无线通信硬件电路设计

I ( z)

R L
传输线形式
特点
a
I ( z z )

V ( z)
G
C
V ( z z )


z
z z
图 2.2 任意无限小传输线等效电路
在工程实践中，对传输线特性的分析，通常用传输线的输入阻抗、特性阻抗、反射系数、驻波比 以及反射损耗等参数来衡量。 1、 特性阻抗 在传输线理论中， 传输线的特性阻抗是一个非常重要的概念， 是指传输线上入射波电压与电流之 比，或反射波电压与电流之比的负值。其定义式为：
信号源
输出阻抗
源端阻抗 匹配装置
输入阻抗
传输线
终端阻抗 匹配装置
输出阻抗
负载
输入阻抗
图 2.7 传输系统匹配示意图 阻抗匹配网络的实现，有多种方法，常见的有 LC 匹配网络、四分之一波长阻抗变换器、支节变 换器、阶梯阻抗变换和渐变线变换器等。
L C C
/4
变换器 LC阻抗匹配 网络 阶梯阻抗变 换线
Zo
a cosh(

D ) 2a
eff
r 1 r 1
2 2
h w [(1 12 ) 1/2 0.04(1 ) 2 ] w h

Zo
ln(b / a) 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
w / h 1:
Zo
Zo
377 w 2 w ln( 1.444)) h 3 h
Z L Zo Z L Zo Z s Zo Z s Zo
(2.4)
特别地，在终端负载处，即 z 0 处，反射系数为：
o
(2.5)
同样，可以得到在传输线的输入端，反射系数为：
in
(2.6)
4、电压驻波比 当传输线终端负载与传输线特性阻抗不相等时，产生的反射波大小还可用驻波比（VSWR）来 表示。其定义为，传输线上电压或电流的最大值和最小值之比，即
in o 1 VSWR 0
Z S Zo
Zo Vin
RL 0dB
VS
ZL 0
Vr |Z L Vin
图 2.4 传输线端接短路线时的工作状态 （3） 当传输线端接开路负载（ Z L ）时 在终端开路时，负载处的入射波全部反射到源端，且在负载处，入射波与反射波之间， 呈现幅度相等，相位相同的现象。在这种情况下的反射系数、电压驻波比及反射损耗分 别为：
VSWR
| Vmax | | I max | | Vmin | | I min | 1 | o | 1 | o |
(2.7)
进一步地，还可以用终端负载处的反射系数来表示：
VSWR
(2.8)
5、 反射损耗 在实际电路中，信号源阻抗和传输线特性阻抗之间，总是会存在一定程度的失配，从而导致 信号功率的损耗。这部分损耗，通常定义为反射损耗，可表示为：
Zo
L C
(2.2)
对于不同的传输线模型，特性阻抗的计算公式总结如表 2.2 所示： 表 2.2 不同结构传输线特性阻抗计算公式
种类 结构
平行双导线
2a
D
同轴线
2b
微带线
w t h
带状线
w t h
2a
w / h 1: 377 h w Zo ln(8 ) w 4h 2 eff
特性 阻抗
V V ( R j L) ( R j L) Zo I I k (G jC )

(2.1)
在上式中， V 为入射波电压； I 为入射波电流； V 为反射波电压； I 为反射波电流。 对于理想的无耗传输线模型， R G 0 ，特性阻抗的表示式可进一步简化为：
in o 1 VSWR 0 RL 0dB
Z S Zo
Zo Vin
VS
ZL
Vr |Z L Vin
图 2.5 传输线端接开路线时的工作状态 （4） 当传输线端接任意不匹配负载（ Z L Zo ,0, ）时
在终端连接任意负载时，入射波部分被负载接收，部分反射回源端。反射波的大小，可 由反射系数、驻波比等参数来衡量。
2、一些基本理论 2.1 传输线 所谓传输线，是指能够导引电磁波沿着一定方向传输的导体、介质、或由它们共同组成的导波 系统。广义的说，在射频电路设计中，传输线是最重要的基本元件。传输线有多种形式，且传输线 的形式与所传输的电磁波的波型有关。在射频电路设计中，常见的传输线形式有双导线、同轴线、 带状线和微带线等，其结构如图 2.1 所示。
L型（a）
L型（b）
Z2 Z1 Z3
Z1 Z3
Z2
π型
T型
图 2.9 常见 LC 阻抗匹配网络形式 在上述电路结构中，由于 L 型匹配网络所具有的匹配禁区特性，使得在某些情形下（当负载阻抗 未知时） ，对于一种给定的 L 型匹配网络结构，无法实现负载与传输线的阻抗匹配。同时，对于 L 型 匹配网络，由于无法控制其品质因数 Q，因此，为增加匹配网络的可调整范围，在实际电路设计时， 一般选择 T 型或π 型匹配网络。 在输入输出阻抗确定的情况下，可通过解析法计算π 型匹配网络中 L、C 的具体数值，其计算流 程如下示例： 例：假定信号源阻抗为 50ohm，负载阻抗为 5ohm，工作频率为 1GHz，带宽为 25MHz，试设计 一个π 型匹配网络，实现源与负载的阻抗匹配。 求解：1、确定品质因数 Q. 由电路工作频率为 1GHz，带宽为 25MHz 的限定条件，可以得出匹配电路的 Q 值应满 足：
Z S Zo
Zo Vin
VS
Z L Zo
Vr
图 2.6 传输线端接不匹配负载时的工作状态 由上述介绍，可对传输线理论作进一步总结： （1） 传输线主要用于高频、微波信号的传输。 （2） 在 GSM/GPRS 无线通信系统的射频电路部分，通常采用微带传输线形式。 （3） 传输线的工作状态与其特性阻抗、信号源阻抗及负载阻抗有关。 （4） 当传输线的特性阻抗与信号源及负载阻抗相匹配时，可以工作在最佳的工作状态，信号 源功率可以最大限度的被负载所接收。 （5） 当传输线的特性阻抗与信号源及负载阻抗不相匹配时，将会有驻波产生，信号源功率无 法全部被负载接收。特别地，当负载开路或短路时，负载端的入射波将全部反射回源端。 （6） 传输线的工作特性，可用反射系数、电压驻波比及反射损耗来表征。 2.2 阻抗匹配 由 2.1 节传输线的介绍，可以知道，当传输线与源或负载端存在阻抗不匹配时，就会发生信号的 反射现象，导致源端信号功率，无法最大限度地传输到负载端或被负载接收。为了解决这种问题， 可在传输线的两端，分别加入阻抗匹配电路，以实现源、负载端与传输线的阻抗匹配，如图 2.7 所示：
in o 0
VSWR 1 RL
图 2.3 传输线端接匹配负载时的工作状态 （2） 当传输线端接短路负载（ Z L 0ohm ）时 在终端短路时，负载处的入射波全部反射到源端，且在负载处，入射波与反射波之间， 呈现幅度相等，相位相反的现象。在这种情况下的反射系数、电压驻波比及反射损耗分 别为：
Q
fc 1GHz 40 3dB BW 25MHz
(2.10)
支节变换器
渐变线变换器
图 2.8 常见阻抗匹配方法 在射频电路设计中，由于 LC 匹配网络具有更大的灵活性，对电路板的空间要求小，因此，这种
阻抗变换方法是最常采用的阻抗匹配方法。同时，根据电路形式的不同，LC 匹配网络具有不同的电 路形式，主要有 L 型、π 型、T 型等。如图 2.9 所示：
Z1 Z2 Z1 Z2

8
w
arche 2 h

eff (1.393
eff
r 1 r 1
2 2
h (1 12 )1/2 w
2、输入阻抗 传输线上某一点 z 处的输入阻抗，定义为在该点电压和电流之比，即
Zin ( z ) Z o
Z L jZ o tan( z ) Z o jZ L tan( z )
平行双导线
同轴线
带状线
微带线
图 2.1 常见传输线结构 在工程实践中，应根据不同的应用场合，选择合适的传输线形式，具体如表 2.1 所示： 表 2.1 不同传输线形式的特点及应用场合
应用场合 低频信号传输系统以及要 形式简单，易于使用；辐射损耗 求不高的民用产品， 如电力 平行双导线 大，抗干扰能力弱 信号线的传输； 老式电视的 天线馈线系统 特别适合高频、 微波信号的 屏蔽效果好；特性阻抗稳定；制 同轴线 传输，如 GSM/GPRS、3G 移 造工艺复杂 动通信系统 适合高频、微波信号传输， 屏蔽效果好；特性阻抗稳定；制 可应用于 PCB 工艺，如 带状线 造工艺简单 GSM/GPRS、3G 移动通信终 端 适合高频、 微波信号传 特性阻抗稳定；制造工艺简单； 输，可应用于 PCB 工艺，如 微带线 易辐射，且抗干扰性稍差 GSM/GPRS、3G 移动通信终 端 由于传输线主要用来导引高频电磁波，此时，传输线的长度与高频电磁波的波长是可比拟的，因 此，在讨论传输线的特性时，就不能直接应用集总参数理论去进行分析了，而必须考虑到所传输的 电磁波的波特性。但是，当把传输线切割成任意无限小的较小线段时，集总参数的电路理论却仍然 是成立的。可以得出任意无限小的一小段传输线的等效电路如图 2.2 所示：
(2.3)
在上式中， Z L 为负载阻抗； Z o 为传输线的特性阻抗； 为电磁波的相速度； z 为该点与负载之 间的距离。 3、反射系数 传输线上任一点处反射波的大小，可以用反射系数来表示。其定义为，传输线上改点反射波电压 与入射波电压之比，即
( z )
V ( z) V ( z)
RL 10log(
Pr ) 10log | in |2 Pi
(2.9)
上式中， Pr 为因阻抗失配产生的反射功率； Pi 为传输线的输入功率； in 为传输线输入端的 反射系数。 传输线的工作状态与端接的源/负载阻抗有关，在假定传输线与源阻抗匹配的情况下，对于不同 的传输线负载，传输线的工作状态可分为以下几种情形： （1） 当传输线端接匹配负载（ Z L Z o ）时 此时，在源端和负载之间没有任何反射发生，源端信号功率被最大的传输给终端负载。 在这种情况下的反射系数、电压驻波比及反射损耗分别为：
GSM/GPRS 无线通信模块射频部分硬件 设计
文/王国强
1、引言 随着无线通信技术的发展，各种无线通信设备已经广泛应用于人们日常生活、工作的各种场合， 为人们的生产、生活提供了各种便利。芯讯通(SIMCom，以下简称 SIMCom)作为一家专业的无线通信 模块设计、销售公司，立志于为客户提供高集成度、易于使用的各种无线通信模块，以帮助客户更 好的实现各种无线通信应用方案的设计。 SIMCom 提供的无线通信模块具有极高的集成度，客户的集成和使用非常的简单和便利，只需要 添加一些简单的外围接口电路（如 SIM 卡电路、电源电路、通信接口等） ，即可完成产品无线通信功 能的设计，而实现无线通信功能所必需的信号处理电路、收/发信机电路等则都已集成在 SIMCom 提 供的无线通信模块中了。一个简单的基于 SIMCom GSM/GPRS 无线通信模块的产品硬件框图如图 1.1 所示：
GPS 天线 GPS接 收模块 音频 接口 主PCB板 通信接口 键盘 接口 SIM卡 电路 SIMCom GSM/ GPRS 无线通信模块 GSM 天线
应用处理器 电源电路 外部 电源 输入
USB接 口
其它I/O 接口
显示 接口
图 1.1 典型的产品硬件框图 虽然 SIMCom GSM/GPRS 无线通信模块具有极高的集成度，但客户的外围设计仍然相当重要。其 中，天线、天线外围电路以及电源电路部分的设计，显得尤为关键，如设计不当，将会导致产品最 终的射频性能受到较大的影响。 基于此， 为使客户能够更好的使用 SIMCom 提供的 GSM/GPRS 无线通信模块， 设计出性能优越的 GSM/GPRS 移动通信终端产品， 缩短客户产品的设计周期， 本文就影响产品射频性能的一些关键部分， 从理论基础及实际设计两方面，给出必要的建议供客户参考。全文内容主要分为三个部分，第一部 分介绍一些基本的理论知识，其中涉及传输线，阻抗匹配及开关电源干扰特性分析等；第二部分介 绍推荐的天线外围电路及电源电路设计；第三部分给出 PCB 设计的一些重要原则。