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浅析4G通信技术接入系统构造设计原理

摘要:本文重点浅析与4G系统有关的无线接入系统设计,利用射

频微波电路集成技术设计4G接入系统,借助于分布参数在smith圆图

上实现设计,通过计算网络转移参量矩阵进行系统响应质量评估。用

微带线电路板承载接入电路框架的设计理念轻盈且兼容性高,符合当

代通信设备发展趋势,通过具体事例解析4G通信接入系统的原理和

实现可能。

关键词:4G接入系统匹配网络

1接入系统整体构造

4G接入系统可以分成三个部分:终端接收天线、信号放大器和匹

配电路,信号通过这三部分的次序为:

基站发出的信号→终端接收天线→信号放大器→匹配电路。

因为信号依次通过,所以各部件之间的匹配对于接收和处理效果

便尤为重要。匹配在接入系统设计中应该作为重中之重加以考虑。

1.1天线的设计原理

终端的接收天线本质上是一组LC线圈,不同的天线容抗和感抗

都有差异,决定了天线对应的谐振中心频率各有不同。天线的谐振中

心频率对应的是信号驻波最小的点,它由天线微带板的介电常数ε介r,

质材料厚度h,导体带厚度t,线圈电容参数C等共同决定。要设计一个

理想的天线,就要根据实际需要通过确定a和b的尺寸使得天线的谐

振频率符合特定的数值要求。因为接收信号都集中于特定频带当中,

设计时尽量保证电路带宽覆盖基站发射信号的频带,从而提高接收效

果。如图1所示。

根据腔膜理论公式,我们知道天线谐振中心频率和天线的尺度有

如下的对应关系:,根据这个公式我可以确定需要设定的a,b的数值。

在基模接收的时候,n＝0,m＝1。结合导带厚度因素,求出特定f0数值

下的尺寸a的数值,需要注意的是b的取值应该小于a,在此前提下我们

可以设定一个具体的b数值。

之后,我们要求取另外3个参数:天线的输出阻抗Zout,带宽BW以

及增益G,以便继续后续的设计。这些参数我们可以利用前人根据经验

总结出的公式求取。

天线的输出阻抗Zout计算公式:

天线的带宽计算公式为

天线的增益为:

其中,公式中的Qr为简化后计算出来的品质因数,它的计算公式

为:

至此,设计天线需要的各个参数确定完毕。

1.2低噪放大器的设计原理

设计放大器有两个注意点:降低噪声扰动和保证射频微波放大器

稳定。放大器的设计需要借助于微波管S散射量和smith圆。我们设

定接入系统需要满足的中心谐振频率f0=5.0GHz那么所用的射频微

波管的各个参数如下:VDS=4V,IDS=30mA,Fmin=0.62

dB,Rn=3.5,Ga=13.5dB。最佳反射系数Γopt及S参量列出如下,为了

直观起见,其中Mag和Ang我们可以借助复数的发达形式,以Mag为

实部,Ang为虚部,如表1所示。

根据给定的S参数,可以在Smith原图上画出输入稳定圆,等资用

功率圆,等噪声系数圆。如图2所示。

既然要降噪,目标就是要保证噪声系数Fk最小,因此要求源反射

系数Γs＝Γopt＝－0.21＋0.34i,其对应的最小噪声系数Fmin＝

0.62dB。此时,过Γs点的等增益圆对应的增益为13.5dB。

然后就可以在负载匹配满足前提下求出负载反射系数为ΓL＝Γ’

out=-0.2054+0.1968i,根据S参数,利用输出稳定圆方程得到输出稳定

判定圆,只要参数值｜S11｜=lt;1,可以确定判定圆中|ΓL|=1圆内部分

状态稳定,结合上述源反射系数具体数字判断放大器电路可工作在稳

定状态。由Γs所在的等资用功率圆与等噪声系数圆确定放大器的增

益13.5dB,噪声0.62dB。

1.3匹配网络的设计原理

现在分析匹配网络设计,匹配电路设计好坏直接决定电磁波能量

逐级传播的质量。同时该电路设计的I/O匹配和级间匹配又决定了放

大器的性能指标能否达标。

在共轭匹配条件下,单个放大器的源阻抗和负载阻抗必须满足:

ZS=(1+GS)／(1-GS)

zL=(1+GL)／(1-GL)

再将源阻抗换算得出相应的导纳值。