一種小型化射頻收發(fā)前端的設(shè)計

介紹了一種新穎的小型化射頻收發(fā)前端設(shè)計方法，采用這種方法在LTCC基片上實(shí)現(xiàn)了一款L波段雙頻段射頻收發(fā)前端，其 電路尺寸僅為6.5 mm × 5mm × 0.5mm。樣品測試結(jié)果表明，該射頻收發(fā)前端的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計預(yù)期要求，并且具有接收損耗低、收發(fā)隔離度高等優(yōu)點(diǎn)。文章分工作原理介紹、詳細(xì) 電路設(shè)計、三維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、參數(shù)仿真優(yōu)化幾個方面對整個設(shè)計過程進(jìn)行了較為詳細(xì)的講解，最后結(jié)合測試曲線對樣品的測試結(jié)果作了簡單分析。

隨著現(xiàn)代無線通訊技術(shù)的發(fā)展，射頻微波器件和功能模塊的小型化需求日益迫切。本文介紹的L波段收發(fā)射頻前端采用LTCC工藝，利用無源電路的三維疊層結(jié)構(gòu)，大大縮小了電路尺寸。在電路設(shè)計上，使用單節(jié)λ/4短截線收發(fā)開關(guān)電路，既保證了高收發(fā)隔離和低損耗接收的電路性能，又比傳統(tǒng)的并聯(lián)式開關(guān)電路節(jié)省了一節(jié)λ/4短截線占據(jù)的空間，縮小了電路尺寸。

1 工作原理

本文介紹的收發(fā)前端包括一個900MHz與1800MHz雙工器、兩路PIN 管收發(fā)開關(guān)和兩個聲表面濾波器，電路原理如圖1。

圖1射頻收發(fā)前端原理圖

2 電路設(shè)計

2.1 開關(guān)電路設(shè)計

射頻微波電路中經(jīng)常使用PIN二極管作開關(guān)器件。其結(jié)構(gòu)像三明治一樣，在高摻雜的P+和N+層之間夾有一本征的I層或低摻雜半導(dǎo)體中間附加層。設(shè)I層厚度為W，在正向偏壓下，對于輕摻雜N型本征層，流過PIN二極管的電流為：

由上面的公式導(dǎo)出的結(jié)電阻和擴(kuò)散電容可以在實(shí)際應(yīng)用中很近似地模擬PIN二極管的性能。PIN管在正偏壓下等效為結(jié)電阻Rs(本文中正偏壓為2.5V，Rs約1歐姆)；反偏壓卜等效為擴(kuò)散電容CT(本文中為零偏，CT約0.5PF，在2GHz以下阻抗為千歐級)。

λ/4短截線常用于窄帶內(nèi)兩個網(wǎng)絡(luò)之間的阻抗匹配。設(shè)Z₁、Z₂為兩個不等的阻抗，Z₀為傳輸線的特征阻抗，調(diào)整Z₀使之滿足：

Z²₀=Z₁×Z₂ (4)

則兩個阻抗之間實(shí)現(xiàn)了匹配。圖1中，Z₀已知(50歐)，Z₁為PIN 管正偏時的自諧振阻抗Rs或反偏時的開路隔離阻抗。當(dāng)PIN管正偏置時，Z₁很小接近于短路，經(jīng)過λ/4短截線后在公共端口等效為開路，接收端被隔離，發(fā)射支路工作。當(dāng)二極管反偏置時Z₁接近開路狀態(tài)(C_T)，發(fā)射端被隔離，保證低損耗接收。