手機(jī)射頻講義

手機(jī)射頻2004-09-13Guofu.Zheng@GSM系統(tǒng)的無(wú)線頻譜分配：Unit(MHz)TxbandRxbandGSM850824-849869-894GSM900880-915925-960DCS1710-17851805-1880PCS1850-19101930-1990GSM系統(tǒng)工作在UHF頻段，其真空中電磁波波長(zhǎng)為15cm~33cm，跟手機(jī)尺寸相當(dāng)，所以手機(jī)射頻電路設(shè)計(jì)部分要引入波的概念，跟我們通常所說(shuō)的高頻電子線路原理有很大區(qū)別。電容的射頻特性：這是個(gè)0402的22pF貼片電容射頻特性，在1253MHz時(shí)電容發(fā)生諧振，阻抗很小。應(yīng)用：濾波，信號(hào)耦合impedance阻抗不同容值的電容特性：15pF22pF56pF100nF47uF不同容值的電容其諧振點(diǎn)不一樣。所以在電源上并聯(lián)了多個(gè)容值不等的電容以濾除不同頻段的雜波。射頻電路中能量以波的形式存在或傳播平行雙導(dǎo)線，在低頻中各點(diǎn)的電壓、電流相同。在UHF電路中平行雙導(dǎo)線上各點(diǎn)的電壓、電流不再一樣。理論和實(shí)踐表明，平行雙導(dǎo)線上電壓、電流以波的形式存在和分布。平行雙導(dǎo)線上電壓、電流分布正向波和反向波疊加|U||I|電壓幅度分布電流幅度分布傳輸線上各點(diǎn)的阻抗模|Z|=|U|/|I|,不再是常數(shù)，即傳輸線上各點(diǎn)的阻抗是空間的函數(shù)。散射參數(shù)由于在射頻中測(cè)量電壓和電流幾乎不太可能，而且電壓、電流的幅度和相位是空間的函數(shù)，用電壓、電流來(lái)描述射頻信號(hào)和器件的特性不切實(shí)際。散射參數(shù)的引入為器件特性的描述或者信號(hào)傳輸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負(fù)載，一端口反射系數(shù)S11＝一端口歸一化反射波電壓/一端口歸一化入射波電壓。傳輸參數(shù)Sn1=n端口歸一化出射波電壓/一端口歸一化入射波電壓散射參數(shù)S11表征反射波電壓幅度和角度的量，|S11|*|S11|則表示了反射波反射回能量的百分率。回波損耗Returnloss=10*log(|S11|*|S11|)=20*log(|S11|)

如果|S11|=0.5,則反射回的能量為25％,相應(yīng)的回波損耗為－6dB對(duì)于二端口網(wǎng)絡(luò)，|S21|*|S21|表示信號(hào)能量從一端口傳到二端口的百分率。

插入損耗Insertloss=-20*log(|S21|)

如果|S21|=0.5,則傳輸?shù)哪芰繛?5％，相應(yīng)的插入損耗為6dB.手機(jī)中常見的傳輸線類型傳輸線的特性阻抗:其中L為傳輸線單位長(zhǎng)度的電感，C為傳輸線單位長(zhǎng)度的電容。手機(jī)中傳輸線的要求（1）特性阻抗設(shè)計(jì)成50歐姆（2）插入損耗很小，一般小于0.5dBNote:當(dāng)傳輸線終端接阻抗為ZL的負(fù)載時(shí)，傳輸線上的反射系數(shù)|S11|=|(ZL-Z0)/(ZL+Z0)|，其中Z0為傳輸線的特性阻抗。當(dāng)傳輸線上終端負(fù)載等于傳輸線的特性阻抗時(shí)，反射系數(shù)最小，這正是要把終端負(fù)載阻抗匹配成50歐姆的原因。Smith圓圖簡(jiǎn)介用來(lái)測(cè)量散射參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)分析儀中，Smith圓圖是一種結(jié)果顯示方式，用它可以很直觀地看到反射系數(shù)和終端負(fù)載阻抗的關(guān)系，給電路阻抗分析、匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、噪聲系數(shù)計(jì)算、放大器穩(wěn)定性分析等帶來(lái)很大方便。S11=(ZL-Z0)/(ZL+Z0)在圓圖中ZL作歸一化處理手機(jī)天線介紹功能：能有效接收和發(fā)射電磁波根據(jù)天線理論，天線要能有效接收和發(fā)射電磁波，其尺寸應(yīng)與相應(yīng)的電磁波波長(zhǎng)相當(dāng)。以四分之一波長(zhǎng)的線天線為例，GSM900的天線長(zhǎng)度大概在8～9cm。而現(xiàn)在的手機(jī)體積越來(lái)越小，留給天線的空間相當(dāng)有限，有時(shí)手機(jī)天線的設(shè)計(jì)是個(gè)問(wèn)題。手機(jī)天線的參數(shù)阻抗天線是個(gè)終端器件，要求其阻抗在50歐姆左右，如果不是50歐姆那得通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)變成50歐姆，以達(dá)到無(wú)線信號(hào)的最佳發(fā)送和接收。反映在反射系數(shù)上，要求反射系數(shù)小于0.5，回波損耗小于－6。方向圖天線向各個(gè)方向的輻射性能肯定不一樣，把各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度描繪在三維坐標(biāo)圖上就構(gòu)成了天線的方向圖。由于是移動(dòng)通信，手機(jī)天線要求在大多數(shù)方向都能有較好的輻射性能。手機(jī)天線的參數(shù)效率手機(jī)天線上也有電阻分量，其輸入的射頻能量并不能全部傳輸出去，有一部分能量會(huì)以熱能的形式消耗掉。天線的效率＝傳輸出去的能量/輸入的能量手機(jī)內(nèi)置天線的效率一般在30％－40％，外置天線的效率一般在40％－70％手機(jī)天線的參數(shù)增益InputpowerIsotropicantenna接收到能量aInputpower能量輻射集中在這個(gè)方向,好像能量被放大了。接收到能量bGain=10*log(b/a),單位是dBi，i表示isotropic增益跟天線方向圖和效率有關(guān)，一般手機(jī)天線增益在0～3dBi手機(jī)天線的設(shè)計(jì)考慮外置天線：要求天線周圍沒(méi)有金屬，至少周圍的6－8mm內(nèi)不能有金屬器件，手機(jī)主板的地最少長(zhǎng)度得有8cm.內(nèi)置FMA天線：天線周圍不能有金屬。內(nèi)置PIFA天線：天線正下方是地，地與天線的距離一般在6.5mm以上，天線空間在3.5cc以上。手機(jī)天線的設(shè)計(jì)考慮手機(jī)天線在自由空間的性能和手機(jī)貼在臉上時(shí)性能大不一樣，手機(jī)貼在臉上打電話時(shí)90％以上的能量會(huì)被人體吸收，同時(shí)天線的諧振頻率也會(huì)下偏。天線設(shè)計(jì)得把諧振頻率調(diào)得高一些，以免在打電話時(shí)手機(jī)的接收性能會(huì)受到較大的影響天線測(cè)量SAR:SpecificAbsorptionRate吸收率定義為生物體單位時(shí)間(s)，單位質(zhì)量(kg)所吸收的電磁輻射(照射)能量，其單位是W/kg。GB****-2004（中國(guó)）ANSIC95.1，1.6W/kg(1g)（美國(guó)）EN50360(2000)，2.0W/kg(10g)（歐洲）SAR的測(cè)試手機(jī)射頻指標(biāo)發(fā)射功率GSM系統(tǒng)對(duì)終端的發(fā)射功率有嚴(yán)格要求，太小了基站接收不到，太大了會(huì)使鄰近蜂窩產(chǎn)生同頻干擾。同時(shí)終端發(fā)射功率分不同等級(jí)，距離基站近時(shí)低功率等級(jí)發(fā)射，遠(yuǎn)離基站時(shí)則在大功率等級(jí)發(fā)射。GSM900分15個(gè)功率等級(jí)，P5=33dBm,P6=31dBm…P19=5dBm.DCS1800分16個(gè)功率等級(jí)，P0=30dBm,P6=28dBm…P15=0dBm.Note:dBm的定義P(W)=10*log(P(W)/1mW)(dBm)2W=10*log(2W/1mW)=10*log2000=33dBm手機(jī)射頻指標(biāo)頻率誤差：指手機(jī)射頻載波的頻率誤差，GSM要求其值小于0.1ppm。在移動(dòng)過(guò)程中，由于多普勒效應(yīng)也能產(chǎn)生頻率誤差，F(xiàn)ER=移動(dòng)速度/波長(zhǎng)。相位誤差：指I、Q信號(hào)的相位誤差，要求其均方根值小于5度，最大值小于20度。調(diào)制頻譜和開關(guān)頻譜：GSM采用的調(diào)制方式是GMSK，其最大優(yōu)點(diǎn)就是邊帶頻譜下降很快。其中開關(guān)頻譜跟PVT聯(lián)系緊密。手機(jī)射頻指標(biāo)PVT/powerramper跟CDMA通信方式不同，GSM是TDMA和FDMA多址接入方式相結(jié)合的通信方式，GSM對(duì)powerramper有嚴(yán)格的要求，其發(fā)射功率曲線要求模板之內(nèi)。尤其在功率曲線的上升沿和下降沿，功率曲線的質(zhì)量直接影響開關(guān)頻譜的質(zhì)量和雜散指標(biāo)接收靈敏度當(dāng)手機(jī)周圍的信號(hào)強(qiáng)度變小時(shí)，手機(jī)接收誤碼率會(huì)增大。保證接收誤碼率在2％以內(nèi)，手機(jī)周圍能接受的最小信號(hào)強(qiáng)度稱手機(jī)的接收靈敏度。一般手機(jī)的靈敏度都要求在－102dBm以下。靈敏度跟天線的接收性能、手機(jī)的自身干擾、接收通路的噪聲直接相關(guān)。手機(jī)中的EMC和EMI由于GSM移動(dòng)終端最高發(fā)射功率能達(dá)到33dBm,功率放大器發(fā)射功率此時(shí)達(dá)到了35dBm左右，手機(jī)上的許多元件都會(huì)受到這么大發(fā)射功率的影響。（1）電源電壓值的波動(dòng)：由于是TDMA方式工作，在發(fā)射時(shí)隙內(nèi)，電源供電電流可達(dá)到2A,以供電回路上有0.2歐姆的電阻計(jì)算，供電電壓就有0.4V的波動(dòng),這種波動(dòng)可能引起射頻信號(hào)的相位誤差、LCD閃屏甚至引起掉線等。要求：供電電源處并聯(lián)大電容穩(wěn)壓，PCB電源走線盡量加粗以減少分布電阻。EMC指電磁兼容性，EMI指電磁干擾。手機(jī)中的EMC和EMI（2）Microphone或Receiver能解調(diào)出天線發(fā)出的射頻信號(hào)產(chǎn)生Burst(脈沖)noise,所以GSM手機(jī)的麥克風(fēng)要作專門濾波處理。手機(jī)中的EMC和EMI（3）手機(jī)的雜散如二次三次諧波要作抑制。由于無(wú)線頻譜資源的有限性，手機(jī)除了在它工作的頻段外，在其它所有頻段上都不能產(chǎn)生無(wú)線雜波信號(hào)，或者產(chǎn)生的雜波信號(hào)要小于某個(gè)值。Frequency(MHz)

GSMDCSLimit(dBm)

Limit(dBm)

0.1-1000-36\-36\1000-1710-30\-30\1710-1785-30\-36\1785-12750-30\-30\手機(jī)中的EMC和EMI手機(jī)雜散抑制把射頻電路部分要進(jìn)行很好的屏蔽，PCB上面用金屬屏蔽罩，PCB邊緣打孔，射頻傳輸線兩側(cè)打孔屏蔽，雙工器帶通可抑制高頻率的雜波通過(guò)天線出來(lái)。另外功率放大器的良好接地和電源濾波對(duì)諧波的抑制作用也很大。大于二十分之一波長(zhǎng)的縫隙都將可能產(chǎn)生電磁泄漏或輻射基本原則：屏蔽，接地，濾波手機(jī)中的EMC和EMI手機(jī)自身的干擾比如LCD、Camera的高速數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生的干擾信號(hào)，其頻率可到達(dá)GHz,對(duì)手機(jī)的接收靈敏度會(huì)產(chǎn)生很大影響。這時(shí)要對(duì)這些數(shù)據(jù)線進(jìn)行屏蔽、濾波處理。Note:對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行并電容濾波處理時(shí)，要考慮到并電容會(huì)有數(shù)據(jù)波形產(chǎn)生失真的可能，數(shù)據(jù)線上并的電容不超過(guò)3pF。這時(shí)可考慮RC濾波、磁珠濾波或者其它濾波形式。手機(jī)射頻測(cè)試JT