手机接收器功能电路 (1) - 天线、低噪声放大器、混频器

一、天线及天线电路

话机本身的天线一般为螺旋鞭状天线或短鞭状天线。移动台的天线具有足够宽的工作频带,它工作于全部的收发信道，基本上所有的蜂窝话机都可使用内接和外接天线。
天线分为发射天线与接收天线，将高频电流转化为高频电磁波传送出去的导体被称为发射天线；将高频电磁波转化为高频信号电流的导体被称为接收天线。
在一些蜂窝电话机中,天线进来常采用双工滤波器(选频电路)，天线和双工器都是无源器件。双工器包括发射滤波器和接收滤波器,它们都是带通滤波器，双工器有3个端口——公共端天线接口、发射输出端及接收输入端。天线及双工滤波器与接收机发射机的连接如图1-15所示。
发射信号总是比接收信号强,而强信号对弱信号有抑制作用,会使接收电路被强信号阻塞,使接收的弱信号被淹没,引起接收灵敏度下降。所以接收滤波器就是阻止发射信号串人接收电路,并拒收天线接收到的接收频段以外的信号；而发射滤波器则拒绝，接收频率段的噪声功率及发射调和信号等。当然,也有一些话机使用接收与发射分离的滤波器。

图1-16所示的是一个带开关电路的双工滤波器。图中VC1与VC2是控制端；GSM-TX、GSM-RX分别代表GSM的接收、发射端口；DCS-TX、DCS-RX分别代表1800MHz收发信机的接收、发射端口。

从上面的内容可以看到,在手机电路中寻找天线电路,比较重要的就是天线的图形符号Y和天线的表示字母“ANT”。
在天线电路中,除了双工滤波器,还有天线开关电路，模拟手机中的天线开关电路用于内接天线与外接天线的转换。由于数字手机采用了TDMA技术,它以不同的时段来区分用户,且GSM手机的接收机与发射机是间隙工作的,所以在数字手机中,天线开关通常用于接收射频信号与发射射频信号通道的转换。在一些双频手机中,天线开关还用于GSM信号和DCS信号的切换。8210手机的双工滤波器中就包含了开关电路,VC1和VC2为控制信号。
—些手机的天线电路只采用天线开关,滤波器被分别放在接收射频电路和发射射频电路当中,如GD90的天线开关和cd928的天线开关电路如图1-18所示。
在图1-17,9脚接天线,5、7脚输出射频信号到接收机电路,1、11脚的信号来自发射机功率放大器。
用示波器在天线开关的控制端可检测到控制信号的脉冲波形。控制天线开关的信号来自逻辑电路,同时这些信号也控制发射机、接收机电路。

二、低噪声放大器

低噪声放大器（LNA）被用来将天线收到的微弱的无线蜂窝信号，放大到混频器所需要的幅度。如果低噪声放大器损坏,通常会造成手机接收信号差的故障。
低噪声放大器通常又称为前置射频放大器，前置射频放大器是移动通信接收机最常用的一种小信号放大器，由于此类放大器常用低噪声器件来实现，故又称为低噪声放大器。
在第一级高频放大电路设置低噪声放大器可以改善接收机的总噪声系数,同时高频放大器可防止RXVCO信号从天线路径辐射出去。图1-18所示的是一般LNA的两种形式(参见三极管部分)。

双工滤波器的输出信号被送人低噪声放大器放大。Q1、Q2与周边元件构成一低噪声放大器,这是一个带负反馈的共发射极电路,又是一个宽带放大器,它用以对微弱的射频信号进行放大并弥补射频滤波器带来的插入损耗。在图1-18中,Q1的发射极旁路电容C3对该放大器的增益影响很大,它可减小R4对信号的负反馈影响。该电路中,Q1的直流工作点主要由R1和R2决定,属固定分压偏置。在图1-18中,Q2的直流工作点由R6、R5决定,为集电极反馈偏置,同时R5也是负反馈元件,C5和R7的作用与图中的C3、R4一样。实际上,Q1、Q2电路是一个宽带高频小信号放大器。
对这一位置的高频放大器中的三极管,要求其截止频率高,放大倍数大,噪声系数小。第一级信号很小,工作点通常设得比较低,同时加人电流负反馈,则可以减小噪声。
前面我们讲到的是一些分离元件的低噪声放大电路。在实际工作中,还常会遇到低噪声放大电路被集成在一块芯片中的情况。
诺基亚6110、6150手机的低噪声放大器就是被集成起来的，它们一个是单频手机,一个是双频手机,但我们也能很容易找到低噪声放大器的输人端：一是从天线电路去找,看信号通过交流通道到集成电路的什么端口；另一个较为快速的方法,就是查看集成电路各引脚的标号(英文缩写),如图1-19所示。

图1-19是6110手机的射频处理模块,N500的25脚上标有“LNA IN”的字。.LNA就是低噪声放大器(I,ow Noise Amplifier)的英文缩写,IN表示输入。所以我们断定N500的25脚线路就是LNA的输人，同时,也可找到LNA的控制信号端一下26脚，26脚上标有“LNA AGC”,LAN表示低噪声放大器,AGC表示自动增益控制(Auto Gain control)。
在进行低噪声放大电路的查找分析时,应注意一个信号——启动控制信号(RX-ON或RX-EN)。RX-EN是接收机启动控制信号,TX-EN是发射机启动控制信号。从前面的系统知识我们知道,数字手机由于采用了TDMA技术,故接收机和发射机不同时工作，RX-EN和TX-EN信号是符合TDMA规则的脉冲控制信号,当RX-EN为高电平时,TX-EN为低电平,接收机工作；当RX-EN为低电平时,TX-EN为高电平,发射机工作。
这一信号通常供给低噪声放大器的输入端,以作为低噪声放大器的偏压,如cd928中的Q410的基极偏压,实际上就是来自RX-EN。由于手机集成度越来越高,故在看电路寻找RX-EN时也会有一定的难度。爱立信788手机的RX-ON信号就是送到射频处理模块U100的11脚。在诺基亚手机电路中,通常看不到RX-ON或RX-EN,它是以另外一种标识出现——RXPWR。在低噪声放大器的输入端,通常用示波器可测到上述的控制信号,其波形如图1-20所示。
在观察接收启动控制信号时,会发现其波形在待机状态下有一定的规律：当该信号稳定时,手机的工作电流通常在80rnA左右；当该信号闪烁时,手机的工作电流通常在20_{50mA之间变化；当无该信号时,手机工作电流通常在8}12mA之间。

三、混频电路

混频电路又叫混频器（MIX）是利用半导体器件的非线性特性,将两个或多个信号混合,取其差频或和频,得到所需要的频率信号。在手机电路中,混频器有两个输入信号(一个为输入信号,另一个为本机振荡),一个输出信号（其输出被称为中频IF）。在接收机电路中的混频器是下变频器,即混频器输出的信号频率比输入信号频率低；在发射机电路中的混频器通常用于发射上变频,它将发射中频信号与UHFVCO(或RXVCO)信号进行混频,得到最终发射信号。混频器是超外差接收机的核心电路,如接收机的混频器出现故障,则无接收中频输出,造成手机无接收信号、不能上网等故障。
变频器的原理方框图如图1-21所示。

当变频器的输出为信号频率与本振信号之和,且比信号频率高时,所用的变频器被称为上边带上变频。如摩托罗拉8200系列的发射变频器,其发射中频为88MHz,以60信道为例,本机振荡信号为814MHz。变频后得到902MHz的最终发射信号。
当变频器的输出信号为信号频率与本振信号之差,且比信号频率高时,所用的变频器被称为下边带上变频。如诺基亚8110的发射变频器,其发射中频信号为116 MHz,其本机振荡信号为1 018MHz(60信道为例)，变频后得到902MHz的最终发射信号。
混频器包括晶体管混频器、场效应管混频器、肖特基势垒二极管混频器以及集成混频器等。
1） 晶体管混频器
晶体管混频器有多种电路形式。其中双极型晶体管混频器可在共发射极电路基础上构成，信号和本振信号由基极输入,或信号由基极输人、本振信号由发射极输人。两信号由基极输人的电路输入阻抗高,对本振而言,负载轻。摩托罗拉双频手机cd928系列的接收混频器便为这种混频器。如图1-22所示：

2）二极管混频器
二极管混频器尽管存在损耗,但其噪声及杂波输出比晶体管混频器要少.诺基亚的GSM手机多采用这种混频器。如8110的第一接收、发射混频器，该混频器的输人输出信号路径如图1-23所示(参见8110射频电路)。

3）集成混频器
在早期的手机中,有的混频器单独使用一个集成组件,如今手机中的混频器多被集成在一个复合的射频处理或中频处理模块中。集成混频器如诺基亚233的接收第一混频器为集成双平衡混频器,它由阻抗匹配网络、滤波器及混频管等组成,为双端平衡输人输出。

在1-24中,低噪声放大器输出的射频信号,经一个平衡—不平衡转换,得到两个信号从N8的7、8脚输人；本机振荡信号则从N8的4、5脚输人；混频后得到的中频信号从N8的1、2脚输出。

如今,越来越多的手机电路中的混频单元被集成在上复合电路中,如诺基亚6110和三星SGH-500的接收混频器,如图1-25所示。
要寻找混频电路就需掌握手机框架结构, 在手机接收机电路中,如看到射频信号与VCO信号输人到同一个电路,则这个电路应是混频电路(这就要求能辨别RXVCO电路)。同时掌握MIX等英文缩写(如图1-25所示),以便于识别电路。参见诺基亚6110、三星SGH-500、诺基亚6150射频电路。