GSM_GPRS无线通信模块射频部分硬件设计

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：

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。

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。

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：

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：

)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：

()o V V R j L Z I I k ω+-+-+==-==

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，0R G ==，特性阻抗的表示式可进一步简化为：

o Z =

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

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

tan()

() (2.3)tan()

L o in o

o L Z jZ z Z z Z Z jZ z ββ+=+

在上式中，L Z 为负载阻抗；o Z 为传输线的特性阻抗；β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

()() (2.4)()

V z z V z -+Γ=

特别地，在终端负载处，即0z =处，反射系数为：

(2.5)L o

o L o

Z Z Z Z -Γ=

+

同样，可以得到在传输线的输入端，反射系数为：

(2.6)s o

in s o

Z Z Z Z -Γ=

+

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

max max min min ||||

(2.7)||||

V I VSWR V I =

= 进一步地，还可以用终端负载处的反射系数来表示：

1||

(2.8)1||

o o VSWR -Γ=

+Γ

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：

210log(

)10log || (2.9)r

in i

P RL P =-=-Γ 上式中，r P 为因阻抗失配产生的反射功率；i P 为传输线的输入功率；in Γ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（L o Z Z =）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：

0 1 in o VSWR RL Γ=Γ===-∞