CN104243062A - 上行系统以及改善上行系统性能的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种上行系统以及改善上行系统性能的方法和系统，本发明在上行系统中的双工器和低噪声放大器之间搭建匹配网络，所述匹配网络的搭建参数通过如下步骤获取：分别获取双工器和低噪放的阻抗参数以及散射网络参数；根据获取的参数计算出匹配网络的目标阻抗参数以及目标散射网络参数；建立匹配网络模型，对匹配网络模型进行仿真，当匹配网络模型的仿真结果与所述目标参数相符时，根据当前匹配网络模型导出匹配网络的搭建参数。本发明实现了双工器与低噪声放大器的匹配，既保证了上行系统输入端口驻波比满足系统要求，同时实现了系统的低噪声系数。本发明匹配网络搭建参数的获取方法简单、易于实现，且保证了较高的精度。
Description
【技术领域】
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种上行系统以及改善上行系统性能的方法和系统。
【背景技术】
无线通信中的上行系统如图1所示。
如图1所示，天线接收来自移动台微弱的RF(Radio Frequency，射频)信号，RF信号进入射频前端进行变频处理，得到IF(Intermediate Frequency，中频)信号，IF信号经过IF处理，滤除射频前端的RF和LO(Line Out，线路输出)信号，最后进入基带处理，解调得到移动台的信息。
由于天线接收到的移动台RF信号是很微弱的，为了提高上行系统的接收灵敏度，必须保证上行系统输入端口的电压驻波比(VSWR)以及上行系统的噪声系数(NF)等指标性能。输入端口电压驻波比越小、系统噪声系数越低，系统的接收灵敏度越高，系统处理微弱RF信号能力越强。
上行系统的关键指标是上行系统的噪声系数，而对上行系统噪声系数影响最大的是系统的第一级，即射频前端，射频前端又以第一级的双工器和第二级的低噪声放大器最为重要。
在图1所示的射频前端中，第一级的双工器，一般采用同轴腔体的方式，其优点是频带内的插入损耗小，带外的抑制能力强，其输入电压驻波比好(1.2左右)；
第二级的低噪声放大器，其输入匹配网络是为了获得最低噪声系数而设计的，而其输出匹配网络则是为了获得最大传输功率而设计的。因此，低噪声放大器的输入匹配网络，存在着某种失配，表现为低噪声放大器的输入电压驻波比差(一般为1.6，高频段甚至为2)。
当双工器与低噪声放大器连接时，由于低噪声放大器的影响，双工器输入端出现电压驻波比恶化(一般为1.7，高频甚至为2)，不能满足上行系统输入电压驻波比小于1.5的要求。
【发明内容】
基于此，本发明通过搭建匹配网络实现上行系统中双工器与低噪声放大器的匹配，使上行系统的输入端口的电压驻波比以及噪声系数都能够符合技术指标，满足了无线通信系统对上行系统的指标要求，同时匹配网络搭建参数的获取方法简单、效率高，且易于实现。
本发明实施例的内容如下：
一种改善上行系统性能的方法，在上行系统中的双工器和低噪声放大器之间搭建匹配网络，所述匹配网络的搭建参数通过如下步骤获取：
分别获取上行系统中双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数；
根据获取的双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数，计算出匹配网络的目标阻抗参数以及目标散射网络参数；
建立匹配网络模型，对所述匹配网络模型进行仿真，获取仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数；
调整所述匹配网络模型，当所述匹配网络模型的仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数与所述目标阻抗参数以及目标散射网络参数相符时，根据当前匹配网络模型导出匹配网络的搭建参数。
一种改善上行系统性能的系统，包括搭建参数生成模块，所述搭建参数生成模块用于获取在上行系统中的双工器和低噪声放大器之间搭建的匹配网络的搭建参数，所述搭建参数生成模块包括：
获取模块，用于获取上行系统中双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数；
计算模块，用于根据获取的双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数，计算出匹配网络的目标阻抗参数以及目标散射网络参数；
建模模块，用于建立匹配网络模型，对所述匹配网络模型进行仿真，获取仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数；
导出模块，用于在调整所述匹配网络模型后，当所述匹配网络模型的仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数与所述目标阻抗参数以及目标散射网络参数相符时，根据当前匹配网络模型导出匹配网络的搭建参数
一种上行系统，包括射频前端模块，所述射频前端模块包括双工器和低噪声放大器，还包括使所述双工器和低噪声放大器的阻抗参数相匹配的匹配网络，所述匹配网络连接在所述双工器和所述低噪声放大器之间。
本发明的上行系统通过在双工器与低噪声放大器之间增加一个匹配网络，使得双工器的上行输出端口与低噪声放大器的输入口实现了匹配，既保证了上行系统输入端口驻波比满足系统要求，同时实现了系统的低噪声系数。
本发明的改善上行系统性能的方法和系统，简单方便，易于实现，且保证了较高的精度。
【附图说明】
图1为现有技术中上行系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中改善上行系统性能方法的示意图；
图3为本发明实施例中获取匹配网络搭建参数的方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中匹配网络参数获取方法的另一示意图；
图5为本发明实施例中MAFI6251B5射频接头插入PCB板的截面示意图；
图6为本发明实施例中匹配网络加入电抗微带线后的俯视示意图；
图7为本发明实施例中匹配网络的等效电路图；
图8为本发明实施例中匹配网络加入上行系统后系统仿真的噪声系数示意图；
图9、图10为本发明实施例中加入匹配网络的上行系统实物测试结果示意图；
图11为本发明实施例中搭建参数获取模块的结构示意图；
图12为本发明实施例中对插射频插头插入PCB后PCB板底层的示意图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施例对本发明的内容作进一步的阐述。
参照图1，现有的上行系统中，双工器与低噪声放大器连接时，由于低噪声放大器的影响，双工器的输入端口电压驻波比恶化，不能满足上行系统的要求。
本实施例提供一种改善上行系统性能的方法，如图2所示，在上行系统中的双工器和低噪声放大器之间搭建匹配网络，使双工器的上行输出端口和低噪声放大器的输入口实现匹配，既保证了上行系统输入端口驻波比满足系统要求，又实现了系统较低的噪声系数。
如图3、图4所示，其中所述匹配网络的搭建参数通过如下步骤获取：
S110分别获取上行系统中双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数；
S120根据获取的双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数，计算出匹配网络的目标阻抗参数以及目标散射网络参数；
S130建立匹配网络模型，对所述匹配网络模型进行仿真，获取仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数；
S140调整所述匹配网络模型，当所述匹配网络模型的仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数与所述目标阻抗参数以及目标散射网络参数相符时，根据当前匹配网络模型导出匹配网络的搭建参数。
具体的，为了得到匹配网络的搭建参数，首先需要获取双工器的阻抗参数[Z]A以及散射网络参数[S]A、低噪声放大器的阻抗参数[Z]C以及散射网络参数[S]C；
然后基于微波阻抗匹配理论以及微波网络理论，根据获取的双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数，计算出匹配网络的目标阻抗参数[Z]B以及目标散射网络参数[S]B，使得双工器阻抗参数[Z]A通过匹配网络目标阻抗参数[Z]B后与低噪声放大器阻抗参数[Z]C相匹配；
接收电路模型(即匹配网络模型)，该电路模型是根据匹配网络的目标阻抗参数[Z]B以及目标散射网络参数[S]B，利用电学元件结合系统的实际设计要求设计出来的，例如电感与电容的串并联组合电路，对该电路模型进行仿真，调整电路参数，可获取满足需求的匹配网络模型，该满足需求的匹配网络模型的阻抗参数和散射网络参数分别与对应的目标阻抗参数[Z]B以及目标散射网络参数[S]B相吻合；
根据生成的匹配网络模型，即可导出搭建匹配网络所需要的搭建参数。
按照导出的搭建参数，搭建实际的匹配网络，将该匹配网络加入上行系统，分别与双工器和低噪声放大器连接，即可实现两者的匹配，阻抗匹配后的双工器和低噪声放大器，使得上行输入端口的电压驻波比得到有效改善，同时系统较低的噪声系数也能满足要求，整体上改善了上行系统的性能。
下面结合一个具体的匹配网络，详细介绍本发明的内容。
在本实施例中，上行系统工作频段为2.500GHz～2.570GHz，系统要求输入电压驻波比小于1.4，噪声系数小于2.5dB。
更具体的，在本实施例中，上行系统中的双工器为同轴双工器，低噪声放大器及其他电路采用四层PCB结构，双工器与低噪声放大器采用对插射频接头MAFI6251B5连接。
为了实现双工器与低噪声放大器的匹配，本实施例利用插入至PCB板的对插射频接头构建匹配网络。
对插射频接头包括内导体、接头介质以及外导体。MAFI6251B5射频接头插入PCB的横截面如图5所示。其中PCB板底部设有空气盒，该空气盒罩住穿出PCB板部分的接头内导体，其目的是为了防止射频接头短路。在图5中，D4为PCB板底层铜箔到接头内导体的直径(参照图12所示，接头内导体穿过PCB板，PCB板底层有一圆形无铜箔区域，即底层铜箔与接头内导体的缝隙，该区域的直径为D4，PCB板中间层与底层情况相同)，h6为接头内导体剩余长度(即接头内导体穿出PCB板后剩余部分的长度)，h7为底部空气腔的高度(由空气盒形成的空气腔的高度)，这三个参数都是可调的，为了搭建完整的匹配网络，需要通过仿真获取这些搭建参数。
首先需要获取双工器的阻抗参数[Z]A以及散射网络参数[S]A，并获取低噪声放大器的阻抗参数[Z]C以及散射网络参数[S]C；
根据获取的双工器和低噪声放大器的参数，计算出匹配网络的阻抗参数[Z]B以及散射网络参数[S]B，使得双工器阻抗参数[Z]A通过匹配网络阻抗参数[Z]B后与低噪声放大器阻抗参数[Z]C相匹配；
按照图5所示的连接关系搭建电路模型，当该电路模型的仿真结果满足目标阻抗参数[Z]B及目标散射网络参数[S]B时，该电路模型即为满足需求的匹配网络模型，此时导出参数D4、h6、h7，即可据此搭建实际的匹配网络。
如图6所示，且参照图5，在本实施例中，为了增加调谐范围，在对插射频接头MAFI6251B5的内导体与内导体对应相对应的PCB板微带线(常见为50Ω微带线)之间增加了一段电抗微带线，即对插射频接头的内导体连接该电抗微带线，该电抗微带线连接PCB板微带线，然后再通过PCB板微带线与低噪声放大器连接。图6中示出了电抗微带线的连接关系，在PCB板的顶层，电抗微带线一端与接头内导体连接，另一端与50Ω微带线连接，该电抗微带线的宽度为w2，长度为L1。
参见表一，图5、图6中所示出的各项参数具体说明如下：
| 参数 | 说明 | 属性 |
| D1 | MAFI6251B5接头外导体直径 | 固定 |
| D2 | MAFI6251B5接头介质的直径 | 固定 |
| D3 | MAFI6251B5接头内导体直径 | 固定 |
| D4 | PCB板底层铜箔到接头内导体的直径 | 可变 |
| h1 | MAFI6251B5接头介质层的厚度 | 固定 |
| h2 | 接头距PCB的距离(防止短路) | 固定 |
| h3 | PCB板介质层的厚度 | 固定 |
| h4 | PCB板介质层的厚度 | 固定 |
| h5 | PCB板介质层的厚度 | 固定 |
| h6 | MAFI6251B5接头内导体剩余长度 | 可变 |
| h7 | 底部空气腔高度 | 可变 |
| w1 | 50Ω微带线的宽度 | 固定 |
| w2 | 电抗微带线的宽度 | 可变 |
| L1 | 电抗微带线的长度 | 可变 |
表一 各项参数说明
其中，D4、h6、h7、w2、L1都是可调的。
将在PCB板中的接头内导体视为销钉插入介质，等效为电感，而D4的变化，改变了等效电感的大小，因此接头内导体在PCB介质中等效为一个可变的电感。接头内导体在空气盒中，等效为电抗，电抗微带线等效为电抗，根据等效电抗表达式的虚部(或者负载电流与电压的相位差)可判段是容抗或是感抗。最后，MAFI6251B5射频接头和电抗微带线的一种等效电路如图7所示。
从图7所示的等效电路图可以看出，通过调整等效电感的感抗值和等效电容的容抗值，就可以实现双工器与低噪声放大器的匹配，从而使得上行系统输入端口驻波比满足要求。且匹配过程中只引入了电抗，无额外损耗，对低噪声放大器噪声系数影响很小，使得上行系统工作在高频段时噪声系数也能满足要求。
按照上述的结构生成电路模型，然后进行软件仿真，通过调试、修正D4、h6、h7、w2、L1这几项参数，使得电路模型的仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数符合目标阻抗参数以及目标散射网络参数，然后导出搭建参数D4、h6、h7、w2、L1，按照具体的搭建参数值，生成实际的匹配网络，并将其加入至上行系统，完成对上行系统性能的改善工作。
还可以将匹配网络模型加入上行系统进行系统仿真，获得系统噪声系数，仿真结果如图8所示，可以看出工作频率为2.500GHz时，系统噪声系数为2.072dB，工作频率为2.570GHz时，噪声系数为1.916dB，而在中间的频率范围内，噪声系数最大为2.130dB(此时对应的上行系统工作频率为2.516GHz)，均满足上行系统噪声系数小于2.5dB的要求。
对最终加入了匹配网络的上行系统进行实物测试，测试结果如图9和图10所示。图9显示了电压驻波比的测试结果，上行系统要求的工作频段为2.500GHz～2.570GHz，在该频段范围内，可以看出输入电压驻波比均小于1.4，满足了上行系统的要求；图10显示了噪声系数的测试结果，从噪声曲线可以看出，上行系统工作频率为2.500GHz(对应的中频信号频率149.32MHz)时，对应的噪声系数最大，为2.101dB，上行系统工作频率为2.570GHz时(对应的中频信号频率219.32MHz)，对应的噪声系数为2.081dB，而在中间工作频率范围内，对应的噪声系数均较低，中频信号频率为184.32MHz时，对应的噪声系数仅为1.760dB，由此可见，加入匹配网络后的上行系统满足了噪声系数小于2.5dB的要求。
综上所述，本发明在上行系统中的双工器与低噪放之间增加一个匹配网络，使得双工器的上行输出端口与低噪声放大器的输入口实现了阻抗匹配，既保证了上行系统输入端口电压驻波比满足系统要求，同时实现了系统的较低的噪声系数。
本发明提供的匹配网络，采用较低的成本、简单的搭建放法就能实现双工器与低噪声放大器的匹配，有效改善了上行系统的输入端口电压驻波比。
本发明的有益效果包括：
1、实现双工器与低噪声放大器的匹配，上行系统输入端口的电压驻波比能达到小于1.4的要求；
2、匹配过程中，只引入电抗，无额外损耗，对低噪声放大器噪声系数影响很小，使得上行系统工作在高频段时噪声系数也能满足要求，在2.5GHz～2.57GHz频段，系统噪声系数小于2.3dB；
3、匹配网络搭建参数的获取方法简单、效率高，易于实现。
本发明还提供了一种改善上行系统性能的系统，如图11所示，该系统包括搭建参数生成模块，所述搭建模块用于获取在上行系统中的双工器和低噪声放大器之间搭建的匹配网络的搭建参数，所述搭建参数生成模块包括：
获取模块110，用于获取上行系统中双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数；
计算模块120，用于根据获取的双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数，计算出匹配网络的目标阻抗参数以及目标散射网络参数；
建模模块130，用于建立匹配网络模型，对所述匹配网络模型进行仿真，获取仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数；
导出模块140，用于在调整所述匹配网络模型后，当所述匹配网络模型的仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数与所述目标阻抗参数以及目标散射网络参数相符时，根据当前匹配网络模型导出匹配网络的搭建参数。
在一种具体实施方式中，所述建模模块获取的匹配网络模型还包括插入至PCB板的对插射频接头，所述导出模块导出的搭建参数包括PCB板铜箔到接头内导体的直径D4、接头内导体剩余长度h6以及底部空气腔高度h7。
进一步的，所述建模模块130获取的匹配网络模型还包括电抗微带线，所述电抗微带线一端连接所述对插射频接头的内导体，另一端连接至与所述低噪声放大器相连的PCB板微带线，所述导出模块140导出的搭建参数还包括所述电抗微带线的宽度w2和长度L1。
上述的改善上行系统性能的系统可以通过所述搭建参数获取模块获取匹配网络的搭建参数，获取过程简单，效率较高，易于实现，根据获取的搭建参数可以搭建出实际的匹配网络，将该匹配网络连接在上行系统中的双工器和低噪声放大器之间，可实现两者的匹配，保证了系统输入端口较低的电压驻波比，也能保证系统较低的噪声系数，因此能显著提高上行系统的性能。
上述的改善上行系统性能的系统，其各个模块功能的实现可参考上述的方法，此处不进行赘述。
本发明还提供一种上行系统，包括射频前端模块，射频前端模块包括双工器和低噪声放大器，还包括使所述双工器和低噪声放大器的阻抗参数相匹配的匹配网络，所述匹配网络连接在所述双工器和所述低噪声放大器之间。
在一种具体实施方式中，所述匹配网络包括插入至PCB板的对插射频接头。
进一步的，所述匹配网络还包括电抗微带线，所述电抗微带线一端连接所述对插射频接头的内导体，另一端连接至与所述低噪声放大器相连的PCB板微带线。
较佳的，所述PCB板为四层PCB板。
该上行系统通过在双工器和低噪声放大器之间添加匹配网络，使得双工器与低噪声放大器实现阻抗匹配，既能降低系统输入端口的电压驻波比，又能保证系统较低的噪声系数，因此该上行系统具有较高的性能。
上述上行系统各部件、单元其具体实现可参考上述的改善上行系统性能的方法及系统，此处不在进行赘述。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种改善上行系统性能的方法，其特征在于，在上行系统中的双工器和低噪声放大器之间搭建匹配网络，所述匹配网络的搭建参数通过如下步骤获取：
分别获取上行系统中双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数；
根据获取的双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数，计算出匹配网络的目标阻抗参数以及目标散射网络参数；
建立匹配网络模型，对所述匹配网络模型进行仿真，获取仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数；
调整所述匹配网络模型，当所述匹配网络模型的仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数与所述目标阻抗参数以及目标散射网络参数相符时，根据当前匹配网络模型导出匹配网络的搭建参数。
2.根据权利要求1所述的改善上行系统性能的方法，其特征在于，所述匹配网络模型包括插入至PCB板的对插射频接头，所述对插射频接头的内导体穿出PCB板的底层，所述PCB板的底层具有空气盒，所述空气盒罩住所述对插射频接头穿出PCB板底层部分的内导体，所述搭建参数包括所述内导体穿出PCB板后在PCB板底层形成的圆形无铜箔区域的直径、所述内导体穿出PCB底层后剩余部分的长度以及所述空气盒形成的空气腔的高度。
3.根据权利要求2所述的改善上行系统性能的方法，其特征在于，所述匹配网络模型还包括电抗微带线，所述电抗微带线一端连接所述对插射频接头的内导体，另一端连接至与所述低噪声放大器相连的PCB板微带线，所述搭建参数还包括该电抗微带线的宽度和长度。
4.一种改善上行系统性能的系统，其特征在于，包括搭建参数生成模块，所述搭建参数生成模块用于获取在上行系统中的双工器和低噪声放大器之间搭建的匹配网络的搭建参数，所述搭建参数生成模块包括：
获取模块，用于获取上行系统中双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数；
计算模块，用于根据获取的双工器和低噪声放大器的阻抗参数以及散射网络参数，计算出匹配网络的目标阻抗参数以及目标散射网络参数；
建模模块，用于建立匹配网络模型，对所述匹配网络模型进行仿真，获取仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数；
导出模块，用于在调整所述匹配网络模型后，当所述匹配网络模型的仿真阻抗参数以及仿真散射网络参数与所述目标阻抗参数以及目标散射网络参数相符时，根据当前匹配网络模型导出匹配网络的搭建参数。
5.根据权利要求4所述的改善上行系统性能的系统，其特征在于，所述建模模块获取的匹配网络模型包括插入至PCB板的对插射频接头，所述对插射频接头的内导体穿出PCB板的底层，所述PCB板的底层具有空气盒，所述空气盒罩住所述对插射频接头穿出PCB板底层部分的内导体，所述搭建参数包括所述内导体穿出PCB板后在PCB板底层形成的圆形无铜箔区域的直径、所述内导体穿出PCB底层后剩余部分的长度以及所述空气盒形成的空气腔的高度。
6.根据权利要求5所述的生成上行系统中匹配网络搭建参数的系统，其特征在于，所述建模模块获取的匹配网络模型还包括电抗微带线，所述电抗微带线一端连接所述对插射频接头的内导体，另一端连接至与所述低噪声放大器相连的PCB板微带线，所述导出模块导出的搭建参数还包括所述电抗微带线的宽度和长度。
7.一种上行系统，包括射频前端模块，所述射频前端模块包括双工器和低噪声放大器，其特征在于，还包括使所述双工器和低噪声放大器的阻抗参数相匹配的匹配网络，所述匹配网络连接在所述双工器和所述低噪声放大器之间。
8.根据权利要求7所述的上行系统，其特征在于，所述匹配网络包括插入至PCB板的对插射频接头，所述对插射频接头的内导体穿出PCB板的底层，所述PCB板的底层具有空气盒，所述空气盒罩住所述对插射频接头穿出PCB板底层部分的内导体，所述搭建参数包括所述内导体穿出PCB板后在PCB板底层形成的圆形无铜箔区域的直径、所述内导体穿出PCB底层后剩余部分的长度以及所述空气盒形成的空气腔的高度。
9.根据权利要求8所述的上行系统，其特征在于，所述匹配网络还包括电抗微带线，所述电抗微带线一端连接所述对插射频接头的内导体，另一端连接至与所述低噪声放大器相连的PCB板微带线。
10.根据权利要求8或9所述的上行系统，其特征在于，所述PCB板为四层PCB板。
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