无线测试工程师知识点分享：射频微波设计指南(一)

概述

射频微波是指频率范围为300khz到超过100ghz的电磁波。射频（rf）与微波的频率界限比较模糊，并且随着器件技术和设计方法的进步还有所变化，比较通行的一种说法是射频频率范围的低端为300khz，高端为300mhz~1ghz；微波的频率范围的低端为300mhz~1ghz，高端至少为100ghz。
射频微波技术是无线通信系统的核心技术之一。任何一种无线通信系统不论基站也好，移动终端也好都包含一个射频子系统，其组成如图1所示：

图1 rf射频子系统组成框图
 

由图可见，一个射频子系统通常包含天线、收发天线共用、低噪声放大器（lna）、收信机（rx）、发信机（tx）、功率放大器（pa）和频率合成器（pll）共七个部分。对于fdd系统利用双工器来完成收发天线共用，对于tdd系统则是利用rf收发开关来完成收发天线共用。
收发天线共用器选型

概述
在现代无线通信系统中,由于技术、成本、场地条件等多个因素的限制，为减少天线的数量，减小架设难度，基站一般都是采用收发天线共用，这就需要由收发天线共用器来实现。
基本原理：
1．1 天线共用器分类：
按照收发信机的频率规划，以及双工方式的区别，天线共用器可以分为以下几种类型：
- 同频双工收发天线共用器选型
概述
在现代无线通信系统中,由于技术、成本、场地条件等多个因素的限制，为减少天线的数量，减小架设难度，基站一般都是采用收发天线共用，这就需要由收发天线共用器来实现。
基本原理：
1．1 天线共用器分类：
按照收发信机的频率规划，以及双工方式的区别，天线共用器可以分为以下几种类型：
- 同频双工

在这种情形下，tx和rx同时工作于同一工作频带内，只能通过类似环行器这样的铁氧体器件的单向传输特性来实现tx/rx的隔离，实现天线共用。这一类天线共用器称为环行器型天线共用器。
- 双频双工

在这种情形下，tx和rx分别工作于具有一定频率分隔的频带内，采用两个滤波器分别调谐在相应的频带内，采用y结形式共用天线。这一类称为滤波器型天线共用器，在实际使用中，通常也称为双工器。
-同频半双工

在这种情形中，tx和rx工作于同一频带，两者之间的隔离通过开关切换来实现，通常都是spdt的开关。这一类称为开关型天线共用器，通常简称为收发天线开关。
以下是几类天线共用器的比较

通讯系统中，gsm，cdma，以及wcdma都是采用收发频分复用，相应地适用滤波器型天线复用器，即双工器；而phs，tds-cdma以及wlan都是采用了收发时分复用，相应地适用开关型天线复用器，即收发天线开关。
1．2 双工器基本原理
基站/移动台双工工作的时候，通过天线共用器，使同一副天线得以同时提供给收发信机使用，并且又互不影响。主要指的是发信对收信的影响，因为发信电平比收信电平高许多。影响主要体现在两个方面：第一是发信电平不能通过双工器泄入收信机。强大的发信功率可能使收信前端电路重者烧毁，轻者阻塞。因此，必须通过一系列抑制电路，将进入收信前端的电平抑制到阻塞电平以下。这可以通过设置高性能的收信带通滤波器来实现；第二方面，防止发信机输出的边带外噪声进入收信机，形成对收信机的干扰。这可通过设置发信带通滤波器加以解决。

上图为双工器的原理示意图。由于收发信滤波器在距公共天线1/4波长处，故能保证两个滤波器互不影响，还能使发信信号只能输入天线，而不能输向收信机；收信信号只能由天线进入收信机，而无法进入发信机。由于收信滤波器工作在收信频率上，收信频率可由天线无衰减地进入收信机，但它对发信频率起到短路作用。经过λt/4传输线后，从天线向此传输线看入的阻抗为无穷大，所以由发信机来的信号不能进入终端短路的λt/4传输线，只能传向天线。同理，由天线送入的收信信号无法进入终端短路的λr/4传输线，只能传向收信机。
1.2.1 双工器种类
根据构成双工器所使用的滤波器，可把双工器分为以下几类：
-带通双工器

如上图的结构，可以通过对谐振腔的个数以及谐振腔的尺寸进行调整来增减rx/tx之间的隔离。这样的双工器在使得发射信号通过带通滤波器的同时，发射机的噪声和杂散也被带通滤波器大大衰减，这样有助于对共址的其他接收机的干扰。带通型双工器zui适合于中等以及较宽的收发频率间隔。如果两个频率相隔很近，需要外加陷波滤波器或者天线分离。
-带阻双工器

发射机信号直接通过滤波器发射到天线，但是发射机的载波和噪声仅在接收支路的滤波器上得到衰减。这样对于共址接收机来讲，干扰的衰减是很有限的。带阻型双工器zui适合于收发间隔非常接近的系统。
- 带通/带阻双工器

这种双工器结合了上述两种双工器的特点。
1.2.2 基站/移动台双工器的比较
基站以及配套用的直放站等设备，通常采用腔体滤波器构成的双工器。同轴腔体滤波器采用耦合同轴腔结构，准椭圆函数方式实现，q值高，具有较为理想的通带特性和阻带特性，过渡带陡峭，寄生通带远，它能提供小的插损和高的滤波性能，功率容量大。机加工则采用数控铣床精密加工，表面处理采用铝板镀银工艺。同时由于是同轴腔形式，性能指标和电磁兼容性是统一的。腔体密封好，电磁辐射也小，这是通过机加工精度和合适的螺钉数量来保证的。由于腔体基本上为一个整体，温度特性亦较好。同时由于是微波无源部件，可靠性很高，mtbf应该大于200，000小时。
移动台普遍采用了纯粹收发信窄带滤波器构成的双工器，其采用了多级谐振器作为选频器件，q值较高，选频特性较好。很多情况下都不采用原理图示的λt/4，λr/4传输线，也能获得高达60db的隔离度，同时减少了传输损耗，对提高灵敏度有好处。高性能滤波器往往由介质谐振器，lc滤波器，saw滤波器等构成。也构成了对应的介质双工器，lc双工器，saw双工器，以及由agilent公司专利持有的薄膜体声谐振器fbar（利用压电材料薄膜中激励的体声波(而不是表面声波)做成的谐振器。它具有频率高、体积小、效率高等优点，并且与半导体工艺兼容，容易与其它元器件集成）制作的双工器等。