在物聯(lián)網(wǎng)、5G通信和衛(wèi)星導航等技術的推動下，無線傳輸電路已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的核心組成部分。其設計涉及射頻前端架構、天線匹配網(wǎng)絡及鏈路預算分析三大關鍵環(huán)節(jié)，直接決定系統(tǒng)的傳輸距離、抗干擾能力和能效水平。本文從基礎原理出發(fā)，系統(tǒng)闡述射頻前端設計要點、天線匹配技術及鏈路預算計算方法，為工程師提供從理論到實踐的完整指南。

一、射頻前端設計：從信號接收到功率放大的全鏈路架構

射頻前端是無線傳輸電路的物理層核心，承擔信號濾波、放大、混頻等關鍵功能。典型架構包含低噪聲放大器(LNA)、混頻器、功率放大器(PA)及濾波器，其設計需平衡線性度、噪聲系數(shù)與效率三大指標。

1. 低噪聲放大器(LNA)設計

LNA位于接收鏈路最前端，其噪聲系數(shù)(NF)直接決定系統(tǒng)靈敏度。以2.4GHz ISM頻段為例，采用Avago的MGA-635P8芯片(NF=0.8dB，增益18dB)時，系統(tǒng)噪聲溫度較使用普通放大器降低60%。設計要點包括：

輸入匹配：采用共軛匹配網(wǎng)絡，使源阻抗與LNA輸入阻抗(通常50Ω)匹配，反射系數(shù)S11<-10dB。

偏置電路：需提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作點，某設計通過PTAT電流源實現(xiàn)-40℃至+85℃溫度范圍內增益波動<0.5dB。

ESD保護：在LNA輸入端并聯(lián)TVS二極管，可將靜電放電(ESD)耐受電壓從2kV提升至8kV。

2. 功率放大器(PA)設計

PA決定發(fā)射鏈路的輸出功率和效率。在LTE Cat.1模塊中，采用Skyworks的SKY66112-11 PA(輸出功率28dBm，效率38%)時，電池續(xù)航時間較傳統(tǒng)方案延長40%。關鍵設計參數(shù)包括：

線性度優(yōu)化：通過預失真技術將ACPR(鄰道功率比)從-30dBc改善至-45dBc，滿足3GPP標準。

負載牽引匹配：使用負載牽引系統(tǒng)確定PA的最佳負載阻抗，某2.4GHz PA在最佳匹配下PAE(功率附加效率)達45%。

熱管理：采用QFN封裝配合銅基板，使PA結溫從125℃降至85℃，可靠性提升3倍。

3. 濾波器設計

濾波器用于抑制帶外干擾，典型方案包括聲表面波(SAW)濾波器和巴倫濾波器。在GPS L1頻段(1575.42MHz)應用中，采用Murata的SAW濾波器(插入損耗1.5dB，帶外抑制40dB@±20MHz)可有效抑制LTE頻段干擾。設計時需注意：

群延遲特性：在WCDMA系統(tǒng)中，濾波器群延遲波動需控制在±2ns以內，避免信號失真。

溫度補償：采用溫度系數(shù)相反的電感電容組合，使濾波器中心頻率在-40℃至+85℃范圍內偏移<0.5%。

二、天線匹配技術：從阻抗變換到輻射效率優(yōu)化

天線匹配網(wǎng)絡的核心目標是實現(xiàn)射頻前端與自由空間的無損能量傳輸，其設計涉及阻抗變換、帶寬擴展及多頻段兼容三大挑戰(zhàn)。

1. 阻抗匹配基礎

天線輸入阻抗通常為復數(shù)(如50+j10Ω)，需通過匹配網(wǎng)絡轉換為實數(shù)50Ω。典型方案包括：

L型匹配：適用于Q值較低的場景，某2.4GHz天線通過串聯(lián)電感(3.3nH)和并聯(lián)電容(2.2pF)實現(xiàn)S11<-15dB。

π型匹配：在GPS天線設計中，采用兩級π型網(wǎng)絡將阻抗從30+j20Ω變換至50Ω，回波損耗優(yōu)于-20dB。

傳輸線變壓器：在UHF頻段(433MHz)應用中，使用1:4傳輸線變壓器實現(xiàn)50Ω至200Ω的阻抗變換，插入損耗<0.3dB。

2. 寬帶匹配技術

為覆蓋多頻段(如Wi-Fi 6E的2.4/5/6GHz)，需采用寬帶匹配方案：

多節(jié)匹配網(wǎng)絡：某三節(jié)匹配網(wǎng)絡在2.4-6GHz頻段內實現(xiàn)VSWR<2，插入損耗<0.5dB。

可重構匹配：通過開關電容陣列實現(xiàn)頻段切換，某設計在2.4GHz和5GHz模式下分別達到98%和96%的輻射效率。

電磁帶隙結構(EBG)：在PCB上集成EBG單元，可將天線帶寬從5%擴展至15%，同時抑制表面波干擾。

3. 天線效率優(yōu)化

天線效率(η)由輻射效率(ηr)和匹配效率(ηm)決定，優(yōu)化方法包括：

接地設計：采用多層PCB的完整接地層，使天線輻射效率從75%提升至88%。

材料選擇：使用低損耗基材(如Rogers 4350B，損耗角正切0.0037)，較FR4材料效率提高12%。

近場耦合抑制：在天線周圍設置隔離槽，可將人體手握導致的效率下降從20%降至5%。

三、鏈路預算計算：從發(fā)射功率到接收靈敏度的全鏈路分析

鏈路預算通過量化信號傳輸過程中的增益與損耗，確定系統(tǒng)的最大傳輸距離和可靠性，其計算流程包含發(fā)射端、傳輸路徑和接收端三大模塊。

1. 發(fā)射端參數(shù)

輸出功率(Ptx)：以LTE Cat.4模塊為例，其最大輸出功率為23dBm。

發(fā)射天線增益(Gtx)：全向天線增益為0dBi，定向天線可達8dBi。

電纜損耗(Lcable)：1米RG58電纜在2.4GHz時損耗為0.5dB。

2. 傳輸路徑損耗

自由空間路徑損耗(FSPL)公式為：

FSPL(dB)=20log??(4πd/λ)

其中d為距離，λ為波長。在5GHz頻段，100米距離的FSPL為80dB?？紤]實際環(huán)境：

多徑衰落：城市環(huán)境中，快衰落深度可達20dB。

障礙物損耗：混凝土墻穿透損耗為15dB/面，人體遮擋損耗為3dB。

3. 接收端參數(shù)

接收天線增益(Grx)：與發(fā)射端對稱設計。

接收靈敏度(Prx_min)：由噪聲系數(shù)(NF)和信噪比要求(SNR)決定。某Wi-Fi芯片在11Mbps速率下，Prx_min=-82dBm(NF=6dB，SNR=7dB)。

系統(tǒng)余量(Margin)：需預留6-10dB以應對環(huán)境變化。

4. 鏈路預算實例

以2.4GHz Wi-Fi系統(tǒng)為例：

發(fā)射端：Ptx=20dBm，Gtx=2dBi，Lcable=1dB → EIRP=21dBm

路徑損耗：FSPL(100m)=80dB，墻體損耗=15dB → 總損耗=95dB

接收端：Grx=2dBi，Prx_min=-82dBm → 所需信號強度=-78dBm

鏈路余量：21dBm-95dB-(-78dBm)=4dB(需優(yōu)化天線或降低速率)

四、設計實踐與趨勢展望

1. 集成化設計

采用射頻前端模塊(FEM)可減少PCB面積40%。如Skyworks的SE2567L FEM集成PA、LNA和開關，在802.11ac應用中使外圍元件數(shù)量從15個降至3個。

2. 人工智能輔助設計

通過機器學習優(yōu)化匹配網(wǎng)絡，某設計將天線帶寬從8%擴展至12%，同時降低設計周期從4周至1周。

3. 新材料應用

液晶聚合物(LCP)基材在毫米波頻段(28/60GHz)的應用中，較PTFE材料損耗降低30%，支撐5G毫米波大規(guī)模部署。

無線傳輸電路的設計是電氣參數(shù)、電磁場理論與系統(tǒng)工程的深度融合。從射頻前端的噪聲控制到天線匹配的寬帶實現(xiàn)，再到鏈路預算的精準計算，每個環(huán)節(jié)都需建立量化模型與實驗驗證的閉環(huán)。隨著6G、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等技術的演進，無線傳輸電路正朝著高頻化、集成化和智能化方向發(fā)展，工程師需持續(xù)更新設計方法論，以應對超寬帶、低時延、高可靠的下一代通信需求。