手机射频讲义

手机射频2004-09-13Guofu.Zheng@GSM系统的无线频谱分配：Unit(MHz)TxbandRxbandGSM850824-849869-894GSM900880-915925-960DCS1710-17851805-1880PCS1850-19101930-1990GSM系统工作在UHF频段，其真空中电磁波波长为15cm~33cm，跟手机尺寸相当，所以手机射频电路设计部分要引入波的概念，跟我们通常所说的高频电子线路原理有很大区别。电容的射频特性：这是个0402的22pF贴片电容射频特性，在1253MHz时电容发生谐振，阻抗很小。应用：滤波，信号耦合impedance阻抗不同容值的电容特性：15pF22pF56pF100nF47uF不同容值的电容其谐振点不一样。所以在电源上并联了多个容值不等的电容以滤除不同频段的杂波。射频电路中能量以波的形式存在或传播平行双导线，在低频中各点的电压、电流相同。在UHF电路中平行双导线上各点的电压、电流不再一样。理论和实践表明，平行双导线上电压、电流以波的形式存在和分布。平行双导线上电压、电流分布正向波和反向波叠加|U||I|电压幅度分布电流幅度分布传输线上各点的阻抗模|Z|=|U|/|I|,不再是常数，即传输线上各点的阻抗是空间的函数。散射参数由于在射频中测量电压和电流几乎不太可能，而且电压、电流的幅度和相位是空间的函数，用电压、电流来描述射频信号和器件的特性不切实际。散射参数的引入为器件特性的描述或者信号传输特性的描述提供了可能。多端口器件1端口n端口各端口均接匹配负载，一端口反射系数S11＝一端口归一化反射波电压/一端口归一化入射波电压。传输参数Sn1=n端口归一化出射波电压/一端口归一化入射波电压散射参数S11表征反射波电压幅度和角度的量，|S11|*|S11|则表示了反射波反射回能量的百分率。回波损耗Returnloss=10*log(|S11|*|S11|)=20*log(|S11|)

如果|S11|=0.5,则反射回的能量为25％,相应的回波损耗为－6dB对于二端口网络，|S21|*|S21|表示信号能量从一端口传到二端口的百分率。

插入损耗Insertloss=-20*log(|S21|)

如果|S21|=0.5,则传输的能量为25％，相应的插入损耗为6dB.手机中常见的传输线类型传输线的特性阻抗:其中L为传输线单位长度的电感，C为传输线单位长度的电容。手机中传输线的要求（1）特性阻抗设计成50欧姆（2）插入损耗很小，一般小于0.5dBNote:当传输线终端接阻抗为ZL的负载时，传输线上的反射系数|S11|=|(ZL-Z0)/(ZL+Z0)|，其中Z0为传输线的特性阻抗。当传输线上终端负载等于传输线的特性阻抗时，反射系数最小，这正是要把终端负载阻抗匹配成50欧姆的原因。Smith圆图简介用来测量散射参数的网络分析仪中，Smith圆图是一种结果显示方式，用它可以很直观地看到反射系数和终端负载阻抗的关系，给电路阻抗分析、匹配网络设计、噪声系数计算、放大器稳定性分析等带来很大方便。S11=(ZL-Z0)/(ZL+Z0)在圆图中ZL作归一化处理手机天线介绍功能：能有效接收和发射电磁波根据天线理论，天线要能有效接收和发射电磁波，其尺寸应与相应的电磁波波长相当。以四分之一波长的线天线为例，GSM900的天线长度大概在8～9cm。而现在的手机体积越来越小，留给天线的空间相当有限，有时手机天线的设计是个问题。手机天线的参数阻抗天线是个终端器件，要求其阻抗在50欧姆左右，如果不是50欧姆那得通过阻抗匹配网络变成50欧姆，以达到无线信号的最佳发送和接收。反映在反射系数上，要求反射系数小于0.5，回波损耗小于－6。方向图天线向各个方向的辐射性能肯定不一样，把各个方向的辐射强度描绘在三维坐标图上就构成了天线的方向图。由于是移动通信，手机天线要求在大多数方向都能有较好的辐射性能。手机天线的参数效率手机天线上也有电阻分量，其输入的射频能量并不能全部传输出去，有一部分能量会以热能的形式消耗掉。天线的效率＝传输出去的能量/输入的能量手机内置天线的效率一般在30％－40％，外置天线的效率一般在40％－70％手机天线的参数增益InputpowerIsotropicantenna接收到能量aInputpower能量辐射集中在这个方向,好像能量被放大了。接收到能量bGain=10*log(b/a),单位是dBi，i表示isotropic增益跟天线方向图和效率有关，一般手机天线增益在0～3dBi手机天线的设计考虑外置天线：要求天线周围没有金属，至少周围的6－8mm内不能有金属器件，手机主板的地最少长度得有8cm.内置FMA天线：天线周围不能有金属。内置PIFA天线：天线正下方是地，地与天线的距离一般在6.5mm以上，天线空间在3.5cc以上。手机天线的设计考虑手机天线在自由空间的性能和手机贴在脸上时性能大不一样，手机贴在脸上打电话时90％以上的能量会被人体吸收，同时天线的谐振频率也会下偏。天线设计得把谐振频率调得高一些，以免在打电话时手机的接收性能会受到较大的影响天线测量SAR:SpecificAbsorptionRate吸收率定义为生物体单位时间(s)，单位质量(kg)所吸收的电磁辐射(照射)能量，其单位是W/kg。GB****-2004（中国）ANSIC95.1，1.6W/kg(1g)（美国）EN50360(2000)，2.0W/kg(10g)（欧洲）SAR的测试手机射频指标发射功率GSM系统对终端的发射功率有严格要求，太小了基站接收不到，太大了会使邻近蜂窝产生同频干扰。同时终端发射功率分不同等级，距离基站近时低功率等级发射，远离基站时则在大功率等级发射。GSM900分15个功率等级，P5=33dBm,P6=31dBm…P19=5dBm.DCS1800分16个功率等级，P0=30dBm,P6=28dBm…P15=0dBm.Note:dBm的定义P(W)=10*log(P(W)/1mW)(dBm)2W=10*log(2W/1mW)=10*log2000=33dBm手机射频指标频率误差：指手机射频载波的频率误差，GSM要求其值小于0.1ppm。在移动过程中，由于多普勒效应也能产生频率误差，FER=移动速度/波长。相位误差：指I、Q信号的相位误差，要求其均方根值小于5度，最大值小于20度。调制频谱和开关频谱：GSM采用的调制方式是GMSK，其最大优点就是边带频谱下降很快。其中开关频谱跟PVT联系紧密。手机射频指标PVT/powerramper跟CDMA通信方式不同，GSM是TDMA和FDMA多址接入方式相结合的通信方式，GSM对powerramper有严格的要求，其发射功率曲线要求模板之内。尤其在功率曲线的上升沿和下降沿，功率曲线的质量直接影响开关频谱的质量和杂散指标接收灵敏度当手机周围的信号强度变小时，手机接收误码率会增大。保证接收误码率在2％以内，手机周围能接受的最小信号强度称手机的接收灵敏度。一般手机的灵敏度都要求在－102dBm以下。灵敏度跟天线的接收性能、手机的自身干扰、接收通路的噪声直接相关。手机中的EMC和EMI由于GSM移动终端最高发射功率能达到33dBm,功率放大器发射功率此时达到了35dBm左右，手机上的许多元件都会受到这么大发射功率的影响。（1）电源电压值的波动：由于是TDMA方式工作，在发射时隙内，电源供电电流可达到2A,以供电回路上有0.2欧姆的电阻计算，供电电压就有0.4V的波动,这种波动可能引起射频信号的相位误差、LCD闪屏甚至引起掉线等。要求：供电电源处并联大电容稳压，PCB电源走线尽量加粗以减少分布电阻。EMC指电磁兼容性，EMI指电磁干扰。手机中的EMC和EMI（2）Microphone或Receiver能解调出天线发出的射频信号产生Burst(脉冲)noise,所以GSM手机的麦克风要作专门滤波处理。手机中的EMC和EMI（3）手机的杂散如二次三次谐波要作抑制。由于无线频谱资源的有限性，手机除了在它工作的频段外，在其它所有频段上都不能产生无线杂波信号，或者产生的杂波信号要小于某个值。Frequency(MHz)

GSMDCSLimit(dBm)

Limit(dBm)

0.1-1000-36\-36\1000-1710-30\-30\1710-1785-30\-36\1785-12750-30\-30\手机中的EMC和EMI手机杂散抑制把射频电路部分要进行很好的屏蔽，PCB上面用金属屏蔽罩，PCB边缘打孔，射频传输线两侧打孔屏蔽，双工器带通可抑制高频率的杂波通过天线出来。另外功率放大器的良好接地和电源滤波对谐波的抑制作用也很大。大于二十分之一波长的缝隙都将可能产生电磁泄漏或辐射基本原则：屏蔽，接地，滤波手机中的EMC和EMI手机自身的干扰比如LCD、Camera的高速数据线上产生的干扰信号，其频率可到达GHz,对手机的接收灵敏度会产生很大影响。这时要对这些数据线进行屏蔽、滤波处理。Note:对数据线进行并电容滤波处理时，要考虑到并电容会有数据波形产生失真的可能，数据线上并的电容不超过3pF。这时可考虑RC滤波、磁珠滤波或者其它滤波形式。手机射频测试JT