射頻電路基礎(chǔ)知識

1、射頻電路基礎(chǔ)知識RF Circuit Basic Knowledge2021年年11月月26日日第2頁目錄目錄1. 射頻電路的應(yīng)用和分類 (Application For RF Circuit)2. 射頻電路的基本理論和參數(shù)定義(Basic Theory and Parameter Define)3. 射頻電路中的常用元件和功能 (General Components and Their Function)4. 射頻測試中的常用儀器介紹 (General Instruments In RF Test)第3頁1.1 射頻電路應(yīng)用和分類射頻電路應(yīng)用和分類(a)目前, 射頻(RF)電路主要用于通信系

2、統(tǒng)中,如:手機(Cell Phone),無線局域網(wǎng)(Wireless LAN),無線廣播系統(tǒng)(電視和收音機)等;但也有其它方面的應(yīng)用: 如雷達探測系統(tǒng)用遠距離探測試,微波爐利用微波功率來加熱食物.Line ( Coaxial Cable )Digital RadioSatellite第4頁1.2 射頻電路應(yīng)用和分類射頻電路應(yīng)用和分類(b)在RF通信系統(tǒng)中按照通信終端間是否有射頻電纜連接又可分為有線射頻通信系統(tǒng)和無線射頻通信系統(tǒng)有線射頻通信系統(tǒng)有:有線電視(CATV),通過有線電視線連接數(shù)字連接的Cable Modem,通過電話線傳輸?shù)臄?shù)字用戶回路(DSL),包括ADSL,HDSL,VDSL等.

3、無線射頻通信系統(tǒng)的:無線電話(手機),無線傳輸?shù)碾娨暫褪找魴C廣播系統(tǒng),無線局域網(wǎng)(Wireless LAN),藍牙(BlueTooth)等第5頁1.3 射頻電路應(yīng)用和分類射頻電路應(yīng)用和分類(c)按照通信系統(tǒng)中各終端間傳輸信號是數(shù)字信號還是模擬信號又可分為模擬RF通信系統(tǒng)和數(shù)字RF通信系統(tǒng):1. 模擬RF通信系統(tǒng),相對于數(shù)字RF通信系統(tǒng),模擬RF通信系統(tǒng)較為落后,其抗干擾能力較弱,點用帶寬較多,但系統(tǒng)較為簡單,主要用于較早開發(fā)的系統(tǒng)中,如:電視(當前制式),音頻廣播(收音機),第一代的手機通信系統(tǒng)等.2. 數(shù)字RF通信系統(tǒng),由于其有較多優(yōu)點,已經(jīng)廣泛使用于多種通信系統(tǒng)中,如Wireless LA

4、N,GSM手機,藍牙系統(tǒng),衛(wèi)星通信系統(tǒng)等.第6頁1.4 射頻電路應(yīng)用和分類射頻電路應(yīng)用和分類(d)對于RF數(shù)字通信系統(tǒng),根據(jù)數(shù)據(jù)速率的不同,可分為寬帶(高速)RF通信系統(tǒng)和窄帶(低速)通信系統(tǒng),一般將通信速率大于2Mbits的通信系統(tǒng)稱為寬帶RF通信系統(tǒng),低于2Mbits的通信系統(tǒng)稱為低速RF通信系統(tǒng).1. 常見的寬帶通信系統(tǒng)有微波幀中繼系統(tǒng),LMDS(Local Multipoint Distribute Service，本地多點分配業(yè)務(wù))以及將來的3G手機系統(tǒng)等.2. 常見的窄帶通信系統(tǒng)有:藍牙系統(tǒng),2G手機系統(tǒng),數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)(DAB),數(shù)字無繩電話網(wǎng)(DECT,Digital Enh

5、anced Cordless Telecommunications)等.第7頁1.5 常見常見RF數(shù)字通信系統(tǒng)的速率和距離分布圖數(shù)字通信系統(tǒng)的速率和距離分布圖第8頁目錄目錄1. 射頻電路的應(yīng)用和分類 (Application For RF Circuit)2. 射頻電路的基本理論和參數(shù)定義(Basic Theory and Parameter Define)3. 射頻電路中的常用元件和功能 (General Components and Their Function)4. 射頻測試中的常用儀器介紹 (General Instruments In RF Test)第9頁2 射頻電路的基本理論和參

6、數(shù)定義射頻電路的基本理論和參數(shù)定義1.射頻(RF)電路的定義2. 傳輸線特性阻抗Z03. RF功率定義和計算4. 不連續(xù)端口的功率分布5. 信號調(diào)制方法第10頁2.1 射頻射頻(RF)電路的定義電路的定義 RF: Radio Frequency,本身沒有嚴格的定義,目前一般將在空間傳播的頻率從3k到300G的電磁波稱為射頻. 射頻電路: 處理信號的電磁波長與電路或器件尺處于同一數(shù)量級的電路可以認為是射頻(RF)電路,此時由于器件尺寸和導(dǎo)線尺寸的關(guān)系,電路需要用分布參數(shù)的相關(guān)理論來處理,這類電路都可以認為是射頻電路,對其頻率沒的嚴格的要求,如長距離傳輸?shù)慕涣鬏旊娋€(50或60Hz)有時也要用RF

7、的相關(guān)理論來處理.第11頁2.2 傳輸線的特性阻抗傳輸線的特性阻抗Z0 RF傳輸線上的電壓與電流比稱為傳輸線的特性阻抗,由于電壓和電流都是矢量,所以特性阻抗Z0是一個與信號頻率相關(guān)的復(fù)數(shù),它主要由傳輸線自身的分布參數(shù)決定:Z0=SQRT(R+jL)/(G+jC) 當傳輸線的損耗很小時,可以認為R=G=0,信號頻率對特性阻抗值影響很小,此時可以認為Z0為與頻率無關(guān)的實數(shù):Z0=SQRT(L/C) 其中L和C為分布電感和分布電容. 目有多數(shù)測試系統(tǒng)傳輸線特性阻抗均設(shè)置為50.第12頁2.3 RF功率定義和計算功率定義和計算由于RF電路功率變化范圍很大,傳統(tǒng)的結(jié)性單位定義很不方便,故使用對數(shù)單位.定

8、義線路中功率為1mW時為0dBm,由如下公式可以對對數(shù)功率和線性功率進行互相轉(zhuǎn)換:A=10 x(log10(B/1mW)=10 x(log10B)+30(其中A為對數(shù)功率,B為線性功率)1.線性功率為1W時, 對數(shù)功率為30dBm2.線性功率為1uW時,對數(shù)功率為-30dBmdBm為絕對功率,dB用來計算相對功率,主要用來計算功率的改變量,如增益和損耗的單位.第13頁2.3 RF功率定義和計算功率定義和計算dBi 和和dBddBi和和dBd是表示天線功率增益的量，兩者都是一個是表示天線功率增益的量，兩者都是一個相對值，但參考基準不一樣。相對值，但參考基準不一樣。dBi的參考基準為全的參考基準為

9、全方向性天線，方向性天線，dBd的參考基準為偶極子，所以兩者的參考基準為偶極子，所以兩者略有不同。一般認為，表示同一個增益，用略有不同。一般認為，表示同一個增益，用dBi表表示出來比用示出來比用dBd表示出來要大表示出來要大2.15。例例 對于一面增益為對于一面增益為16dBd的天線，其增益折算成單的天線，其增益折算成單位為位為dBi時，則為時，則為18.15dBi（一般忽略小數(shù)位，為（一般忽略小數(shù)位，為18dBi）。）。例例 0dBd=2.15dBi。第14頁2.4 不連續(xù)端口的功率分布不連續(xù)端口的功率分布(a) RF功率沿傳輸線經(jīng)過阻抗不連續(xù)端口時,有與光通過不連續(xù)介面的情況類似,入射功率

10、會分成兩部分:端口吸收功率和反射功率. 定性的分析:當傳輸線阻抗與端口阻抗相差越大時反射功率越大,端口吸收功率越小;反之當二者阻抗相差越小時,反射功率越小,端口吸收功率越大. 考慮兩種極限情況:輸入端口阻抗為0或為無窮大時,端口完全無法吸收功率,此時反射功率與入射功率相等,而端口吸收為0;當端口的輸入阻抗與傳輸線阻抗完全相同時,輸入功率完全被端口吸收,反射功率為0,此時我們稱之為匹配(Match),實際電路中,為了讓RF信號沿著設(shè)計的路徑通過,所有端口間應(yīng)盡可能匹配!第15頁2.4 不連續(xù)端口的功率分布不連續(xù)端口的功率分布(b) 反射系數(shù):傳輸線上一點Z(端口)處反射信號電壓(或電流)與入射信

11、號電壓(或電流)之比定義為電壓(或電流)反射系數(shù)z,該參數(shù)由傳輸線阻抗(Z0)和輸入端口(Zi)阻抗決定:z=(Zi-Z0)/(Zi+Z0) 駐波比(VSWR):傳輸線上波腹點電壓振幅與波節(jié)點電壓振幅之比為電壓駐波比,或稱為駐波系數(shù). =|U|MAX/|U|MIN=(1+ |z|)/(1-| z|) 當反射系數(shù)為0時,駐波比為1,當反射系數(shù)接近1(實際情況下不可能為1)時,駐波比取值接近無窮大第16頁2.5 信號調(diào)制方法信號調(diào)制方法(a)什么叫調(diào)制?調(diào)制是將需要傳輸?shù)男畔⒕幋a和處理,使其適合傳輸?shù)倪^程.一般的調(diào)制過程是指將基帶信號搬移到更高的頻帶內(nèi).為什么需要調(diào)制?1.基帶信號一般不適合直接傳

12、輸,需要將其移至適合在傳輸媒介傳輸和頻帶范圍內(nèi).2.提高頻率利用效率.3.利用較高的頻帶傳輸信號可有效降低接收和發(fā)送天線的尺寸(如語音信號不加以調(diào)制, 其最小波長(F=20KHz時)為15Km)4.可讓多個使用者同時復(fù)用一個頻段.第17頁2.5 信號調(diào)制方法信號調(diào)制方法(b)Baseband Signal(Information: Data, Voice, Video)Analog InformationDigital InformationCW CarrierAMFMPMASKFSKPSKCombination(QAM,CAP,)Analog ModulationDigital Modula

13、tion第18頁2.5 信號調(diào)制方法信號調(diào)制方法(c) 模擬調(diào)制:被調(diào)制信號為模擬信號. 分為: 幅度調(diào)制(AM),頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM) 數(shù)字調(diào)制:被調(diào)制信號為數(shù)字信號. 分為:振幅鍵控(ASK),頻移鍵控(FSK),相移鍵控(QSK),開關(guān)鍵控調(diào)制(OOK)以及ASK與PSK的組合調(diào)制如(DPSK,QPSK,8PSK等)第19頁2.5 信號調(diào)制方法信號調(diào)制方法(d)模擬調(diào)制:1. AM2. FM3. PM PM其實也是頻率調(diào)制,只是調(diào)制時對頻率的控制精度更高,調(diào)制電路也較為復(fù)雜.第20頁2.6 信號調(diào)制方法信號調(diào)制方法(e)數(shù)字調(diào)制:ASKFSKPSKOOK第21頁目錄目錄1.

14、 射頻電路的應(yīng)用和分類 (Application For RF Circuit)2. 射頻電路的基本理論和參數(shù)定義(Basic Theory and Parameter Define)3. 射頻電路中的常用元件和功能 (General Components and Their Function)4. 射頻測試中的常用儀器介紹 (General Instruments In RF Test)第22頁3 射頻電路中的常用元件和功能射頻電路中的常用元件和功能1. 分路器(Splitter)2. 耦合器(Coupler)3. 衰減器(Attenuator)4. 終端(Terminator)5. 功率放

15、大器(Power Amplifier)6. 隔離器(Isolator)第23頁3.1 RF分路器分路器 分路器: 將一路輸入信號分為兩路或多路的無源RF器件,多數(shù)情況下所有輸出信號功率相等,特殊情況也有N:1分路器,輸入大功率信號時該器件稱為功分器. 下圖為Wilkinson分路器模型:第24頁3.2 RF耦合器耦合器 耦合器: 將兩路或多路RF信號耦合到一路信號中的器件,該器件主要作于增加信號功率. RF電路中較常使用的一類既可用作分路器也可用作耦合器的器件, 稱為Hybrid,該器件用作分配器時除了分配功率外還可改變輸出信號的相位,但是用作耦合器時也要將輸入信號的相位錯開.第25頁3.3

16、RF衰減器衰減器(a) 衰減器:衰減器是一類無源雙端口器件,信號從一個端口進入,當信號從另一端口輸出時信號幅值會有一定的衰減,我們將輸入信號與輸出信號的功率的差值(對數(shù))稱為衰減值,單位為dB(相對值) 衰減器另一重要的參數(shù)為輸入信號功率,由于RF信號功率絕大多數(shù)都會轉(zhuǎn)化為熱功率,因此較大功率的衰減器都會有散熱片,并且功率越大,體積越大.第26頁3.3 RF衰減器衰減器(b) RF電路上常用的衰減器結(jié)構(gòu)有T型和型兩種,結(jié)構(gòu)如下圖所示:衰減值計算:定義:Rins 為輸出短路時的輸入電阻,Rino 為輸出開路時的輸入電阻.Ro=SQRT(Rins*Rino)m=R2/R1A=(1+m+SQRT(1

17、+2m)/mAtten.(dB)=20Log(a)第27頁3.3 RF衰減器衰減器(c)步進衰減器和電可調(diào)衰減器步進衰減器:如上圖電路,將多個不同衰減器串連起來,通過開關(guān)有切換可以得到不同的衰減值,這樣的衰減器即為步進衰減器.電可調(diào)衰減器:將上圖的電路集成到芯片內(nèi)部,再利用邏輯電路對和開關(guān)進行控制,即可得到電可調(diào)衰減器,其衰減值可在線編程設(shè)定.第28頁3.4 RF終端終端 終端(Terminator)是一個RF負載,無源器件,特性阻抗應(yīng)于RF電路的特性阻抗相同(一般為50),主要用來消耗無用的RF功率,將其轉(zhuǎn)化為熱能. 與衰減器類似,由于散熱方面的原因,較大功率的終端表面布滿散熱片,并且額定輸

18、入功率越大,體積越大. 正常工作的終端表面溫度較高,使用時應(yīng)注意以防燙傷.第29頁3.5 RF功率放大器功率放大器(a) 功率放大器是一類將RF信號幅值放大的有源器件,低頻電路中的放大電路使用方法類似,但使用時應(yīng)注意輸入輸出阻抗匹配. 增益(Gain):在工作范圍內(nèi),功率放大器輸出信號與輸入信號功率的(對數(shù))差值. 1dB壓縮點:由于放大器本身特性和工作環(huán)境,隨著功率放大器輸入功率增加到一定范圍,放大器增益開始減小,當增益減小1dB時,此時的輸入功率稱為1dB壓縮點.該參數(shù)定義了放大器的工作范圍. 噪聲系數(shù)(Noise Figure):放大器輸出信號的信噪比(信號與噪聲的比值)與輸入信號信噪比

19、的差值.由于放大器本身的噪聲和環(huán)境噪聲,輸出信號的信噪比一定會比輸入信號的信噪比差.第30頁3.5 RF功率放大器功率放大器(b)第31頁3.6 RF隔離器隔離器 隔離器是一種鐵氧體磁性元件,是利用鐵氧體材料的旋磁效應(yīng)制成的,其內(nèi)部的射頻信號只會沿一個特性的方向流動,即從端口1進去的信號只會從端口2出來,端口2進去的信號只會從端口3出來,端口3進出的信號只會從端口1出來. 使用如圖所示的連接后,端口1的功率會流到端口2,從端口2反向流進的功率會在端口3被電阻(終端)消耗,而不會流到端口1,故實現(xiàn)信號的單向流動,稱為“隔離”.這樣有利于保護輸出功率器件(一般為放大器)被外界信號破壞.第32頁目錄

20、目錄1. 射頻電路的應(yīng)用和分類 (Application For RF Circuit)2. 射頻電路的基本理論和參數(shù)定義(Basic Theory and Parameter Define)3. 射頻電路中的常用元件和功能 (General Components and Their Function)4. 射頻測試中的常用儀器介紹 (General Instruments In RF Test)第33頁4 RF測試中的常用儀器測試中的常用儀器1. 功率計(Power Meter)2. 信號發(fā)生器(Signal Generator)3. 頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)4. 網(wǎng)

21、絡(luò)分析儀(Network Analyzer)第34頁4.1 功率計功率計(a)功率計是一種檢測RF信號功率的儀表,因為RF信號有Cable中會有較大的損耗,為了保證測試精度,功率計分為兩部分,一部分為機身,另一部分為探頭.實際使用中探頭應(yīng)盡可能靠近待測信號源.常用RF功率探頭有三種類型:1. 熱敏電阻(Thermistor)傳感器2. 熱電偶(Thermocouple)傳感器 3. 二極管(Diode)傳感器 第35頁4.1 功率計功率計(b)熱敏電阻型功率傳感器的優(yōu)點是測試量精度度,但是動態(tài)范圍窄,為-20dBm到+10dBm,此類傳感器不常被使用;熱電偶型傳感器具有上述傳感器的優(yōu)點,并且具有較寬的動態(tài)范圍,為-30 dBm 到+20dBm.二極管型傳感器的優(yōu)點是靈敏度極高,可達到-70dBm,但檢測功率超過-20dBm時,輸出電壓與輸入功率不再是線性相關(guān)的,需要使用其它方法配合才可測試更高的RF功率.第36頁4.2 信號發(fā)生器信號發(fā)生器 信號發(fā)生器是一類可以產(chǎn)生多