一种小型化射频收发前端的设计解析

随着现代无线通讯技术的发展，射频微波器件和功能模块的小型化需求日益迫切。本文介绍的L波段收发射频前端采用LTCC工艺，利用无源电路的三维叠层结构，大大缩小了电路尺寸。在电路设计上，使用单节λ/4短截线收发开关电路，既保证了高收发隔离和低损耗接收的电路性能，又比传统的并联式开关电路节省了一节λ/4短截线占据的空间，缩小了电路尺寸。

1.工作原理

本文介绍的收发前端包括一个900MHz与1800MHz双工器、两路PIN管收发开关和两个声表面滤波器，电路原理如图1.

图1射频收发前端原理图

2.电路设计

2.1开关电路设计

射频微波电路中经常使用PIN二极管作开关器件。其结构像三明治一样，在高掺杂的P+和N+层之间夹有一本征的I层或低掺杂半导体中间附加层。设I层厚度为W，在正向偏压下，对于轻掺杂N型本征层，流过PIN二极管的电流为：

由上面的公式导出的结电阻和扩散电容可以在实际应用中很近似地模拟PIN二极管的性能。PIN管在正偏压下等效为结电阻Rs（本文中正偏压为2.5V，Rs约1欧姆）；反偏压卜等效为扩散电容CT（本文中为零偏，CT约0.5PF，在2GHz以下阻抗为千欧级）。

λ/4短截线常用于窄带内两个网络之间的阻抗匹配。设Z1、Z2为两个不等的阻抗，Z0为传输线的特征阻抗，调整Z0使之满足：

Z20=Z1×Z2 （4）

则两个阻抗之间实现了匹配。图1中，Z0已知（50欧），Z1为PIN管正偏时的自谐振阻抗Rs或反偏时的开路隔离阻抗。当PIN管正偏置时，Z1很小接近于短路，经过λ/4短截线后在公共端口等效为开路，接收端被隔离，发射支路工作。当二极管反偏置时Z1接近开路状态（CT），发射端被隔离，保证低损耗接收。

2.2双工器设计

由图1可见，天线接收发射的信号都要经过一个双工器，该双工器的主要功能是隔离GSM900频段与DCS1800频段信号。本文介绍的是一个GSM手机前端，GSM频段上下行频率范围为890-915MHz（TX）和935-960MHz（RX），DCS频段上下行频率范围为1710-1785 MHz（Tx）和1805-l880MHz（Rx）。图2为双工器的电路结构。

图2双工器电路图

如图2，在天线和GSM端口之间是一个低通滤波器，其截止频率在1000MHz左右，C1和L1组成并联谐振产生传输零点，我们设计其谐振点在1800MHz左右，用来抑制DCS频段信号，同时又可增加对GSM频段二次谐波的抑制。

同时，在DCS端口天线之间是一个高通滤波器，C5和L2、L3和C6同时产生串联谐振，谐振频率在900MHz左右，用来抑制GSM频段信号。

按照同样方法可完成发射端口低通滤波器设计。最后利用anSOF公司的电路仿真软件designer对收发前端模块进行整体电路仿真，优化参数，得到准确的电路模型。

3.三维结构实现

电路仿真优化设计完成之后，对合适的无源元件在电磁仿真软件Q3D中建模，优化其C、L值，然后导入HFSS中整体仿真优化S参数。对于一些取值较大的元件如扼流线圈和限流电阻，由于模块基板尺寸和材料介电常数的限制，采用LTCC难以实现，将其和非线性元件PIN二极管、声表面波滤波器（SAW）一起表贴在基板上。对于λ/4短截线，由于每层的平面空间有限，采用多层螺旋线来实现，既可以节约空间又可以利用其产生电容来等效缩短λ/4传输线的长度。

4.实验结果

将最终加工得到的模块实物焊接在测试夹具上进行测试，两个频段的接收插损均小于1.9dB（通带内波动小于0.5dB），两个频段收发隔离均大于25dBc.

5.结语

本文介绍了一款小型化L波段射频收发前端模块的设计过程，从电路设计、三维建模、仿真优化、测试结果分析几个方面进行了较为详细的讲解。其中使用的单节λ/4短截线收发开关电路既有效地降低了接收损耗、改善了收发隔离，又缩小了电路尺寸，值得借鉴。