井下通讯电路设计技术
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★科技创新★
矿井移动手机的射频电路设计
董 文1)
孙继平1)
吴海彪2)
(
1.中国矿业大学(北京)信息工程研究所
,北京市海淀区
,100083;
2.铁法煤业(集团)有限责任公司大兴矿
,辽宁省调兵山市
,112701)
摘 要
TRF6900是一片高集成、低功耗的单工双向
FM/FSK射频收发芯片
,其工作电
压可以低至
2.2V,且采用特殊低功耗设计
,非常适合于井下电池供电的移动通信系统。给出
了
TRF6900应用于矿井移动手机中的接口电路
,根据高频仿真设计软件
SerenadaSV8.5对
TRF6900的输入和输出进行阻抗匹配设计
,论述了
TRF6900的频率设定原则。
关键词 矿井移动通信 TRF6900芯片 阻抗匹配
1 引言
矿井巷道属于限定空间
,无线电波在矿井中的
传播特性完全不同于在自由空间的传播特性
,工作
频率对无线电波的传播有很大影响。由矿井电磁波
传输理论及实验研究发现
,特高频
UHF波段直射
传播损耗小
,电磁干扰影响很微
,因此
1～
2GHz之
间的波段成为地下传播无线电波的最佳窗口[1]
。
借鉴成熟的地面移动通信技术
,考虑到器件、调试、
生产工艺等实际情况
,选择
900MHz作为矿井移动
通信系统的工作频段是切实可行的。该频段内的元
器件来源丰富
,器件价格低廉
,而且有关技术已比较
成熟
,开发较为方便。对于美国使用的
ISM频段
(
868～
915MHz)
,国外的各大芯片制造公司
,如
TI、摩托罗拉等公司推出了很多高集成度的射频收
发芯片和外围电路。另外
,从移动设备小型化的角
度来考虑
,使用该频段研制的基站和移动台的天线
尺寸和设备体积远小于用高、中、低频段研制的基站
和移动台的天线尺寸和设备体积。
本文讨论的矿井移动手机射频收发环节选用的
芯片是
TI公司生产的
TRF6900。
TRF6900是一片
高集成、低功耗的单工双向
FM/FSK射频收发芯
片
,工作于
850～
950MHz频段
,其工作电压可以低
至
2.2V,且采用特殊低功耗设计
,非常适合于井下
电池供电的移动通信系统。
TRF6900的主要特征
是直接数字频率合成器(
DDS)的应用
,可以实现灵
活的收发频率设置
,具有高频率分辨率、低相位噪声、杂散特性优良
,输出频带宽的特点
,对外接晶体
也没有特殊的要求。
2
TRF6900应用结构框图
TRF6900外围只需用很少的元件就可以构成
一个完整的无线收发系统
,通过接口电路与微处理
器连接可实现对
TRF6900的参数设置及控制
,
TRF6900应用结构框图如图
1所示。
图
1
TRF6900应用结构框图
3
TRF6900输入、输出阻抗匹配设计
3.1 阻抗匹配设计方法
在射频电路的设计中
,阻抗匹配的设计是比较重要的环节。为了使信号源输出最大功率
,要求信
号输出端阻抗与负载阻抗共轭相等
,这就是通常所
说的阻抗匹配。但是在实际设计中信号源与负载不
能满足阻抗匹配的条件
,通常的做法是在信号源与
负载之间加入一个无源网络进行阻抗变换
,使之达
到匹配
,从而使信号源与负载之间形成最小反射
,并
33
矿井移动手机的射频电路设计
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net保证信号源能够稳定工作
,这种无源网络称为匹配
网络。
一般在设计匹配网络时有两种方法
,一种是利
用解析方法求出元件的值
,这种方法可以得到比较
精确的结果
,适合于采用计算机仿真
;另一种方法是
利用史密斯圆图作为图解设计工具
,不需要复杂的
计算
,因而更加直观
,容易验证[2]
。
本设计中进行阻抗匹配所使用的工具是史密斯
圆图。在史密斯圆图中
,有阻抗圆图和导纳圆图。
电路中加入电容和电感使阻抗点所发生的移动在史
密斯圆图上可以直观地显示出来
,如图
2所示。
图
2 串并联电抗元件的阻抗变化
串联电容使阻抗点沿阻抗圆图中的电阻圆作逆
时针移动
;
串联电感使阻抗点沿阻抗圆图中的电阻
圆作顺时针移动
;并联电容使阻抗点沿导纳圆图中
的电阻圆作顺时针移动
;并联电感使阻抗点沿导纳
圆图中的电阻圆作逆时针移动。
SerenadaSV8.5是
Ansoft公司推出的高频电
路仿真软件
,该软件可很直观地在史密斯圆图上对
高频电路进行阻抗匹配和仿真。进行阻抗匹配的过
程为
:
(
1)在史密斯圆图上标出信号源归一化阻抗
Z
S和负载归一化共轭阻抗
Z3
L这两个参量点
;
(
2)以
Z
S参量点为出发点
,通过电容或电感元
件的串并联
,使
Z
S参量点沿电阻圆或导纳圆移动
,
直至移动到负载归一化共轭阻抗
Z3
L;
(
3)
SerenadaSV8.5软件根据参量点的移动可
以给出所串联或并联元件的数值。在阻抗匹配设计
中信号频率取为
870MHz。
3.2
TRF6900输出阻抗匹配设计
TRF6900的高频放大器为
C类
,输出端归一化
阻抗
Z
S=0.9～
j1.2,所接负载为
50Ω
,其归一化共轭阻抗
Z3
L=1.0,匹配的过程就是加入匹配网络后
使参量点
Z
S转移到
Z3
L。阻抗匹配过程和匹配电
路如图
3所示。
图
3
TRF6900输出端阻抗匹配
上—史密斯圆图的阻抗匹配示意图
;
下—史密斯圆图生成的阻抗匹配电路
图
4
TRF6900的
LAN输入阻抗匹配
上—史密斯圆图的阻抗匹配示意图
;
下—史密斯圆图生成的阻抗匹配电路
SerenadaSV8.5软件得出的元件数值为并联电
感
L=9.0nH,串联电容
C=3.0pF,在调试中这两
43
中国煤炭第
29卷第
7期
2003年
7月
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net个元件的实际数值为
L=6.8nH,
C=3.3pF。
3.3
TRF6900输入阻抗匹配设计
TRF6900的
LNA的输入接
50Ω
的天线
,也就
是说信号源归一化阻抗Z
S=1.0。
TRF6900输入
端是一低噪声放大器(
LAN)
,归一化阻抗
Z
L=0.6
～
j0.6,因此
TRF6900输入端的阻抗匹配就是要ZS匹配到
Z3
L=0.6+j0.6。阻抗匹配过程和匹配
电路如图
4所示。
SerenadaSV8.5软件得出的元件数值为并联电
容
C=8.1pF,串联电感
L=7.7nH,在调试中这两
个元件的实际数值为
C=10pF,
L=6.8nH。
4
TRF6900的收发频率设置
TRF6900的内部设有
A、
B、
C、
D4组控制字
,其
收发频率设置通过设定
A、
B控制字来实现[3]
,本文
假定接收频率为
f
R=870MHz,由
A控制字设定
;发
射频率为
f
T=870MHz,由
B控制字设定。
TRF6900外接晶体频率
f
ref=24.576MHz。
TRF6900采用直接数字频率合成器(
DDS)结
合
PLL方式产生所需频率
,DDS/PLL的输出频率
即
VCO的输出频率为
:
f
out=N・
DDS
-x・f
ref
2
24(1)
式中
f
out———
VCO输出频率
;
N———预分频器的分频比
,
N=256;
DDS
-x———控制字二进制转化为十进制的
数值
,
x=0,1 代表
A、
B控制字
;
f
ref———外接晶体频率。由于
TRF6900的接收频率
f
R与
VCO输出频
率
f
out相差一个中频
10.7MHz,则
f
out=859.
3MHz。由式(
1)
,A控制字中相应十进制数值为
:
DDS
-0
=224
・
f
out
N・
f
ref≈
2291467(2)
转化为二进制
,加上地址位
00,A控制字应设置为
:
001000101111011100001011。
发射频率
f
T=
f
out,由式(
1)
,B控制字中相应
十进制数值为
DDS
-1=2320000,转化为二进制
,加
地址位
01,B控制字应设置为
01
1000110110011010000000。
5 结论
对于
900MHz频段的移动通信手机
,高频收发
环节设计尤其是阻抗匹配设计是至关重要的环节
,
本文利用史密斯圆图作为图解设计工具
,通过高频
电路仿真软件
SerenadaSV8.5对射频收发芯片
TRF6900的输入和输出的匹配网络进行了设计
,并
得出了元件的理论数值
,对实际的调试起到了关键
性的指导作用。(责任编辑 熊志军)
参考文献
1 张跃平
.地下巷道中
UHF特高频无线电波的传播
.
山西矿业学院学报
,1996(
3)
2
ReinholdLudwig.RFcircuitdesigntheoryandapplic
ation.北京
:科学出版社
,2002
3
DesignwiththeTRF6900signal-chiptransceiver.
TI.Inc2000
(上接第
21页)
7 依靠职工群众办企业
,维护职工群众的根本利益
(
1)牢固树立全心全意依靠职工办企业的思想
,
充分发挥职工群众的主观能动性
,鼓励职工大胆创
新
,激发职工的创新热情
,发挥职工的创新精神
,支
持职工的创新行动
,保护职工的创新积极性
,使广大
职工为企业发展建功立业。各级工会组织带领广大
职工
,自觉参与到企业民主管理当中。凡牵涉到工
人切身利益的事
,都要提交职代会讨论
,认真听取职
工意见。我们还让职工参与到安全生产、经营管理
当中
,积极推行厂务公开
,经常不断组织职工开展提
合理化建议活动。民主管理的实践
,大大强化了职
工队伍当家作主的“主人翁”意识。(
2)关心职工的生活
,努力提高职工的物质文化
生活水平。集团公司在资金并不宽裕的情况下为全
体职工执行了调标工资
,2002年人均收入达到
10066元
,为大中专毕业生执行了新工资标准。集
团公司十分关心离退休干部和职工、特困职工和家
属、下岗职工的生活
,积极筹措资金
,保证养老金和
下岗职工基本生活费按时足额发放。定期组织送温
暖活动
,慰问离退休老干部、老工人、伤病残和特困
职工
,及时把企业的温暖送到职工家中
,还挤出有限
的资金新建或改造了一批职工集体福利设施。职工
生活水平的明显提高
,促进了集团公司整体协调快
速发展。(作者为郑州煤炭工业(集团)有限责任公
司董事长)(责任编辑 师自平)
53矿井移动手机的射频电路设计
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