4G手机无线接入系统设计及实现

摘要：用射频微波电路集成技术设计第4代(4G)手机无线接入系统.从分布参数概念出发，主要在smith圆图上进行电路设计。由微带线进行电路的实现，电路将各功能单元集成在微带基板上，具有体积小、重量轻、可靠性高、与手机其他电路易于共形等特点。运用网络转移参量矩阵理论进行了系统响应预估，结果表明所设计的无线接入系统满足4G移动终端的性能要求。

关键词：射频微波集成电路；4G无线接入系统；Smith圆图；转移参量矩阵

引言

随着通信、遥感、导航技术的迅速发展，卫星导航与通信、机舰载雷达、无线通信终端等电子系统对功耗、带宽、产品体积及重量的要求日益提高，满足这些要求的射频微波集成电路得到了广泛应用。射频微波集成电路综合射频微波电磁及网络理论进行电路设计，将接收天线、低嗓声放大器、滤波器及混频器集成在微带基板上，不仅重量轻，所占空间小，而且与系统的后续DSP处理部分在基板上进行一体化集成。由于具有这些优点，射频微波集成电路这一技术在GPS导航、4G移动宽带系统、卫星IP通信等领域起着关键作用。

经过约半个世纪的发展，射频微波集成电路研究已达到了相当水平.在国外，工作在40～60GHz频段的射频微波集成电路已很普遍，频率超过100GHz的射频微波集成电路也有报道.国内在这一领域紧跟国外发展方向做了不少工作，但在射频微波集成电路设计制作及系统仿真方面，由于设备等条件的限制尚有差距。

到目前为止，国内外对第4代移动通信系统(4G)并没有一个精确的定义，其标准也尚未确立.第4代移动通信系统技术目前还只是一个基本概念，其实质就是无线互联网技术。发达国家都已投入了大量的人力、物力、财力等资源进行4G新技术和标准的研制。从国内情况看，在2G、3G的基础研究与国际先进水平相比差距较大，大部分技术都处于跟踪状态，这大大制约了我国自主技术的发展。目前国内已经有不少科研单位参与了4G新技术的研发，武汉汉网高技术有限公司、华中科技大学、东南大学及上海交通大学等都取得了重大进展。但作为4G移动通信用户终端设备的手机的研发在国内外均尚见报道。

鉴于4G手机的广阔市场前景，本文设计了4G无线接入系统。从分布参数概念出发，结合射频微波网络理论，在Smith圆图上进行电路设计，物理实现采用微带线。通过网络转移参量矩阵理论进行的系统响应预估结果表明，所设计的无线接入系统在5GHz具有约31dB增益，带宽优于100MHz，满足4G移动终端的性能要求。

接入系统设计

手机接入系统设计包括3个方面:接收天线的设计、放大器的设计及匹配电路的设计.下面分别介绍接入系统各部分的设计。所用微带基板的参数为介质材料的介电常数ε_r=3.48±0.05，介质材料厚度h=0.5mm，导体带厚度t=0.035mm。

天线设计
采用方形微带天线来接收空中信号，根据腔模理论，天线谐振中心频率与天线尺寸的关系为：
当采取基模接收时，n=0，m=1。考虑到导带厚度t的影响，求出当f₀=5.0GHz时，a=16.1155mm，b的取值小于a即可，取b=3.6mm。天线的输出阻抗，带宽及增益是与后续电路的设计紧密相关的3个参量，下面给出求解结果根据经验公式，天线的输出阻抗Z_out为

计算天线的带宽可以先求整个天线的品质因子Q。品质因子Q由天线的辐射损耗，导体损耗，介质损耗及表面波损耗决定。各种损耗求解较繁琐，这里只求天线的辐射损耗对应的品质因子Q_r。因为Q_r>Q，故由Q_r估出的天线带宽比实际的会小。求Q_r的近似公式为

此时驻波比不大于2的带宽BW=(0.707/Q_r)f₀=101MHz.由于实际的带宽肯定大于此值，因此天线的带宽优于100MHz。天线的增益可由下式近似得到


低噪放大器设计
放大器是各电子系统不可缺少的部件。对于无线接入系统，由于位于信号流的前端，必须优先考虑放大器的噪声系数。一般情况下，为保证低噪声性能而牺牲增益，因而称为低噪放大器。

一个射频微波放大器的设计首先应保证其工作在稳定放大状态，在此基础上综合考虑其增益及噪声的情况。下面根据射频微波管的S散射参量在smith圆图上进行放大器设计。在f0=5.0GHz时所用射频微波管的各参数具体如下：
V_DS=4V，I_DS=30mA，F_min=0.62dB，R_n=3.5，G_a=13.5dB，最佳反射系数Г_opt及S参量都是复数(模值Mag、幅角Ang)列于表1。
根据给定的S参数，可以在Smith圆图上画出输入稳定圆、等资用功率圆、等噪声系数圆，如图1所示。图中蓝色虚线表示输入稳定圆用，由于|S₂₂|<1，稳定区为单位圆内不包括输入稳定圆与单位圆相交的部分;红色圆代表G_a=13.5dB的等资用功率圆；绿色圆代表等噪声系数圆。

图1输入稳定圆，等资用功率圆及等噪声系数圆

要保证噪声系数F_K最小，源反射系数Г_s=Г_opt=-0.2072+0.3421i，所对应的最小噪声系数F_min=0.62dB.从图1中可以看出，过Г_s点的等增益圆对应的增益为13.5dB。确定了Г_s，则在负载匹配的条件下，可以求出负载反射系数为：
ГL=Г3out=-0.2504+0.1968i

根据已知S参数，利用输出稳定圆方程得到输出稳定判定圆如图2所示。由于|S₁₁|<1，故在|Г_L|=1圆内(包含圆点)部分是稳定的。

图2输出稳定判定圆

从图2中可以看出，前面确定的负载反射系数ГL位于稳定区域内.即上面确定的一组Г_s=-0.2072+0.3421i，Г_L=-0.2504+0.1968i能保证放大器工作在稳定状态。放大器的增益与噪声由Г_s所在的等资用功率圆与等噪声系数圆确定，分别为13.5，0.62dB。

匹配网络设计
匹配网络的设计在射频微波集成电路中占有非常重要的位置，电磁波能量能否最大限度的从一级传往下一级，匹配设计起决定性作用，同时一个放大器的性能指标能否达到设计要求也由其输入端及输出端的匹配设计来确定。一个典型的射频微波接入系统的匹配网络设计包括放大器输入输出端口及级间匹配。在共轭匹配条件下，单个放大器的源阻抗和负载阻抗必须满足：

ZL=(1+G_L)/(1-G_L)=0.5608+0.2457i换算成导纳为：
Y_S=1.1266-0.9178i，Y_L=1.4960-0.6554i.

输入端匹配网络设计
天线的输出阻抗Z_out=200.4189Ω，归一化后为Z_out=4.0084，导纳为Y_out=0.2495.而放大器的归一化输入导纳为Y_S=1.1266-0.9178i。在图3的导纳圆图中，点C为天线的输出导纳Y_out=0.2495所对应的点；点A表示Y_S=1.1266-0.9178i在圆图中所对应的点。
图3匹配设计示意图

天线与放大器之间的匹配实现：从天线朝着放大器的方向，先串联一个归一化阻抗为1.8843的λ/4变换器，变换到电导圆与水平轴的交点，归一化导纳为1.1266，再并联一个归一化导纳为-0.9178i的电感元件，变换到Y_S=1.1266-0.9178i。

输出端匹配网络设计
放大器的归一化输出导纳在图3导纳圆图中为点B。要将放大电路的输出阻抗匹配到50Ω的混频检波电路.可以从第二级的输出开始，先并联一个导纳为-0.6554i的电感元件变换到电导圆与水平轴的交点，其归一化导纳等于1.4960，再串联一个归一化阻抗为0.8176的λ/4变换器，变换到Z₀=1。

级间匹配网络设计
除了要对放大电路的输入端、输出端进行匹配以外，在两级放大器之间也需进行阻抗匹配.已知Y_S=1.1266-0.9178i，Y_L=1.4960-0.6554i，则有Y_L^*=1.4960+0.6554i，Y_s^*=1.1266+0.9178I.级间匹配即将第一级的Y_out共轭匹配到第二级的Y_in。

具体实现为：从第一级输出向第二级输入方向，先并联一个导纳为-0.6554i的电感元件变换到YL电导圆与水平轴的交点，其归一化导纳为1.4960，再串联一个归一化阻抗为0.7703的λ/4变换器，变换到YS电导圆与水平轴的交点，其归一化导纳为1.1266，然后并联一个导纳为-0.9178i的电感元件变换到YS=1.1266-0.9178i。

微带电路实现

根据上面的设计参数，可以有不同的电路实现形式。作为4G手机的接入系统，对这一形式有严格要求。由于在微带基板上实现时，有功耗低，重量轻，易共形及成本低诸多优点，采用微带形式。

微带线的特性阻抗及等效介电常数
在微带电路的设计中，微带线的特性阻抗及等效介电常数是微带电路中两个基本而重要参数。图4为微带线示意图。对于介质厚度为h、介电常数为ε_r，导带宽度为W、厚度为t的微带线，当te及特性阻抗Z₀可以求出。

图4微带线示意图

微带线的色散特性
由于在4G移动通信的频点规划中除了5GHz外，还有17，40GHz等其他频点.在高频段，微带线中的TE和TM高次模使特性阻抗和相速随着频率变化而变化，也即具有色散特性.根据修正公式可以用来考虑介质微带线基本参数。

接入系统的微带线实现
上述的设计结果用微带电路实现的结构如图5所示.图中T为微带传输线，L为并联微带开路线.微波信号从微带天线进入，经两级放大后送入混频器.T1、L1为天线与一级放大间的匹配网络，L2、T2、L3为级间匹配网络，L4、T3为二级放大与混频器间的匹配网络。
图5接入系统微带实现示意图

由所给微带基板参数ε_r、h、t，得到图5中各段微带线的尺寸如表2所示：


系统频响特性

接入系统的设计是在中心频点5GHz进行的，系统在中心频点5GHz附近的频率响应可通过系统中各部件的转移参量矩阵来预估。对于放大管，需要将S参量转换成转移参量矩阵，由频率为5GHz时的S参量，可得放大管的转移参量矩阵为

将各部件的转移参量矩阵级联，即可以得到整个系统的转移参量矩阵.尽管实际上放大器的转移参量矩阵参数会随频率变化而影响频响，但本设计中影响不大。

由此求得系统的频率响应特性如图6所示。

图6接入系统的频率响应

由图6可看出，中心点增益G=24dB，3dB电路系统带宽超过300MHz，考虑到微带天线的带宽，所设计的4G手机信号接入系统的带宽优于100MHz.可以看到微带天线的带宽限制了整个系统的带宽，采取措施提高微带天线的带宽是改善系统带宽性能的关键。

结论

本文设计了可用于4G手机的接入系统。该系统从接收天线至混频器前端总长度不到4cm.若采用介电常数更大的微带基板，此尺寸可以更小.两级放大的总噪声系数为0.065dB。天线及放大器的总增益为31.8dB(=24+7.8)。系统带宽优于100MHz，若天线带宽得到改善，可以提高系统的带宽性能.上述参数满足4G通信对移动终端接入系统的要求。

射频微波集成电路；4G无线接入系统；Smith 圆图；转移参量矩阵