射频微波设计指南.docx
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射频微波设计指南
射频微波设计指南
（第1版）
前言
关于《射频微波设计指南》初稿的说明
此处省略
2003-11-11
射频微波设计概述
射频微波是指频率范围为300kHz到超过100GHz的电磁波。
射频（RF）与微波的频率界限比较模糊，并且随着器件技术和设计方法的进步还有所变化，比较通行的一种说法是射频频率范围的低端为300kHz，高端为300MHz~1GHz；微波的频率范围的低端为300MHz~1GHz，高端至少为100GHz。
射频微波技术是无线通信系统的核心技术之一。
任何一种无线通信系统不论基站也好，移动终端也好都包含一个射频子系统，其组成如图1所示：
图1RF射频子系统组成框图
由图可见，一个射频子系统通常包含天线、收发天线共用、低噪声放大器（LNA）、收信机（RX）、发信机（TX）、功率放大器（PA）和频率合成器（PLL）共七个部分。
对于FDD系统利用双工器来完成收发天线共用，对于TDD系统则是利用RF收发开关来完成收发天线共用。
第一章天线选型指南
一.1概述
随着移动通信市场的迅猛发展，各种各样的通信系统和制式不断涌现出来，现在有GSM、CDMA、PHS、WLAN等移动通信系统共存，为这些系统配套的天线种类繁多，性能各异，而我们的客户针对不同的系统对天线的要求也日趋多样化、细致化，这就要求我们在满足系统覆盖要求、降低成本的前提下，恰当选取天线各种性能参数，为客户提供良好的服务。
天线的选型要从整个通信系统的角度来考虑，目前，移动业务运营商总是希望无线信号能够实现无缝覆盖、能够拥有更大的带宽和容量，为移动用户提供更多的、质量更好的服务，而这些都与天线的性能参数，诸如带宽、增益、波瓣形状等密切相关，所以，了解移动通信天线并依据系统要求正确选型对于系统设计是非常重要的。
一.2主要技术指标的确定
天线的技术指标包括电性能指标和机械性能指标，由于机械性能指标如结构尺寸、重量、抗风、抗雷击、抗锈蚀、防水能力等一般是统一规定，各供应商均满足标准的规定，本文档将不作叙述。
天线电性能指标包括工作频带、驻波比、阻抗、增益、功率容量、无源互调和一系列由辐射方向图确定的波瓣参数，包括水平面和俯仰面的半功率点波瓣宽度、副瓣电平、前后比F/B、零点衰落（Null-Fill）、波束倾斜等。
一.2.1天线工作频段的选取
天线的工作频段应包含客户要求的频段，例如，为GSM900系统（890~960MHz）配置天线，工作频段需包含890~960MHz，而CDMA800系统的天线频带为824~894MHz，WLAN802.11b的天线频段为2.4~2.5GHz。
从降低带外干扰信号的角度考虑，所选天线的带宽刚好满足频带要求即可，但考虑到今后扩容、多系统兼容的需要，宽频带天线也是一个好的选择，如可工作于GSM900和GSM1800频带的890~1880MHz的双频天线，工作于800~2500MHz的宽频天线可以涵盖目前几乎所有的移动通信频段，在多系统一体化室内分布系统中具有广阔的应用前景，当然宽频段天线的价格较普通天线贵些，在选型时需在性能和价格之间折中考虑。
一.2.2天线辐射方向图的选取
移动通信天线辐射方向图可分为全向辐射方向图和定向辐射方向图两大类，对应的天线分别被称为全向天线和定向天线。
如图1.1所示，图中左边所示分别为全向天线的水平截面图和立体辐射方向图；图中右边所示分别为定向天线的水平截面图和立体辐射方向图。
全向天线在同一水平面内各方向的辐射强度理论上是相等的，它适用于全向小区；右边图中红色所示为定向天线罩中的金属反射板，它的存在使天线在水平面的辐射具备了方向性，适用于扇形小区的覆盖。
图1.1.天线辐射方向图
一.2.3天线极化方式的选取
移动通信天线多采用线极化方式，如图1.2，其中单极化天线多采用垂直线极化；双极化天线多采用45双线极化，由于一根双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成的，如图1.3，故采用双线极化天线可以大大减少天线数目，简化天线工程安装，降低成本，减少了天线占地空间，所以双极化天线是目前城市地区基站天线的主流应用。
图1.2.移动通信天线常用极化方式
图1.3.双极化天线示意
一.2.4天线增益的选取
天线增益有dBi和dBd两种单位。
dBi用于表示天线在最大辐射方向场强相对于全向辐射器（其空间辐射方向图如图1.4中）的参考值，而相对于半波振子（其空间辐射方向图如图1.4左）的天线增益用dBd表示，两者有一个固定的dB差值（如图1.4右），即0dBd等于2.15dBi。
图1.4.dBi与dBd的不同参考示意图
在移动通信系统中，一般是由服务区大小、发信机功率、收信机灵敏度和传输衰耗决定天线增益。
目前移动通信天线的增益范围从0dBi到20dBi以上均有应用。
用于室内微蜂窝覆盖的天线增益一般选择0-8dBi，室外基站从全向天线增益9dBi到定向天线增益18dBi应用较多，具体增益值应根据覆盖范围的要求由网络规化结果给出。
一.2.5天线水平波瓣3dB宽度的选取
全向天线的水平波瓣宽度均为360（图1.5中右），而定向天线的常见水平波瓣3dB宽度有20、30、65、90、105、120、180等多种（图1.5中左）。
图1.5.天线水平波瓣3dB宽度示意图
图1.6.基站天线三扇区覆盖示意
其中20、30的品种一般增益较高，多用于狭长地带或高速公路的覆盖；65品种多用于密集城市地区典型基站三扇区配置的覆盖，90品种多用于城镇郊区地区典型基站三扇区配置的覆盖，105品种多用于地广人稀地区典型基站三扇区配置的覆盖，如图1.6所示。
120、180品种多用于角度极宽的特殊形状扇区的覆盖。
总之，水平波瓣3dB宽度的选取需根据覆盖区域的水平形状确定。
一.2.6天线垂直波瓣3dB宽度的选取
天线的垂直波瓣3dB宽度与天线的增益、水平3dB宽度密不可分。
一般来说，在采用同类的天线设计技术条件下，增益相同的天线中，水平波瓣越宽，垂直波瓣3dB越窄；天线的垂直尺寸越长，增益越高，它的垂直波瓣3dB宽度将越窄。
较窄的垂直波瓣3dB宽度将会产生较多的覆盖死区，如图1.7所示，同样挂高的二副无下倾天线中，红色较宽的垂直波瓣产生的覆盖死区范围长度为OX’’，小于兰色较窄的垂直波瓣死区范围长度OX。
在天线选型时，为了保证对服务区的良好覆盖，减少死区，在同等增益条件下，所选天线垂直波瓣3dB宽度应尽量宽些。
移动通信基站天线的垂直波瓣3dB宽度多在10左右。
图1.7.天线垂直波瓣3dB宽度的选取示意
一.2.7天线下倾方式的选取
为了加强对站点近区的覆盖、尽可能减少死区，同时尽量减少对其它相邻站点的干扰，天线应避免过高架设，同时应采用下倾的方式。
图1.8中，黄色低架天线和绿色下倾天线产生的死区范围OX’’和OX’，均小于图中兰色高架无下倾天线的死区范围OX。
图1.8.天线下倾对比示意
天线下倾有多种方式：
机械下倾、固定电调下倾、可调电调下倾、遥控可调电调下倾。
其中机械下倾只是在架设时倾斜天线，它的价格也较便宜，多用于角度小于10的下倾，当再进一步加大天线下倾的角度时，覆盖正前方出现明显凹坑，两边也被压扁，天线方向图畸变，引起天线正前方覆盖不足同时对两边基站的干扰加剧，如图1.9所示。
机械下倾的另一个缺陷是天线后瓣会上翘，对相临扇区造成干扰。
图1.9.天线下倾方式对比
电调下倾天线虽价格稍贵，但它下倾角度范围较大（可大于10），天线方向图无明显畸变，天线后瓣也将同时下倾，不会造成对近端高楼用户的干扰。
天线下倾方式的选取，可根据客户和覆盖的具体要求，选用固定电调下倾、可调电调下倾或遥控可调电调下倾天线。
其中小角度的固定电调下倾天线加上开局现场的机械下倾方案在性能和成本上具有优势。
遥控可调电调下倾天线虽然具有在工程现场应用调整方便快捷易于维护的特点，但其价格也相对昂贵。
一.2.8天线前后比的选取
较大的前后比可以减小相邻小区间的干扰，
天线的前后比指标与天线反射板的电尺寸有关，较大的电尺寸将提供较好的前后比指标。
如水平波瓣3dB宽65的天线水平尺寸大于水平波瓣3dB宽90的天线，所以，水平波瓣3dB宽65的天线前后比一般会优于水平波瓣3dB宽90的天线。
室外基站天线前后比一般应大于25dB较好，微蜂窝天线由于尺寸相对较小的原故，天线的前后比指标应适当放宽。
一.2.9天线旁瓣抑制与零点填充特性
由于移动通信天线，尤其是基站天线一般要架设在铁塔或楼顶高处来覆盖服务区，所以对垂直面向上的旁瓣应尽量抑制，尤其是较大的第一副瓣，以减少不必要的能量损失及对临近小区的干扰，同时要加强对垂直面向下旁瓣零点的补偿，使这一区域的方向图零深较浅，以改善对站点近区的覆盖，减少近区覆盖死区和盲点，图1.10是天线有无零点填充效果的对比，其中横坐标为离开站点的距离，纵坐标为地面信号强度值。
为确保对服务区的良好覆盖，严格地说，不具备旁瓣抑制与零点填充特性的天线是不能使用的。
最先提出天线零点填充（NULLFILL）技术概念的ANTEL公司认为，5的零点填充或垂直面方向图下第一零点大于-26dB是一个最低的要求了。
当25的零点填充或垂直面方向图下第一零点大于-12dB是一个较好的选择，两者方向图的对比见图1.11。
图1.10.天线有无零点填充效果对比示意
天线零点填充值=（垂直第一下零点幅值/最大辐射方向幅值）%
=20log（垂直第一下零点幅值/最大辐射方向幅值）dB
图1.11.天线零点填充方向图
一.2.10天线功率容量的选取
天线功率容量的选取依据是载频合路后输入天线端口的最大射频发射功率，天线功率容量的选取应在此基础上放适当余量。
所以，一般用于微蜂窝覆盖的天线功率容量远小于用于宏蜂窝覆盖的天线。
天线的功率容量主要取决于天线的辐射单元、馈电网络和射频连接器的功率容量，考虑到功率容量和下面将要讨论的无源交调PIM，基站天线的连接器均选为DIN-F（7/16”）的，因为较N型相比，DIN型连接器具有较高的功率容量和PIM指标。
一.2.11天线三阶交调
从系统的经济性考虑，目前移动通信系统都采用了收发共用天线，当天线既发射又接收、且同时发射两个或两个以上频率时，其产生的高次谐波如果落入接收通带内就产生了无源互调（PIM）。
无源交调是由金属异质结的非线性效应引起的，金属异质结存在于天线辐射单元和馈线之间，可通过优化天线的设计和改善加工工艺将交调控制到小于规定值。
我国标准规定基站天线的三阶互调指标为-150dBC@243dBm。
一.2.12天线端口之间的隔离度
当使用多端口天线时，各个端口之间的隔离度应大于30dB。
如双极化天线的两个不同极化端口，双频天线的两个不同频段端口之间，以及双频双极化天线的四个端口之间，隔离度应大于30dB。
一.2.13天线阻抗
考虑到与50W同轴馈电电缆的阻抗匹配，天线阻抗均规定为50W。
一.2.14天线输入电压驻波比
移动通信天线的输入电压驻波比一般要求小于1.5。
一.2.15天线的机械性能参数
除了上述主要电性能参数外，还应关注天线的机械性能参数，如尺寸、重量、天线罩材料、外观颜色、工作温度、存储温度、风载、迎风面积、接头型式、包装尺寸、天线抱杆、安装和下倾辅件、防雷等，力求天线工程安装的快捷方便和在室外风霜雨雪恶略气候条件下可靠地工作，同时又美观大方、与周围环境和谐统一。
第二章收发天线共用器选型
二.1概述
在现代无线通信系统中,由于技术、成本、场地条件等多个因素的限制，为减少天线的数量，减小架设难度，基站一般都是采用收发天线共用，这就需要由收发天线共用器来实现。
二.2基本原理：
二.2.1天线共用器分类：
按照收发信机的频率规划，以及双工方式的区别，天线共用器可以分为以下几种类型：
●同频双工
在这种情形下，TX和RX同时工作于同一工作频带内，只能通过类似环行器这样的铁氧体器件的单向传输特性来实现TX/RX的隔离，实现天线共用。
这一类天线共用器称为环行器型天线共用器。
●双频双工
在这种情形下，TX和RX分别工作于具有一定频率分隔的频带内，采用两个滤波器分别调谐在相应的频带内，采用Y结形式共用天线。
这一类称为滤波器型天线共用器，在实际使用中，通常也称为双工器。
●同频半双工
在这种情形中，TX和RX工作于同一频带，两者之间的隔离通过开关切换来实现，通常都是SPDT的开关。
这一类称为开关型天线共用器，通常简称为收发天线开关。
以下是几类天线共用器的比较
优点
应用举例
环形器型
无源：
无需外加电源
功率承受能力较大
典型的TX/RX隔离：
20dB，RX通常需要限幅器保护
极好的驻波特性
多普勒雷达
滤波器型
无源：
无需外加电源
功率承受能力较大
最好的无源互调特性
GSM，CDMA，WCDMA（FDD）
开关型
工作频带较宽
体积小，节省空间
PHS，TDS-CDMA，WLAN
通讯系统中，GSM，CDMA，以及WCDMA都是采用收发频分复用，相应地适用滤波器型天线复用器，即双工器；而PHS，TDS-CDMA以及WLAN都是采用了收发时分复用，相应地适用开关型天线复用器，即收发天线开关。
二.2.2双工器基本原理
基站/移动台双工工作的时候，通过天线共用器，使同一副天线得以同时提供给收发信机使用，并且又互不影响。
主要指的是发信对收信的影响，因为发信电平比收信电平高许多。
影响主要体现在两个方面：
第一是发信电平不能通过双工器泄入收信机。
强大的发信功率可能使收信前端电路重者烧毁，轻者阻塞。
因此，必须通过一系列抑制电路，将进入收信前端的电平抑制到阻塞电平以下。
这可以通过设置高性能的收信带通滤波器来实现；第二方面，防止发信机输出的边带外噪声进入收信机，形成对收信机的干扰。
这可通过设置发信带通滤波器加以解决。
上图为双工器的原理示意图。
由于收发信滤波器在距公共天线1/4波长处，故能保证两个滤波器互不影响，还能使发信信号只能输入天线，而不能输向收信机；收信信号只能由天线进入收信机，而无法进入发信机。
由于收信滤波器工作在收信频率上，收信频率可由天线无衰减地进入收信机，但它对发信频率起到短路作用。
经过λT/4传输线后，从天线向此传输线看入的阻抗为无穷大，所以由发信机来的信号不能进入终端短路的λT/4传输线，只能传向天线。
同理，由天线送入的收信信号无法进入终端短路的λR/4传输线，只能传向收信机。
1.双工器种类
根据构成双工器所使用的滤波器，可把双工器分为以下几类：
●带通双工器
如上图的结构，可以通过对谐振腔的个数以及谐振腔的尺寸进行调整来增减RX/TX之间的隔离。
这样的双工器在使得发射信号通过带通滤波器的同时，发射机的噪声和杂散也被带通滤波器大大衰减，这样有助于对共址的其他接收机的干扰。
带通型双工器最适合于中等以及较宽的收发频率间隔。
如果两个频率相隔很近，需要外加陷波滤波器或者天线分离。
●带阻双工器
发射机信号直接通过滤波器发射到天线，但是发射机的载波和噪声仅在接收支路的滤波器上得到衰减。
这样对于共址接收机来讲，干扰的衰减是很有限的。
带阻型双工器最适合于收发间隔非常接近的系统。
●带通/带阻双工器
这种双工器结合了上述两种双工器的特点。
2.基站/移动台双工器的比较
●基站以及配套用的直放站等设备，通常采用腔体滤波器构成的双工器。
同轴腔体滤波器采用耦合同轴腔结构，准椭圆函数方式实现，Q值高，具有较为理想的通带特性和阻带特性，过渡带陡峭，寄生通带远，它能提供小的插损和高的滤波性能，功率容量大。
机加工则采用数控铣床精密加工，表面处理采用铝板镀银工艺。
同时由于是同轴腔形式，性能指标和电磁兼容性是统一的。
腔体密封好，电磁辐射也小，这是通过机加工精度和合适的螺钉数量来保证的。
由于腔体基本上为一个整体，温度特性亦较好。
同时由于是微波无源部件，可靠性很高，MTBF应该大于200，000小时。
●移动台普遍采用了纯粹收发信窄带滤波器构成的双工器，其采用了多级谐振器作为选频器件，Q值较高，选频特性较好。
很多情况下都不采用原理图示的λT/4，λR/4传输线，也能获得高达60dB的隔离度，同时减少了传输损耗，对提高灵敏度有好处。
高性能滤波器往往由介质谐振器，LC滤波器，SAW滤波器等构成。
也构成了对应的介质双工器，LC双工器，SAW双工器，以及由Agilent公司专利持有的薄膜体声谐振器FBAR（利用压电材料薄膜中激励的体声波（而不是表面声波）做成的谐振器。
它具有频率高、体积小、效率高等优点，并且与半导体工艺兼容，容易与其它元器件集成）制作的双工器等。
二.2.3天线收发开关基本原理
在收发频率相同，收发信机按照特定的时隙轮流工作的情况下，为了共用天线，同时防止功放工作时低噪声放大器饱和，这就要求天线共用器具有开关功能。
在系统处于发信时隙时，关闭到收信机的射频通路，避免系统发信时功放信号泄露使其进入饱和区。
在PHS，TDS-CDMA，以及WLAN等射频前端中，无一例外的采用了SPDT开关作为天线收发控制。
按照系统对于收发时隙的间隔要求，通过基带处理部分产生特定时序的控制信号，在控制PA，LNA等前端部件的电源开关的同时，控制SPDT的在TX/RX之间轮流切换。
天线收发开关的种类
●反射型和吸收型的取舍
对反射型开关，在OFF状态下，端口驻波将不会是50欧姆，而是呈现很高的驻波比；而对于吸收型开关，在ON/OFF状态下，端口都呈现良好的驻波。
所以在开关选型的时候，必须考虑到各个状态下，端口驻波好坏对于系统的影响。
通常情况下，都是选用吸收型开关。
●GaAsFET型和SiPin型
Pin管构成的开关，是把PIN二极管作为阻抗可变的非线性元件（正向电流呈现低阻抗；反向电流呈现高阻抗），在10M以上的频率应用时，PIN内的载流子较之射频信号本身，变化非常慢，随着所加控制电压的不同，对外呈现不同的阻抗。
而GaAsFET开关则是把GaAsFET作为非线性元件（根据外加偏置的不同，晶体管处于全开/全关状态）。
两者的主要区别：
第一在于PIN开关能够承受很高的峰值功率（特别是脉冲射频输入的时候，功率主要限制于平均功率耗散）；而GaAs开关的功率容量更多决定于内部的峰值电压和电流。
一般而言，从功率容量考虑，PIN开关占优；
第二，GaAs开关的速度更快，ON/OFF的切换可以达到几个ns量级；而对于PIN开关，则要达到us的量级。
第三，GaAs对于信号的控制可以低到DC，而PIN开关由于自身的特性，很难控制10M以下的信号。
二.3选型
二.3.1双工器
1.选型原则
在选型过程中主要遵循以下设计思路及规则：
可实现性。
双工器模块的主要功能是同时完成信号的发射和接收，为了保证收发信号互不干扰的传输，双工器收发隔离度一定要高，各端口必须匹配良好，其插入损耗要小，以保证信号的发射和接收指标。
双工器的另一个功能是抗干扰和降低本系统对其他设备的干扰，故对其带外抑制的指标要求较高，且根据共站的需求各系统会有不同的要求。
由于传输的信号对线性度要求较高，特别是在多载波配置中，交调指标要达到系统要求。
双工器模块承受功率要满足系统要求。
双工器的性能指标和它的结构要求有直接的关系，故在设计时应充分考虑其机械性能，如尺寸要求，接头位置等。
双工器的温度稳定性也是一个重要的指标，不同的双工器，温度特性差别也较大，在选择双工器的实现形式时应多加注意。
可靠性和低成本。
目前的基站射频前端设计中，越来越多地考虑将双向定向耦合器（驻波检测）与双工滤波器集成在一个腔体结构中，以减少电缆外部连接，降低损耗，提高可靠性，降低成本。
2.指标分析
●工作频带
确定工作频带，基站系统的发射频率和接收频率已经确定，双工器的通道带宽应能保证发射信号和接收信号的顺利通过，同时考虑到收发抑制的实现难度和抗干扰性能的要求，频带亦不能定的太宽，否则干扰信号进入接收机，易造成信号阻塞，或使接收机载噪比变差，无法正常工作。
●插入损耗、通带纹波和带外抑制
对于插入损耗、通带纹波和带外抑制等几项指标应综合考虑，通常的原则是为了获得更好的带外抑制，势必需要牺牲带内插损，同时带来了通带纹波的提高。
插入损耗直接影响到基站的发射功率和接收灵敏度，对于通带内的插入损耗应尽可能的小。
而纹波反映了收发系统对于带内各频道处理特性的略微差别，也是越小越好。
而对于带外抑制指标的确定，需要从各方面加以考虑，除了收发抑制要求外，还应特别考虑本系统发射频段的杂散功率对其他系统的影响，以及其它系统的发射信号进入本系统接收信道，形成干扰信号，影响本系统。
例如在现在的CDMA网络建设中，由于使用的发射频段为870-880MHz，与GSM网络的接收频段890-915MHz相距很近，在两网天线共站址或面对面相距较近时，C网的发射信号及其发射杂散功率就会进入G网的接收机内，造成G网接收信道阻塞，或使其接收灵敏度恶化，网络质量下降，甚至瘫痪。
因此，在设计CDMA基站双工器时，就应充分考虑最坏情况对G网的影响，确定双工器在890-915M处的带外抑制，结合CDMA基站中各部件的实际指标和G网最小干扰电平的要求，经计算可得此频段抑制。
而G网也应考虑在最差情况下，C网的发射信号进入其接收前段，引起其载噪比变差，甚至信道阻塞，从而增加其接收前端滤波器的带外抑制，提高其系统的抗干扰能力。
●交调
IMD（IntermodulationDistortion）干扰是影响无线系统性能的重要因素之一。
通常认为IMD只能在有源电路中的非线性器件才能产生，其实在无源器件中也可能产生IMD，我们把它称为PIM。
产生PIM的几个主要原因在于：
1.射频路径上较差的异质材料连接;2.镀涂或者沉降（例如灰尘、金属、铁氧体质颗粒）的物质引起的。
这也是体现生产厂家工艺加工水平的一项重要指标。
PIM干扰对无线通讯系统有着极为重要的影响，它将降低整个通讯系统的C/I（Carrier-to-Interference），从而降低整个通讯系统的容量。
接收路径上：
只有当PIM大小低于系统热噪声底时，才能避免PIM对CDMA系统的影响。
以CDMA系统为例的热噪声功率为：
Pn=KTB=-174+10*log10（1.2288*106）=-113dBm
为了更好的满足系统的要求，我们将预留2dB的余量，因此只能当PPIM<-115dBm时，PIM才不会对CDMA系统造成影响。
在多载波配置的CDMA基站中，双工器交调指标要达到系统要求。
在发射路径上，只有当PIM小于发射机的临道泄漏，或者允许的其他杂散产物时，才能保证来之不易的PA的线性不会因双工器的引入而带来整个系统的线性恶化。
在现有条件下能够达到130dBc以上的PIM。
●功率容量
基站发射功率较大，一般单载波配置时会高达20-30W，多载波时功率会更大，双工器模块承受功率要满足系统要求，且应有一定的余量。
对于数字信号系统，一般会包括平均功率和峰值功率容量要求。
峰值功率=平均功率+PAR（峰均比）。
一般基站双工器的功率容量要求为1.5~2倍于功放最大平均发射功率，同时还应根据峰均比的要求，考虑峰值功率。
否则，会由于功率容量不够，带来腔体打火，可靠性下降甚至损坏的后果。
●端口驻波
双工器作为基站系统的一个模块，其各端口的驻波比要求要小，以使其和其他部件间匹配良好，减少信号损耗。
否则，轻则带来EIRP下降，有效灵敏度的下降，重则会由于较大的回波反馈带来系统的不稳定，导致
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