变换后进入到模拟域,由中频滤
波器滤除混叠信号后与本地振荡信号通过上变频器混频处理,混频后的信号由镜
像抑制滤波器滤除镜像信号和谐波成分,最后由功率放大器进行放大并经天线辐
射出去。
超外差式发射机的集成度也不可避免地受到镜像抑制滤波器的影响,为了不
干扰其他信道,发射机对镜像信号应具有足够的抑制率,这就要求滤波器具有很
高的性能,这样的高性能滤波器是很难集成的,一般还是只有采用外接的滤波器
来实现,此外,为了减轻对镜像抑制滤波器的压力,超外差式发射机的中频频率
一般比较高,这样增加了数字域处理和 D/A 转换器的实现难度。
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programhh
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