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超外差接收机.pdf

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.83M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    封面
    文摘
    英文文摘
    声明及学位论文使用授权声明
    1绪论
    2接收机
    3低噪声放大器设计
    4混频器设计
    5圆极化微带天线设计
    6实物制作和调试
    7结束语
    致谢
    参考文献
    南京理工大学硕士学位论文2.4GHz接收机射频前端设计姓名：郝盛申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：是湘全20060601
    摘要频率资源日趋紧缺，2．4GHzISM频段的接收机的设计和研究在无线通信领域具有十分重要的意义．本文详细深入的讨论了无线接收机的结构体系和射频接收前端中关键模块的原理、设计、测试工作。本文共分七章：第一章说明了课题背景，指出了2．4GHz接收机设计的重要意义，表明了本课题的主要工作；第二章系统阐述了常见的射频接收机结构体系和基本知识，在此基础上提出了本设计中接收机的总体指标和各功能模块的具体指标，并对其增益、选择性和变频性能进行了系统级仿真；第三章讨论了低噪声放大器的工作机理和主要的性能指标，并用射频电路权威仿真软件ADS进行了设计仿真，并达到预期的设计指标。第四章首先介绍了混频器的基本知识，系统介绍了无源微带混频器的工作原理，并用ADS对电桥平衡混频器进行了设计仿真。此外还设计了带增益的有源混频器。第五章对2．4GHz圆极化微带天线进行了设计仿真，在设计好天线单元的基础上，对2×2的微带天线阵进行了仿真设计。第六章对设计仿真的低噪声放大器、混频器和微带天线进行了加工制作和测试。第七章对本文所做的工作进行了总结，并指出了需要继续完善的工作。本文中的2．4GHz射频接收前端设计是基于教研室2．4GHz无线传输的预研项目，具有很好的应用前景。本文中的低噪声放大器由于采用了源极负反馈电路形式，所以在较宽的带宽内均有较好的噪声性能，本文中的圆极化微带天线采用按顺序旋转组阵技术来展宽带宽，采用侧馈的馈电形式，由于采用了阵列技术及宽频带技术使其在组阵后综合性能得到了极大的提升。·关键字：接收机，低噪声放大器，混频器，圆极化微带天线
    AbstractWhenthesourceofspectrumbecomingmoreandmorescarce，thedesignandresearchofthereceiverworkingin2．4GHzISMfrequencyrangeisveryimportantinthefieldofwirelesscommunication．ThispaperfocusesonthethearchitectureofRFreceiverandthekeypartsintheRFreceivefront—end．includingthetheory，designandtestofthispart，eachallindetails．Therearesevenchaptersiuthispaper．Inthefirstchapter，theauthorshowthebackgroudofthistopic，pointouttheimportanceofthedesignof2．4GHzreceiver，andsaythemaintaskofthispaper；thentheauthorsystemataciallyelucidatetheAMofRF&commonarchitecturesofRFreceiverinthesecondchapter，basedthis，thecollectivitytargetsofthereceiverandtheperformancefeaturesofeverypartaregiven，thentheselectivity，gainandperformanceofthemixerofthereceiverwereallsimulated；inthethirdchapter，theauthordiscusstheworkingelementandmainperformancefeaturesofthelownoiseamplifier(LNA)．thendesigntheLNAwiththe^DS—_aauthoritativeelectronicemulatesoftwareusedinradiofrequency．andmaketheLNAmetallpredesignfeatures：inthefourthchapter，theco咖ensenseofmixerfirstbeenintroduce，then，thetheoryofhowthemixerworkswasdissertatedsystemically，andthenthehybirdbalancemixerwasdesignedbyusingADS：thedesignandsimulationofthe2．4GHZcircularlypolarizedmicrostripantennawasdoneinthefifthchapter，afterdesigningtheunitmicrostripantenna，thesimulationofthe2X2arraywasalsodone；inthesixthchapterthedesignedLNA、mixerandmicrostripantennaweremadeandtested；inthelastchapter，allworkwereconcluded，andthefollowtaskwerebroughtforward．The2．4GazRFreceivefront—endinthispaperisapartofthelabprojectof2．4GHZwirelessvideotransmission。itwillhaveaverygoodappiicationforeground．TheLNAinthispaperisdesignedinthewayofsourcegrouding．SOithasaverygoodNFinawideband：theCPmicrotripantennainthepaperusethesequentialrotatedmethodtospreadtheband，itsfeedwayissidefeed，becausearraymethods&broadbandwidthmethodsisused，itperformaceswell．Keywords：receiver，LNA，mixer，CPmicrostripantennaII
    声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：^易年占月1日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：c：2-舻钥旧
    硕士论文2．461tz接收机射频前端设计1绪论1．1课题背景及其意义近几年来，由于移动通信产业的蓬勃发展，使得无线通讯的技术与研究也日渐成长，更带动了无线数据通讯的想法。能否将目前相当成熟的无线通讯技术应用到网际网络的服务上，以无线的传输方式取代传统网络所依赖的有线接入，成为了当今国内外移动通信运营商，设备供应商，科研机构和高校纷纷研究的重要课题。随着无线通信技术的发展，宽带无线接入技术得到了快速发展和应用，如无线局域网，蓝牙技术(Bluetooth)等，这些技术不仅可以商用，通过改进，还可以广泛应用到军事通信，如数字头盔等设备。近年来，随着电信市场的开放和通信与信息产业技术的快速发展，各种高速率的宽带接入不断涌现，而宽带接入系统凭借其建设速度快、运营成本低、投资成本回收快等特点，受到了电信运营商的青睐。目前宽带无线接入技术的发展极为迅速；各种微波、无线通信领域的先进手段和方法的不断引入，各种宽带固定无线接入技术迅速涌现，包括3．5GHz频段中宽带无线接入系统、266Hz频段L^DS系统和无线局域网WLAN等。宽带固定无线接入技术的发展趋势是：一方面充分利用过去未被开发、或者应用不是很广泛的频率资源(如2．4GHz、3．5Gllz、5．8GHz、26GHz、30GHz、38GHZ甚至60GHz的工作频段)，实现尽量高的接入速率；另一方面融合微波和有线通信领域成功应用的先进技术如高阶QAM(如64QAM、128QAM)调制、ATM、OFDM、CDMA、IP等，以实现更大的频谱利用率、更丰富的业务接入能力和更灵活的带宽分配方法。WLAN与蓝牙、HomeRF、通用分组无线业务(GPRS)、CDMA、3G、3．5GHz、5GHz、5．8GHz无线接入、本地多点分配业务(LMDS)等主流的无线通信系统具有竞争和互补关系。作为极有前景的通信技术，无线局域网络技术(EAN)和蓝牙技术现在已经可以在企业中实施了．目前，无线数字通信的应用越来越广泛。接收机作为通信系统的重要组成部分，正面l临着高工作频率、高集成度、低电压、低功耗、低价格的挑战。要提高接收机的集成度，关键是提高接收机中模拟前端的集成度。目前常见的接收机前端结构有超外差、零中频、低中频、宽带中频和镜像抑制接收机等，数字中频接收机也逐步应用到设计中。超外差式接收机是大多数接收系统中最常用的结构。在超外差接收系统中，接收信号经过或不经过放大，进入混频器变换成中频，检波器再将基带信号提取出来。再某些应用中，特别是毫米波的应用，单级下变频因同时接收镜频导致接收性能极差，而两级交频的超外差接收机可获得较好的接收性能。本文所阐述的2．4GHz接收机就是可应用于无线局域网或蓝牙网络的无线通讯设备，具有很好的应用前景，本接收机采用两次外差结构，实现简单且性能较好。
    硕士论文2．4GHz接收机射频前端设计1．22．4GHz信道的重要意义影响现代无线通信发展的一个重要因素，就是不可再生的频谱资源。通常，为保证通讯的正常进行，该资源由一国政府统一管理。各国政府的电信管理部门组成ITU，负责对全球无线电频谱的使用进行协调和分配，其下属的全球无线电管理委员会(WARC)专门负责频谱资源的划分。在第二代移动通信系统(800／900唧z)大量发展的基础上，为扩大容量并兼顾成本和市场，1992年，WARC为未来的移动通信业务和卫星移动通信业务划分和扩展了新的工作频段，以支持无线通信的发展。其中，对未来移动通信频谱分段的决定如下：1710姗z-2690MHz，在世界范围内灵活应用，鼓励移动业务使用：1885瑚z一2025硼z和2110MHz一2200姗z，用于I～ff2000协调和发展世界范围的移动通信。1980MHz-2010姗z(上行)和2170姗z一2200心z(下行)用于第三代移动通信的移动卫星通信业务。为了促进无线局域通信应用的发展，美国联邦通信委员会(FCC)于1985年开放了9．02GHz，5．8GHz及2．4GHz---个ISM(工业、科学和医疗)频段，允许在低发射功率下无执照使用这些频段。1991年，欧洲无线电委员会(ERC)也公布了一组无线局域网建议频段，分别是：2．4GHz，5．8GHz，17．IGHz，24GHz和60．2GHzIsM频段。我国无线电委员会也规定了2．4GHz一2．5GHz频段将应用于未来移动通信和无线接入应用。1．3本课题的主要工作本文较为详细的分析了各种接收机结构，重点讨论2．4GHz二次变频接收机的仿真、设计和实现，具体阐述了低噪放、混频模块和微带圆极化天线阵的设计、仿真、制作和测量，并讨论各模块实现中遇到的实际问题及其解决方案。2
    硕士论文2．4GHz接收机射频前端设计2接收机2．1接收机的结构2．1．1超外差式接收机●●--。‘。--————————--●●—————·----———-———-————+●●—--——--—---———-—·—-●-射频中频基带Q图2．1．1．1超外差接收机原理框图超外差式接收机是传统的接收机结构(框图结构见图2．1．L1)，该结构自1917年由Armstrong发明，该结构中使用了中频，因此又称为中频接收机。它具有成熟的理论基础和实践背景，获得了非常广泛的应用。然而，该结构需要使用高阶带通滤波器，用于抑制镜像信号，因此难以集成。超外差式接收机可以采用在最后一级正交下变频到基带的结构。该结构用低通滤波器代替带通滤波器实现信道选择，提高了接收机的集成度。正交变频也可以应用在中频，在正交变频之后，两路信号相加，构成镜像抑制结构，降低了对镜像抑制滤波器的要求。此外，还可以使用上变频的方法，改进超外差式接收机的集成度。此时镜像信号的频率高于有用信号的频率，当两者的频率间隔很大时，可以方便地用低通滤波器滤除镜像信号，然后继续处理。但当接收信号的频率较高时，VCO的设计变得比较困难。总体来说，超外差式接收机离不开具有良好选频特性的滤波器。这样的滤波器只能在片外实现，超外差式接收机无法集成，不适合单片接收杌系统的应用。但因为超外差体系结构通过适当的选择中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度，所以被认为是最可靠的接收机拓扑结构。该结构可用与为2．4GazISM频段应用而设计的接收机系统中。3
    碰士论文2．4GHz接收机射频前端设计2．1．2零中频接收机射频QI圈2．1．2．1零中频接收机原理框图提高接收机集成度的关键在于去掉分立元件，主要是中频滤波器。零中频接收机(也称为直接变频接收机)的思想是，跳过中频，将信号直接从射频变换到基带。这种结构的好处显而易见。首先，不需要中频滤波器，因此集成度大大提高；其次，由于信号下变频到基带，因此可以使用低通滤波器代替带通滤波器来选择信号，从而简化了滤波器的设计；由于镜像信号就是接收信号本身，也就是说，两者的动态范围相同，因此对镜像信号抑制的要求大大降低；最后，接收机的结构简单，功耗自然降低。正因为这些优点，近年来该结构得到了迅速发展，成为集成接收机设计的主要选择之一。然而，在提高集成度的同时，也引入了许多问题。接收机中混频器的射频输入、本振输入和中频输出端口之间的隔离度有限，因此某一端口的信号会泄漏到其它端口。本振信号还可能泄漏到天线，反射回混频器的射频端口。本振信号的自混频产生时变的直流寄生失调，当本振信号和射频载波频率相同时，这一直流失调可能造成后级的增益饱和，而淹没有用的信号。除此以外，CMOS电路1／f噪声的拐点频率可以很容易达到1MHz以上，干扰接收信号的低频分量，降低接收机的信噪比。与超外差式接收机相比，零中频接收机还受到偶次谐波失真的影响。偶次失真主要集中在基带附近，在超外差式接收机中，信号下变频到中频，可以通过带通滤波器消除这一干扰，而在零中频接收机中，该失真量则和有用信号混迭在一起。采用差分形式的电路结构，能在很大程度上消除偶次谐波失真，减小它的影响。为了实现镜像信号和有用信号的分离，零中频接收机须采用双路正交下变频的结构。而双路结构存在着匹配问题，当两路失配时，会影响接收信号的质量。在电路版图设计中，通过对称布局等方
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