一種高性能、低功耗、超小型FSK無線尋呼射頻接收機(jī)

無線尋呼射頻接收機(jī)有多種方案，從常規(guī)的一次或兩次變頻的超外差式到零中頻直接變換式和帶有低電壓鎖相環(huán)的頻率自動漫游式，各種方案各有千秋。由于兩次變頻的超外差式方案最為成熟、電性能最優(yōu)、各種元器件供貨一般不受限制，加之這種方案對尋呼系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)要求最低，因此對電性能要求高的場合，其使用最為普遍。

2無線尋呼射頻接收機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

2?1無線尋呼射頻接收機(jī)的總體結(jié)構(gòu)考慮

這種接收機(jī)總體考慮一般包括以下幾個方面：

（1）根據(jù)無線尋呼接收機(jī)的總體技術(shù)要求合理選擇射頻接收機(jī)的方案；

（2）根據(jù)無線尋呼接收機(jī)整機(jī)的外觀結(jié)構(gòu)要求，合理選擇射頻接收機(jī)在整機(jī)中的位置；

（3）根據(jù)所選擇的射頻接收機(jī)方案和整機(jī)中空間的相對位置，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、元件選擇和電路版圖設(shè)計及體積最小化設(shè)計；

（4）與射頻接收機(jī)本身電性能相關(guān)的各部分電路（從天線到不歸零（NRZ）信號輸出各級電路）的設(shè)計和最佳方案的選擇與優(yōu)化及指標(biāo)分配；

（5）與射頻接收機(jī)電性能相關(guān)各部分電路的功耗最小化設(shè)計；

（6）與射頻接收機(jī)電性能相關(guān)的尋呼接收機(jī)數(shù)字電路、液晶顯示電路和電源變換電路的抗內(nèi)部干擾設(shè)計；

（7）與射頻接收機(jī)電性能相關(guān)的方案選擇、空間相對位置、功耗和抗尋呼接收機(jī)內(nèi)部干擾的綜合設(shè)計。

（8）與大批量生產(chǎn)相關(guān)的各電路元件參數(shù)數(shù)值的容差設(shè)計。

2?2無線尋呼射頻接收機(jī)的設(shè)計

2?2.1方案選擇

根據(jù)無線尋呼接收機(jī)的總體技術(shù)要求，本文采用了兩次變頻的超外差式無線尋呼射頻接收機(jī)方案。其電路框圖如圖1所示。

圖1兩次變頻超外差式無線尋呼射頻接收機(jī)的電原理框圖

2.2?2天線設(shè)計及考慮

天線是接收機(jī)中將空間傳輸?shù)碾姶挪ㄞD(zhuǎn)換成導(dǎo)行波的關(guān)鍵裝置，無線尋呼射頻接收機(jī)中的天線設(shè)計及考慮是根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際使用中電磁波傳輸?shù)倪吔鐥l件及實(shí)際狀況來選擇天線型式。其中主要考慮大地、人體效應(yīng)及尋呼機(jī)內(nèi)金屬體的影響。由電磁場理論可知，站在大地上的人體附近的電磁波其磁場強(qiáng)度比電場強(qiáng)度要強(qiáng)得多，加之無線尋呼機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)的限制，因此，無線尋呼射頻接收機(jī)天線幾乎都采用小型磁耦合天線，這種天線一般有兩種型式：（1）小環(huán)天線；（2）鐵氧體天線。由于鐵氧體天線比小環(huán)天線造價高、體積大、天線損耗大、設(shè)計和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且電性能不比小環(huán)天線好，本文采用了磁耦合小環(huán)天線。

磁耦合小環(huán)天線實(shí)際結(jié)構(gòu)型式有多種，如單環(huán)或多環(huán)，可用薄銅皮、圓導(dǎo)線和印刷電路板等材料來實(shí)現(xiàn)。一般根據(jù)實(shí)際要求來確定。磁耦合小環(huán)天線設(shè)計理論較為復(fù)雜，限于篇幅，這里不做介紹。需要指出的是：天線的輸入阻抗、增益與環(huán)的結(jié)構(gòu)、面積、材料的微波損耗及空間耦合的邊界條件相關(guān)。天線性能的優(yōu)劣及匹配狀態(tài)與整機(jī)的靈敏度密切相關(guān)。

2?2.3各級電路的功能、設(shè)計考慮及要點(diǎn)

各級電路中設(shè)計的基本考慮為：保證各級電路本身電性能盡可能最佳，在保證電性能最佳的前提下功耗要盡可能小，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和版圖設(shè)計中要考慮盡可能減小尋呼機(jī)內(nèi)部的數(shù)字電路、液晶顯示電路和電源變換電路的干擾。各級電路具體描述如下：

（1）低噪聲放大器

　　與靈敏度密切相關(guān)，為保證高性能、低功耗，采用共發(fā)/共基電路，通常這要通過選擇高性能、低功耗的晶體管和輸入端與天線電路的最佳噪聲量度匹配及輸出端與鏡像抑制濾波器的共扼匹配來實(shí)現(xiàn)。同時后級的噪聲貢獻(xiàn)要盡可能的小，即鏡像抑制濾波器的插入損耗和第一下變頻器的噪聲系數(shù)盡量小。

（2）鏡像抑制濾波器

　　主要完成鏡像抑制功能，這是保證高鏡像抑制度的關(guān)鍵。一般要求有低的插入損耗和高的鏡像頻率抑制度，通常由聲表面波濾波器、LC元件構(gòu)成的濾波器或是兩者結(jié)合的濾波器構(gòu)成，由于聲表面波濾波器的尺寸和損耗較大、成本高，本文采用LC元件構(gòu)成的串聯(lián)與并聯(lián)諧振相結(jié)合的橢圓函數(shù)多級濾波器，設(shè)計時考慮了兼顧批量生產(chǎn)時元件值的容差。

（3）第一下變頻器和第一本振及21.4MHz的第一中頻晶體濾波器和放大器

　　將載波信號變換到21.4MHz的第一中頻經(jīng)濾波放大后，送入第二混頻、本振和中頻放大及鑒頻專用集成電路。本文采用了低本振方案，這級電路中的關(guān)鍵是選用高性能低功耗的混頻和振蕩晶體管以及合適的電路拓?fù)?，下變頻器采用了載波信號和本振信號由基級輸入，中頻集電極輸出的共發(fā)電路，合適的偏置條件使其僅需要小的本振信號電平，便獲得好的變頻增益和較低的噪聲系數(shù)，本振電路采用了低電壓和低電流條件下可穩(wěn)定振蕩電路及溫度補(bǔ)償電路。 21.4MHz濾波器采用了常規(guī)的鄰道抑制濾波器，其后為低功耗的中頻放大器。

（4）第二混頻、本振和中頻放大及鑒頻專用集成電路

　　完成變頻到455kHz及經(jīng)過455kHz鄰道抑制陶瓷濾波器與21.4MHz鄰道抑制濾波器一并保證鄰道抑制指標(biāo)，在455kHz頻率上鑒頻放大后的信號經(jīng)基帶濾波和差分放大以不歸零的FSK信號輸出，經(jīng)電平匹配后送入解碼器。

(5)各級電路間的匹配設(shè)計

　　對保證優(yōu)異的靈敏度、鏡像抑制度和鄰道抑制度至關(guān)重要,須精心匹配和實(shí)驗。

（6）各級電路的功耗設(shè)計

　　為保證低功耗要求，同時又要保證各級的電性能指標(biāo)，因此必須合理分配各級功耗指標(biāo)。無線尋呼射頻接收機(jī)的工作電壓為1V～1.6V，各級工作電流分配如下：（1)低噪聲放大器：約0.6mA；（2)第一本振：約0.6mA；（3)第一下變頻器：約0.3mA；（4)第一中頻放大器：約 0.3mA；（5)第二混頻、本振和中頻放大及鑒頻專用集成電路：約0.7mA。余出約0.5mA考慮各批次晶體管參數(shù)的差異和偏置電阻值的容差范圍。

（7）抗無線尋呼接收機(jī)的內(nèi)部干擾設(shè)計

　　無線尋呼接收機(jī)的內(nèi)部干擾主要來自CPU、DC－DC變換器和液晶顯示電路。這些內(nèi)部干擾嚴(yán)重影響射頻接收機(jī)的靈敏度、鏡像抑制度和鄰道抑制度的指標(biāo)。解決的方法是如何將干擾源減至最小和射頻接收機(jī)電路如何實(shí)現(xiàn)有效的抗干擾。如何將干擾源減至最小的問題與數(shù)字電路、電源變換電路、液晶顯示電路及軟件相關(guān)，不屬于本文討論范圍，而射頻接收機(jī)電路本身如何實(shí)現(xiàn)有效的抗干擾主要采取以下措施：(1)在空間相對位置總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，要考慮載頻的小信號區(qū)域盡可能遠(yuǎn)離干擾源；(2)數(shù)字電路地和射頻電路地之間采用隔離、濾波措施減小射頻電路和干擾源之間的耦合；(3)對敏感部位必要時采用地屏蔽的方法。

3性能及應(yīng)用

基于上述考慮和討論的方法，所研制的無線尋呼射頻接收機(jī)用于廣東省移動通信總公司及中山廣華公司聯(lián)合研制的訊靈通KW系列（KW8000、 KW9000和KW9000S）的高性能中英文尋呼接收機(jī)，經(jīng)國家權(quán)威部門測試（在152.650MHz和280.625MHz頻率下），獲得了連續(xù)5次無誤碼靈敏度的電平：－110dBm；

鄰道抑制度：≥70dB；鏡象抑制度：≥70dB；電性能優(yōu)異。相應(yīng)射頻接收機(jī)的功耗為：射頻接收機(jī)工作電壓1V～1.6V,接收狀態(tài)下工作電流≤3mA,體積：9.8mm

×48mm×12.8mm（KW8000）。實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗表明在信號場強(qiáng)較弱時，國外同類產(chǎn)品均無法正常接收，而采用本文介紹的無線尋呼射頻接收機(jī)的中英文尋呼機(jī)均能正常接收。國家權(quán)威部門的測試和實(shí)際應(yīng)用結(jié)果均表明，采用這種無線尋呼射頻接收機(jī)的中英文尋呼機(jī)的電性能遠(yuǎn)優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

4結(jié)語

本文介紹了一種高性能、低功耗、超小型的無線尋呼頻率鍵控（FSK）數(shù)字調(diào)頻射頻接收機(jī)。國家權(quán)威部門測試和實(shí)際應(yīng)用結(jié)果均表明，采用這種無線尋呼射頻接收機(jī)的中英文尋呼機(jī)，電性能遠(yuǎn)優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。本文所討論的許多實(shí)際技術(shù)問題及解決的方法和思路，在本文介紹的無線尋呼射頻接收機(jī)研制和批量生產(chǎn)中，已證實(shí)非常有效。對同類和類似產(chǎn)品提高電性能、降低功耗和抗內(nèi)部干擾設(shè)計或許有著重要的參考價值。