5G射频前端标准模块设计

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本文基于第五代移动通信系统对射频接收前端模块进行了标准化研究设计。第五代移动通信技术也是移动发展的必然趋势,大规模MIMO技术以及更高频段的使用是5G的核心技术,对未来的移动通信设备提出了更高的要求,也对射频前端的设计带来了一定的难度。在5G高频段尤其是毫米波频段的应用中,天线与射频电路之间馈线的损耗较大,减少信号在传输过程中的损耗是我们需要考虑的重点。基于此,本文提出了将5G射频前端模块标准化的模型,将天线模块与射频电路无限接近,设计了射频前端的单通道模块,使天线接收的信号能够直接进入到射频电路中经过放大以及混频处理后完成下变频功能从而输出可以直接利用的中频信号。同时减少了天线与射频电路之间的馈线连接,使其形成一个完整的模块,避免了天线到射频电路时信号的损耗,也能够使其作为天线阵元根据不同的应用场景及要求,灵活地对模块进行任意组合,从而构成能够应用于各种场景所需要的阵列天线。本文从5G移动通信系统出发,对射频前端接收系统进行了研究与设计。设计过程中,根据5G移动通信发展的特点、5G关键技术研究以及接收机系统的架构等进行了理论研究,对所设计的天线以及射频接收前端提出了功能要求,并对相关指标进行了分析确定。在理论分析的基础上制定了设计方案,将系统分成天线、放大器以及下变频器三个部分进行设计。本文中天线部分选用微带天线的形式,利用单点馈电的方式实现天线的圆极化,利用ANSOFT HFSS对天线模块进行了模型优化以及指标仿真,最终所设计的天线工作频率在4.9GHz,带宽300MHz,中心频点处正方向增益为6.95d B。射频接收通道采用一次下变频的方式进行了方案设计、指标确定以及器件选型等工作,并对射频电路系统进行了链路各项指标的预算及仿真设计,完成了射频电路的原理图设计、版图设计以及实物测试。射频电路的工作频段为4.9GHz,带宽200MHz,本振信号为4.5GHz,输出中频频率为400MHz,系统增益为31.83d B,噪声系数4.2d B。经过实物加工与测试,验证了方案的可行性,各项指标满足设计要求,各模块输出信号以及系统的下变频功能符合预期的效果。该模块经集成电路设计后,可为5G接入天线和基站天线阵列提供标准单元。
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