陳 松, 劉 翔, 姚瀟玉

(湖南理工學院 信息與通信工程學院, 湖南 岳陽 414006)

引言

當今, 在人們的生活、生產(chǎn)等領(lǐng)域扮演著各種重要角色的通信技術(shù)的發(fā)展日新月異. 手機作為最常用的移動通信設(shè)備在給人們的生活帶來極大便利的同時, 也產(chǎn)生一些不容忽視的問題. 例如: ①成為新的泄密渠道, 對保密信息安全構(gòu)成威脅; ②成為新的噪聲污染源, 干擾了正常工作秩序; ③成為新的不安全因素, 給企業(yè)安全生產(chǎn)帶來隱患; ④成為新的犯罪手段, 給社會穩(wěn)定帶來不利影響. 因此在某些特殊場所就需要人為地破壞或限制這種網(wǎng)絡(luò), 避免移動網(wǎng)絡(luò)帶來的危害, 于是手機信號屏蔽器就應(yīng)運而生了.

伴隨著手機信號的頻帶遷移拓寬、功率加大、通信速率提高等趨勢, 對屏蔽器的性能也提出了新的要求. 從當初的屏蔽單一頻段, 發(fā)展到現(xiàn)在已具有集各移動通信頻段于一體、掃頻速率越來越快等特性, 并逐漸拓展到更低的廣播頻段甚至是語音頻段. 目前市場上銷售和使用的手機屏蔽器, 其工作原理基本上是采用電子對抗中多頻段掃描, 寬頻譜同頻覆蓋的方法來阻斷基站和移動終端的通信通道. 該類設(shè)備一般由電源、電子掃描控制單元、分段射頻模塊單元、功率放大器單元、發(fā)射天線單元等部分組成. 但由于缺乏管理規(guī)范, 掃描頻段寬窄不一, 射頻功率高低不同(從幾瓦到幾十瓦), 雜散發(fā)射參數(shù)更是大小不等,有的甚至對移動電話信道和設(shè)備造成損傷.

基于以上原因, 本文提出的方案采用僅屏蔽上行頻段, 不屏蔽下行頻段, 并設(shè)計合理的屏蔽帶寬、規(guī)范了發(fā)射功率、提高了掃頻速率等措施, 解決原屏蔽器的缺陷, 有效減小正常信道阻隔性現(xiàn)象, 并不會對移動設(shè)備造成傷害.

1 總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)方案論證

為了產(chǎn)生足夠能量的同頻上行頻段信號, 系統(tǒng)通過鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波作用于各頻段射頻VCO, 控制VCO分別產(chǎn)生GSM900、DCS1800、CDMA800、PHS1900頻段的振蕩波, 使其在工作過程中以一定的速度從前向信道的低端頻率向高端掃描, 經(jīng)射頻功率放大器放大后, 由全向天線發(fā)射出去. 此頻率信號經(jīng)手機解碼后在手機接收報文信號中形成亂碼干擾, 使手機與基站不能正常通信, 以此實現(xiàn)屏蔽.系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 GSM/CDMA/PHS移動通信屏蔽系統(tǒng)原理框圖

圖2 鋸齒波波形示意圖

鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生峰值受始點和終點控制的鋸齒波, 其周期 T連續(xù)可調(diào). 鋸齒波波形如圖 2所示, 它輸出的電壓 ()Vt與時間 t呈線性變化. 由鋸齒波控制的VCO(壓控振蕩器)的輸出頻率 f在周期 T內(nèi)與控制電壓 V呈線性關(guān)系, 即有f= kV(t), 其中k為常數(shù). 即可由鋸齒波幅值來控制所產(chǎn)生信號頻率 f的大小, 鋸齒波的周期T, 即為掃描頻率f的周期. 為了保證屏蔽所有的手機, 必須將 f的周期掃描范圍設(shè)置得大于基站的發(fā)射頻段. 要干擾手機報文接收, 就必須在手機接收的幀數(shù)據(jù)中插入一電平, 使得手機解碼后的數(shù)字信號與基站發(fā)射的數(shù)據(jù)不一致, 那么手機與基站就會斷開連接, 無法通信.對于GSM900/DCS1800每幀數(shù)據(jù)頻率大約為10kHz,那么 GSM900/DCS1800可設(shè)置掃描速率控制為10kHz. CDMA800以及3G頻段(含PHS1900)每幀數(shù)據(jù)頻率大約為 30kHz, 那么可將掃描速率控制為30kHz. 故只需要兩個鋸齒波發(fā)生器控制即可.

對于射頻功放部分功率的要求, 我們必須要了解手機發(fā)射功率是怎么控制的. 以 GSM 手機為例,GSM協(xié)議規(guī)定, 手機發(fā)射功率是可以被基站控制的. 基站通過下行SACCH信道, 發(fā)出命令控制手機的發(fā)射功率級別, 每個功率級別差 2dB, GSM900手機最大發(fā)射功率級別是 5(33dBm), 最小發(fā)射功率級別是19(5dBm), DCS1800手機最大發(fā)射功率級別是0(30dBm), 最小發(fā)射功率級別是15(0dBm).

從以上不難看出當手機遠離基站, 或者處于屏蔽器之下時, 基站可以命令手機發(fā)出較大功率, 直至33dBm(GSM900), 約為 2W, 以克服遠距離傳輸或建筑物遮擋所造成的信號損耗. 如果手機離基站很近,且無任何遮擋物時, 基站可以命令手機發(fā)出較小功率, 直至5dBm(GSM900), 約為3.2mW, 以減少手機對同信道、相鄰信道的其它GSM用戶的干擾和其它無線設(shè)備的干擾, 而且這樣還可以有效延長手機待機時間和通話時間. 可以看到如果要保證完全屏蔽手機信號, 那么信號屏蔽器的發(fā)射功率應(yīng)當不小于手機發(fā)射功率, 才能使得基站與手機通信的信號在解碼后, 數(shù)字電平發(fā)生改變, 形成亂碼, 從而達到屏蔽效果,所以該射頻功放的功率應(yīng)當大于 33dBm. 這就對射頻功放的發(fā)射功率提出了一定的要求. 除此之外射頻線路阻抗、天線匹配也是影響功率非常重要的因素, 若匹配未達到要求, 功率會大大受損, 就難以達到屏蔽要求.

1.2 方案比較

通過以上分析, 我們知道了本屏蔽系統(tǒng)一些功能指標要求, 以下提出兩種方案.

方案一: 采用低頻鎖相環(huán)LM567控制產(chǎn)生鋸齒波, 來控制美國美信公司max2622～max2624系列高頻VCO, 作用于摩托羅拉公司MHW系列集成功放, 產(chǎn)生屏蔽信號.

方案二: 用 NE555定時器產(chǎn)生一定頻率的鋸齒波分別作用于通常手機內(nèi)部所使用的GSM/CDMA/PHS頻段的 VCO, 使其產(chǎn)生各自通信頻段的頻率信號, 再將這種頻率信號送入射頻功放RF3108, 經(jīng)放大后信號由各自天線輻射出去.

方案一采用摩托羅拉公司MHW系列集成功放能產(chǎn)生較大的功率, 可以使屏蔽范圍加大, 但該方案成本高, 功放價格高, 而且要求在硬件設(shè)計中保證各電路單元部分阻抗匹配至 50Ω, 才能使功率輻射出來,這無疑加大了工作的難度.

方案二采用RF3108最大發(fā)射功率為35dBm, 經(jīng)研究RF3108資料, 射頻信號輸入阻抗為50?, 射頻信號輸出端也已經(jīng)將各頻段與天線匹配為 50?, 我們只需要保證天線線路阻抗為 50, 這就使得線路的匹配工作變得簡單, 該方案成本較低, 功率方面也滿足屏蔽的要求. 所以選擇方案二來實現(xiàn)本系統(tǒng).

2 系統(tǒng)原理圖的具體設(shè)計

2.1 鋸齒波部分

通過采用NE555分別產(chǎn)生10kHz和30kHz的鋸齒波, 本部分原理圖如圖3所示.

通過分析 NE555各引腳功能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖, 可知其內(nèi)部含有兩個電壓比較器, 一個分壓器, 一個 RS觸發(fā)器, 一個放電晶體管和一個功率輸出級. 以下給出圖3的原理分析.

圖3中, Q1、R25、R1與D1組成一可變電流源, 給電容 C1充電, Pin2端點的電壓隨 C1電容充電曲線變化, 如圖 4所示, 隨著C1電壓的抬高, 三極管Q1的基極電壓也跟著抬高. 由于發(fā)光二極管特殊的導通特性, 基極變化電壓如圖5所示, 隨著基極電壓的升高, 三極管Q1的導通性也隨之加強,給C1的充電電流就會越來越大, 那么就使得C1的充電電壓曲線更趨于鋸齒波的上升期.

圖3 鋸齒波產(chǎn)生電路

接下來由NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖來分析電路如何快速給C1放電, 形成完整的鋸齒波. Pin2在NE555內(nèi)部為電壓比較器的負比較端, 比較電壓為VCC, 比較輸出接RS觸發(fā)器的S端; Pin6在NE555內(nèi)部為電壓比較器的正比較端, 比較電壓為VCC, 比較輸出接RS觸發(fā)器的R端; Pin7為內(nèi)部三極管的發(fā)射極, 在這里用作電容C1的放電端. 當C1充電電壓上升到VCC時, RS觸發(fā)器的R端為高電平, S端為低電平, 則觸發(fā)RS觸發(fā)器輸出為高電平, 使Pin7對地導通, 快速給電容C1放電, 形成了完整的鋸齒波, 如圖2所示.

圖4 電容充電波形圖

圖5 發(fā)光二極管V-I曲線圖

控制各部分VCO的鋸齒波電壓范圍見表1.

表1 VCO的鋸齒波電壓范圍

2.2 VCO部分

在本系統(tǒng)中, 只需要考慮頻率調(diào)諧范圍和輸出功率大小. 系統(tǒng)所用VCO是muRata公司的MQW系列雙通道VCO, 只需要兩種VCO就可以實現(xiàn)GSM900、CDMA800、DCS1800、PHS1900標準的手機屏蔽.以GSM900部分為例, 電路原理圖如圖6所示.

圖6中, VT1為鋸齒波產(chǎn)生電路輸出的鋸齒波, R15與R4為鋸齒波提供直流偏置, 使得鋸齒波落到所需頻段的掃頻范圍之內(nèi), 對于GSM1800、CDMA800以及PHS1900各部分原理都一樣, 只需調(diào)節(jié)直流偏置的大小使其落入各自掃頻范圍之內(nèi). 對于VCO的輸出功率, 末級RF3108輸入頻率信號所需推動功率為+6dB, 本系列射頻VCO其足以驅(qū)動RF3108.

圖6 GSM900 VCO電路

2.3 射頻功放部分

本系統(tǒng)采用集成射頻功放 RF3108, 它是一大功率、高效率的集成功放, 其輸入輸出阻抗都已在內(nèi)部匹配為50?, 采用GaAs HBT工藝實現(xiàn), 可作為GSM/DCS和PCS頻段的末級功率放大器. GSM模式中頻率范圍為880～915MHZ, 適用于GSM900與CDMA800頻段功率放大, PCS模式中頻率范圍為1710～1910MHZ, 適用于 DCS1800與PHS1900頻段功率放大. 芯片所需電源功率超過 70dB, 采用LCC(9mm×10mm)的超小集成封裝,可節(jié)省硬件電路空間.

圖7 射頻功率放大電路

以 GSM900部分為例, 系統(tǒng)電路如圖7所示.

J3為GSM900發(fā)射天線, ESD3為靜電抑制器, 防止天線端靜電損壞RF3108芯片. 此部分最大難度在于硬件電路制作時線路走線與線路阻抗控制.

3 PCB板具體設(shè)計

本電路中, 信號連線較少, 各部分電路都有一定的相似性, 所以電路的走線可以仿照同一模式. PCB設(shè)計時要特別注意以下三點:

(1)電源走線處理

本系統(tǒng)電源走線應(yīng)作兩類型來看, 射頻功放的供電電壓Pin11腳是一類, 芯片Pin1與Pin7低頻供電電壓與其他器件供電電壓是一類, 走線時應(yīng)采用星型走線, 分別接到主干電源 VCC之上, 以免相互干擾.對于Pin11腳供電端走線線寬應(yīng)盡量的粗, 并且在接近芯片引腳地方擺放一個104的貼片電容, 以此措施來減小電源紋波. 各部分電源線都要避免從射頻信號線與射頻器件底部穿過, 并把電源線用地線包裹, 這可以大大降低電源紋波, 以保證電源的穩(wěn)定.

(2)射頻走線處理

由于射頻信號發(fā)射所需天線短, 極易輻射出來干擾其他信號, 所以射頻信號線走線要保證圓滑, 避免銳角與直角走線, 盡量縮短走線長度. 射頻信號線對阻抗匹配要求高, 對于不同的PCB板材, 不同的線寬有不同的阻抗, 要使功率信號衰減降低, 必須將射頻走線匹配至 50?. 經(jīng)過進行阻抗計算, 采用建濤板材時, 此電路中射頻信號線寬應(yīng)控制在1.2mm左右. 射頻信號線需要一個參考地層, 若PCB板為多層線路板, 則要將射頻信號線下的板層都掏空, 僅留下需要留下的一層地, 作為射頻線的參考地. 天線部分 ESD器件要緊靠天線, 防止靜電, 周圍射頻線需多打地孔, 地孔的放置最好是整齊密集有規(guī)律, 以保證射頻線被地充分包裹, 防止其干擾其他部分或者受到其他部分干擾.

(3)地線的處理

對于射頻電路而言一般都要保證射頻器件與走線下有一層整地, 以防止相鄰板層之間的相互干擾.對于VCO部分與RF3108部分, 要保證地孔大且數(shù)量多, 以加強芯片地的充分的連接, 防止電路寄生振蕩.多個地孔還扮演著另一個重要的角色, 由于芯片都是貼片式封裝, 芯片底部都為接地, 熱量就要依賴這些過孔傳導到底部散熱片之上. 對于模擬地與數(shù)字地是否分離, 還有待考慮, 通過實踐證明模擬地與數(shù)字地分離要考慮是否能方便實現(xiàn)一點連接, 又保證各部分能充分接地, 否則會得不償失, 反而使系統(tǒng)性能降低,所以分地要慎重, 需綜合考慮各方面因素.

4 測試與總結(jié)

表2 測試結(jié)果

本文設(shè)計的基于GSM/CDMA/PHS移動通信屏蔽系統(tǒng)的設(shè)計, 經(jīng)過實測能夠同時屏蔽GSM、CDMA、PHS以及 3G手機, 范圍大于400m2. 手機通信頻段頻率極高, 在空中幾乎以面波形式的傳播, 受到阻力大, 衰減非常快,幾乎不能發(fā)生衍射, 對鋼筋水泥墻的穿透能力差, 所以在一個 400m2的房間內(nèi)能做到屏蔽, 但將手機移至與屏蔽器相隔不過幾十米的房外, 屏蔽器也不能對其實現(xiàn)屏蔽. 測試結(jié)果見表2.

[1]高吉祥. 全國大學生電子設(shè)計競賽培訓系列教程: 電子儀器儀表設(shè)計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007

[2]黃智偉. 全國大學生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京: 北京航天航空大學出版社, 2006

[3]鮑威爾. 射頻電路設(shè)計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006

[4]高吉祥. 全國大學生電子設(shè)計競賽培訓系列教程: 數(shù)字系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007

[5]趙茂泰. 智能儀器原理及應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004

[6]康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1999

[7]黃智偉. 全國大學生電子設(shè)計競賽訓練教程[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005

[8]朱錫仁. 電路測試技術(shù)與儀器[M]. 北京: 清華大學出版社, 1989

[9]黃智偉. 射頻功率放大器設(shè)計[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2009