高敏感度SAW滤波器在无线数据测量中的应用

2009-03-05 20:57:56来源: 世界电子元器件

  一个高效、精美的建筑物和能源管理系统应包括对业主电力、煤气和水进行自动记录的功能,这样不仅可降低成本、控制出错几率,还可免去费时的人工现场抄表作业。

  先进抄表网络基础设施(AMI)系统用于记录用户数据,该系统通过无线电将数据传送到公共事业部门的网络中,再由能源管理系统对这些数据进行分析。收发机的灵敏性和选择性对于AMI和网络之间的可靠无线电连接至关重要。

  通常有两种AMI系统:简单的单传系统和复杂的收发系统。传送机发送带有专门定时的数据,而收发机则只有在收到确认正确接收的单元所轮询后才发送数据。

  SAW滤波器的优势

  为保证可靠的数据传输,采用了各种各样的模块化方案。为此,作为一项规则,在多信道应用中,通常采用跳频展频(FHSS)或直接序列展频(DSSS)技术。比较而言,单信道应用时,则采用振幅偏移键控法(ASK)或频率键控(FSK)技术。AMI系统必须能够处理这些调制程序。另外,在实际应用中,还有来自其他无线射频的干扰,比如无线电话或业余无线电爱好者。因此无线射频前端必须具有高敏感度,以及很强的抗干扰能力。

  现有的AMI系统使用SAW滤波器来抑制产生于IC的谐波和干扰发射信号。同时,它还可以保证高选择性。例如,在滤波器放置在天线后面或前面的AMI收发机的接收区域时。

  与其它滤波方案相比,SAW滤波器具有一定的优势。例如,与LC滤波器相比较,即使是宽带SAW滤波器也具有更高的选择性、更低的插入损耗,因此其敏感度也更高(图1)。SAW滤波器的另一个优点是具有更低的温度系数。

与LC滤波器相比较

  电路布局在AMI系统中的作用

  对于LC和SAW滤波器而言,高选择性通常意味着高插入损耗和更低的敏感度。电路布局在AMI系统中起了关键的作用,这一点可以通过四项计算得以说明。在每个算式中,噪声因数F或更常见的对数噪声符号NF是衡量敏感度的参数。噪声因数指的是信噪电压比,它说明了与输出时该比率有关的四极元件的输入情况。公式如下:

  F=\frac{S_{i}N_{i}}{S_{o}N_{o}}

  或

  NF=10log(F)                                                            (1)

  其中:

  Si:输出时的信号;So:输入时的信号;Ni:输入时的噪声;No:四极输出时的噪声。如果有两个以上的四极元件,可通过下列公式计算总噪声系数F1-n:

  F_{1-n}=F_{1}+\frac{F_{2}-1}{G_{1}}+\frac{F_{3}-1}{G_{1}G_{2}}+…+\frac{F_{n}-1}{G_{1}G_{2}…G_{n-1}}                  (2)

  其中:

  n:四极数目;Fn:噪声因数;Gn:n个四极的增益因数。

  直接安装在天线后面的第一个四极起了关键的作用。原则上说,它的噪声系数界定了总噪声系数的范围。

  为简便起见,在相应的开关布局举例中,总噪声系数的计算中忽略了传送/接收(Tx/Rx)开关或平衡-不平衡转换器。在这些举例中,SAW滤波器的插入损耗IL、增益G、LNA以及接收机IC的噪声系数NF和噪声因数F均具有同样的值。同时,假设SAW滤波器的增益与其损耗相符,并假定它的噪声系数为其IL的负值。

  所有四个例子的参数条件如下:

  L_{SAW}=G_{SAW}=−2.9dB

  G_{SAW(Linear)}=0.513

  NF_{SAW}=2.9dB→F_{SAW}=1.95

  G_{LNA}=15dB

  G_{LNA(Linear)}=31.62

  NF_{LNA}=1.5dB→F_{LNA}=1.41

  NF_{RxIC}= 8dB,NF_{RxIC(Linear)}= 6.31

  这四个例子各有优缺点。在例4中,总噪声系数是5.37 dB, 因此它的配置是基于无线射频AMI系统的最佳解决方案。它的特点是敏感度和选择性更高,再加上由于与第二个SAW滤波器对称工作,共模抑制率得以改善。

  例1:SAW滤波器-接收IC(见图2)

SAW滤波器-接收IC

  F_{1-2}=12.3=>NF=10.9dB

  接收机IC的噪声系数对噪声有很大的影响。总噪声系数是10.9 dB,接收机的敏感度大大降低。该结构的优点是能够阻止SAW频段以外的干扰信号,依次防止接收机IC的内部LNA达到饱和。为了大幅度降低噪声系数,在SAW滤波器的前端必须设置一个高增益因数和低噪声系数的阶段。

  例2:LNA - SAW -接收IC(见图3)

  F_{1-3}=1.77=>NF=2.48 dB

  由于低噪声系数LNA直接处于天线后面的第一阶段,总噪声系数NF大大降低。该配置的另一个优点是SAW滤波器同时具有平衡-不平衡转换器的功能。这使得共模抑制率(CMRR)和选择性都得以提高。

  它的缺点是接收机更容易受到强干扰,如移动电话信号干扰。特别是在AMI系统通过移动电话将消费者数据传送到轮询基站时,强烈的信号可以促使LNA在传输过程中进入饱和状态,并阻止接收机识别网状网络中另一系统发射的数据。

  例3:SAW -LNA -接收IC(见图4)

  F_{1-3}=3.08=>NF=4.88 dB

  转换到布局3,即在低噪声系数与干扰信号环境下得以提高的选择性之间达成某种妥协。将SAW滤波器直接配置在天线后面,可以保护LNA并减少其饱和的可能性。

  例4:SAW -LNA -SAW -接收IC(见图5)

  F_{1-4}=3.45=>NF=5.37 dB

  图5中所示接收机前端扩展版本工作时的噪声系数为5.37 dB。与例1 相比,此参数降幅很大。主要优点:高敏感度和选择性,同时改善共模抑制。

  其他

  由于AMI系统通常是被安装在恶劣的环境中,它不仅要具有高灵敏性和选择性,其运行也要绝对可靠。因此,它的所有元件必须结构牢固,能抵抗温度和湿度的定期变化,并具有防震功能。一般来说,汽车电子协会(AEC)公布的应用标准被认为最严格的。因此,该标准也适合于检验元件在恶劣环境下使用的合格性。

  为了满足这一标准,SAW滤波器使用了陶瓷封装,将石英或钽酸锂芯片粘合在底部。使用焊线将输入和输出针脚(包括底线针脚)与封装连接。该机构可以使有功SAW结构得到保护,使封装免受大多数应力的影响。

关键字:SAW滤波器  数据测量  敏感度

编辑:王丕涛 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2009/0305/article_1414.html
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