射頻微波設(shè)計(jì)概論

1、1典型的GSM移動(dòng)通信系統(tǒng) 2任何無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)都包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩個(gè)基本部分。發(fā)射機(jī)的功能是將信號(hào)調(diào)制到載波上，并由天線(xiàn)輻射出去。接收機(jī)的功能則相反，將天線(xiàn)接收到的加載在載波上的信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)由調(diào)制器、功率放大器、頻率合成器、低噪聲放大器、解調(diào)器、天線(xiàn)以及相關(guān)的濾波器、耦合器等有源、無(wú)源基本射頻與微波電路單元構(gòu)成。正確理解接收機(jī)、發(fā)射機(jī)電氣特性的有關(guān)參數(shù)，對(duì)射頻與微波電路設(shè)計(jì)十分重要。它是我們對(duì)各類(lèi)有源、無(wú)源射頻與微波電路提出要求的依據(jù)。3濾波器1限制輸入信號(hào)的通帶以減少互調(diào)干擾以及本振通過(guò)天線(xiàn)的輻射。低噪聲放大器放大的信號(hào)與第一本振輸出的信號(hào)同時(shí)加到混頻器1，其輸出的高中頻信

2、號(hào)經(jīng)高中頻濾波器1濾波后被高中頻放大器1放大。被放大的高中頻信號(hào)與第二本振輸出的信號(hào)經(jīng)混頻器2再次混頻后，得到的低中頻信號(hào)通過(guò)低中頻濾波器2濾波后，最后送到檢波器恢復(fù)出基帶信號(hào)。 41靈敏度（Sensitivity）：接收機(jī)靈敏度衡量接收機(jī)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力，對(duì)于模擬接收機(jī)用信噪比（SNR）量度，對(duì)數(shù)字接收機(jī)則用誤碼率（BER）表示。2選擇性（Selectivity）：接收機(jī)的選擇性衡量接收機(jī)抗拒接收相鄰信道信號(hào)的能力。要實(shí)現(xiàn)70-90dB選擇性是很困難的。3Spurious response rejection: the ability of reject undesirable chann

3、el responses is important in reducing interference. This can be accomplished by properly choosing the IF and using various filters. Rejection of 70-80 dB is possible.4Intermodulation rejection: the receiver has the tendency to generate its own on-channel interference from one or more RF signals. Tho

4、se interference signals are called intermodulation (IM) products. Greater than 70 dB rejection is normally desirable.5頻率穩(wěn)定性（frequency stability）：本振的頻率穩(wěn)定性對(duì)于降低頻率調(diào)制，相位噪聲十分重要。常用的頻率穩(wěn)定技術(shù)有介質(zhì)諧振器、鎖相環(huán)、頻率綜合器等。6輻射（radiation emission）：本振信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器泄漏到天線(xiàn)并經(jīng)天線(xiàn)輻射到自由空間引起的干擾務(wù)必低于FCC規(guī)定的電平。5接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍是指接收機(jī)可檢測(cè)的最小信號(hào)與在失真允許情況下能接收的最

5、大信號(hào)的范圍。最小可檢測(cè)信號(hào)受限于接收機(jī)噪聲在失真允許情況下最大接收信號(hào)取決于接收機(jī)的飽和輸出特性。如果輸入功率低于動(dòng)態(tài)范圍的下限，噪聲將占主導(dǎo)地位。如果輸入功率超過(guò)動(dòng)態(tài)范圍的上限，輸出開(kāi)始飽和。接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍是設(shè)計(jì)射頻與微波電路的重要依據(jù)之一。實(shí)際系統(tǒng)（混頻器、放大器）1dB壓縮點(diǎn) 6接收機(jī)噪聲來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，一是天線(xiàn)接收到的噪聲，二是接收機(jī)自身產(chǎn)生的噪聲。天線(xiàn)接收到的噪聲包括天空噪聲（sky noise），大氣噪聲（atmospheric noise），地球噪聲（earth noise）、銀河噪聲（galactic noise）和人工噪聲（man-made noise）。天空噪聲的噪聲功率可

6、表示為式中B是帶寬，k = 1.381023 J/K，是波爾茲曼常數(shù)。TA是天線(xiàn)噪聲溫度。大氣噪聲源于閃電等因素，在10KHz附近最強(qiáng)，頻率超過(guò)20MHz一般可忽略。銀河噪聲來(lái)自遙遠(yuǎn)的天體，其最大值在20MHz附近，到500MHz可忽略。人工噪聲源多種多樣。任何電路斷開(kāi)與合上時(shí)，在電路上產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖都是人工噪聲源，從通信、廣播、電視、雷達(dá)、系統(tǒng)以至輸電線(xiàn)的電磁輻射被天線(xiàn)接收后都可看作對(duì)有用信號(hào)的干擾。接收機(jī)自身產(chǎn)生的噪聲包括放大器、濾波器、混頻器、檢波器各級(jí)產(chǎn)生的噪聲。接收機(jī)內(nèi)部噪聲限制了接收機(jī)檢測(cè)的最小信號(hào)。信號(hào)強(qiáng)度必須大于噪聲一定強(qiáng)度才能被檢測(cè)到。BkTNA71熱噪聲（Thermal,

7、Johnson, or Nyquist noise）：電阻熱噪聲源于束縛電荷的隨機(jī)起伏。在通帶B范圍內(nèi)熱電阻噪聲電壓的均方值為式中k為波爾茲曼常數(shù)；T是電阻器的絕對(duì)溫度，單位K；B是帶寬，單位為Hz；R是電阻，單位為。熱噪聲分布與頻率無(wú)關(guān)，也叫做白噪聲。2閃粒噪聲（shot noise）：閃粒噪聲源于真空電子管、固態(tài)器件發(fā)射電子的起伏。31/f噪聲（Flicker or 1/f噪聲）：顧名思義，1/f噪聲與頻率成反比，從1Hz到100MHz范圍內(nèi)1/f噪聲才是重要的。超過(guò)100MHz熱噪聲起主要作用。kTBRVn428接收機(jī)輸出信號(hào)的質(zhì)量可用信噪比（Signal-to-noise ratio,

8、 SNR）表示（1.1）信號(hào)可檢測(cè)，要求信噪比大于3dB。對(duì)于移動(dòng)電話(huà)，S/N要求大于15dB。對(duì)于固定電話(huà)要30dB，電視要40dB，而對(duì)于高保真音樂(lè)則要60dB。對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)，高的信噪比就相當(dāng)于高的檢測(cè)概率低的虛警概率。如果信噪比達(dá)到16dB，檢測(cè)概率可達(dá)到99.99%而虛警概率低于106。無(wú)用的噪聲功率電平有用信號(hào)功率電平NS9接收機(jī)可用一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)表示。對(duì)于任何一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，噪聲系數(shù)F的定義是噪聲系數(shù)常用分貝表示，記為NF。對(duì)于增益為G的二端口網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲No應(yīng)為N0 = GNi +網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲Nn。網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲Nn為 （W） 故所以 （W）故以分貝表示的輸出噪聲等于輸入噪聲N

9、o(dB)加上噪聲系數(shù)F(dB)和增益G(dB)。Ni = kTBFGNnNoSoSiooiiNSNSF/輸出端信噪功率比輸入端信噪功率比ioGSS ionGNNNiooiiiGNNNGSNSF/ioFGNN10噪聲系數(shù)要只反映器件本身噪聲性能，而與輸入噪聲無(wú)關(guān)，故噪聲系數(shù)的定義應(yīng)基于標(biāo)準(zhǔn)噪聲源Ni。 （W）式中k是波爾茲曼常數(shù)，T = 290K（室溫），B是帶寬。因此噪聲系數(shù)F成為Ni = kTBFGNnNoSoSikTBNiGkTBNFo11對(duì)于N個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)連組成的系統(tǒng)，其總的噪聲系數(shù)為 N個(gè)網(wǎng)絡(luò)的級(jí)連由此可見(jiàn)，第一級(jí)的增益、噪聲系數(shù)對(duì)總鏈路的噪聲系數(shù)起決定作用。注意式中G、F是功率比

10、。對(duì)損耗為L(zhǎng)（以功率比表示）的無(wú)源器件，G = 1/L，F(xiàn) = L。121213121111nnGGGFGGFGFFFF1G1F2G2F3G3Fn1Gn1FnGn12例題：計(jì)算如圖1-5所示兩級(jí)放大器的總噪聲系數(shù)。 級(jí)連放大器解：F1 = 3dB = 2，F(xiàn)2 = 5dB = 3.162，G1 = 20dB = 100，G2 = 20dB = 100， dB注意FF1，因?yàn)榈谝患?jí)放大器有較高增益。(需要換算為dB) !F1 = 3 dBG1 = 20 dBF2 = 5 dBG2 = 20 dB06. 31001162. 321121GFFF13等效噪聲溫度定義為式中To = 290K，F(xiàn)以功率

11、比表示，所以因此級(jí)連放大器的等效噪聲溫度可表示成Ten是n級(jí)以K表示的等效噪聲溫度。oeTFT1oeTTF1121213121neneeeeGGGTGGTGTTT14混頻器、放大器以至整個(gè)接收機(jī)通常工作于線(xiàn)性區(qū)域，即輸出功率與輸入功率呈線(xiàn)性關(guān)系，其比例系數(shù)就是轉(zhuǎn)換損耗或轉(zhuǎn)換增益。線(xiàn)性工作時(shí)，輸入功率的變化范 圍 ， 稱(chēng) 為 動(dòng) 態(tài) 范 圍（dynamic range, DR）。如果輸入功率超過(guò)動(dòng)態(tài)范圍的上限，輸出開(kāi)始飽和；如果輸入功率低于動(dòng)態(tài)范圍的下限，噪聲將占主導(dǎo)地位。實(shí)際系統(tǒng)（混頻器、放大器）1dB壓縮點(diǎn) 動(dòng)態(tài)范圍定義為1dB壓縮點(diǎn)（1dB compression point）和最小可檢測(cè)

12、信號(hào)（Minimum Detectable Signal, MDS）之間的區(qū)域。既可用輸入功率表示，也可用輸出功率表示。15匹配電阻負(fù)載的噪聲電平為如果假定T為室溫（290K），帶寬為1MHz，則最小可檢測(cè)信號(hào)（MDS）定義為比噪聲功率高3dB的電平，故MDS = 114dBm + 3dB = 111dBm所以在室溫及1MHz帶寬條件下最小可檢測(cè)信號(hào)（MDS）為111dBm (9.741012mw)kTBNidBmmwkTBNi114104log10log1012實(shí)際系統(tǒng)（混頻器、放大器）1dB壓縮點(diǎn) 16對(duì)于轉(zhuǎn)換損耗為L(zhǎng)c的混頻器注意式中PD、Pout都以dBm表示，而G、Lc以dB表示。P

13、out是1dB壓縮點(diǎn)輸出功率，PD則是1dB壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入功率。dBGPPoutD1dBLPPcoutD1當(dāng)中頻輸出功率與線(xiàn)性時(shí)相比減小1dB，或轉(zhuǎn)換損耗增加1dB的點(diǎn)就叫做1dB壓縮點(diǎn)。此1dB壓縮點(diǎn)就定義為動(dòng)態(tài)范圍的上限。對(duì)于增益為G的放大器或接收機(jī)在1dB壓縮點(diǎn)，以dBm計(jì)的輸入信號(hào)功率或驅(qū)動(dòng)功率（PD）由圖可見(jiàn)為：實(shí)際系統(tǒng)（混頻器、放大器）1dB壓縮點(diǎn)17式中IP3為二個(gè)信號(hào)輸入時(shí)三階交截點(diǎn)（Third-order two-tone intercept），將在下節(jié)討論。 MDSPDRDMDSGIPDRsf332實(shí)際系統(tǒng)（混頻器、放大器）1dB壓縮點(diǎn)根據(jù)前面定義的1dB壓縮點(diǎn)以及增益、

14、帶寬、噪聲系數(shù)，動(dòng)態(tài)范圍DR就是1dB壓縮點(diǎn)輸入信號(hào)功率電平與最小可檢測(cè)輸入信號(hào)電平之差，即注意，PD和MDS用dBm表示，DR則是dB。當(dāng)不止一個(gè)信號(hào)加到輸入端時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍定義為“spurious-free region”，如果輸入信號(hào)電平相等，“spurious-free”動(dòng)態(tài)范圍DRsf18當(dāng)兩個(gè)頻率為f1、f2的信號(hào)源或更多頻率的信號(hào)源加到一個(gè)非線(xiàn)性器件時(shí)，原則上將會(huì)產(chǎn)生多個(gè)交調(diào)分量（Intermodulation (IM) products），并可分為二階交調(diào)分量 ，三階交調(diào)分量 ，以及更高階交調(diào)分量。 兩信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生的新的頻率分量fIF1和fIF2是需要的中頻輸出信號(hào)，fIM1和

15、fIM2是三階交調(diào)信號(hào)。兩信號(hào)輸入時(shí)三階交調(diào)分量特別受到關(guān)注，因?yàn)樗锌赡苈湓谥蓄l帶通范圍內(nèi)。Mixer or receiverfLOfIF1fIF2fIM1fIM2f1, f2 , 2 , 1 , 0,21nmnfmf21ff 12212 ,2ffff19產(chǎn)生三階交調(diào)的過(guò)程是，輸入信號(hào)f1和f2混頻，再跟本振差拍，得到（1.4）注意頻率間隔為這些三階交調(diào)信號(hào)幅度相對(duì)較大，且又很難用濾波器從中頻輸出信號(hào)（fIF1, fIF1）中濾除，要特別予以重視。1212IMLffffo2122IMLffffo11IFLfffo22IFLfffo22211121IMIFIFIFIFIMfffffffffIM

16、2fIM1fIF2fIF1fLOf2f1FrequencyIF bandwidthRFbandwidth20混頻器或接收機(jī)對(duì)三階交調(diào)信號(hào)的抑制程度可用三階交截點(diǎn)度量。三階交截點(diǎn)反映了所研究系統(tǒng)線(xiàn)性特性。在線(xiàn)性工作區(qū)，如果輸入信號(hào)功率增加1dB，中頻輸出信號(hào)功率也增加1dB，而IM3增加3dB，即三階交調(diào)線(xiàn)斜率與所要求輸出信號(hào)線(xiàn)斜率之比為3:1。當(dāng)多級(jí)電路級(jí)連時(shí)，系統(tǒng)總的三階交截點(diǎn)計(jì)算步驟如下：1把所有交截點(diǎn)轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)輸入端，轉(zhuǎn)換規(guī)則是減去以dB計(jì)的增益，加上以dB計(jì)的損耗。2交截點(diǎn)功率用dBm表示。3假定所有交截點(diǎn)彼此獨(dú)立互不相關(guān)，則總的IP3input為 mw(1.5)4將以mw表示的IP3

17、input用dBm表示。 nIPIPIPIPinput312311311321計(jì)算下圖所示射頻系統(tǒng)總的IP3。解：將各級(jí)交截點(diǎn)轉(zhuǎn)換到輸入端射頻系統(tǒng)（L損耗，G增益，LC轉(zhuǎn)換損耗）所以系統(tǒng)總的IP3為 mwdBmIPIPIPIPIP93. 207. 493. 2log1095.19198. 311 .25111log104313312311311log103或22發(fā)射機(jī)一般包括振蕩器、調(diào)制器、上變頻器、濾波器、功率放大器。最簡(jiǎn)單的發(fā)射機(jī)可能只有一個(gè)振蕩器，復(fù)雜的發(fā)射機(jī)還包括鎖相環(huán)或頻率合成器信號(hào)對(duì)振蕩器的調(diào)制方式有振幅調(diào)制（AM）、相位調(diào)制（FM、PM）或數(shù)字調(diào)制振蕩器輸出功率也可上變頻到更高的

18、頻率，功率放大器用來(lái)提高高頻輸出功率。為了減小相位噪聲可用鎖相環(huán)將振蕩器相位鎖定，或用頻率合成器代替一般的振蕩器。鎖相環(huán)、頻率合成器都基于高頻率穩(wěn)定度的晶振。InformationPower amplifiersModulatorFilterUpconverterOscillatorFilter23表示振蕩器的特征參數(shù)有：1輸出功率與工作頻率（power output and operating frequency）2效率（efficiency）有兩種定義，一種是直流到射頻（dc-to-RF）轉(zhuǎn)換效率，定義為另一種定義叫做功率附加效率PAE（power added efficiency），其定

19、義為Pout、Pin分別為射頻輸出、輸入功率。3輸出功率隨頻率變化（power output variation）4頻率調(diào)諧范圍（frequency tuning range） 頻率調(diào)諧可以通過(guò)電的也可通過(guò)機(jī)械的方法實(shí)現(xiàn)。5穩(wěn)定性（stability） 穩(wěn)定性指當(dāng)振蕩器/發(fā)射機(jī)經(jīng)受某種電的或機(jī)械擾動(dòng)后回到原先工作點(diǎn)的能力。%100dcRFPP%100dcinoutPPPInformationPower amplifiersModulatorFilterUpconverterOscillatorFilter246電路品質(zhì)因數(shù)（circuit quality(Q) factor）：指振蕩器諧振電路的固有品質(zhì)因數(shù)以及有載品質(zhì)因數(shù)。7噪聲（noise）有AM、FM噪聲，還有相位噪聲。8頻率波動(dòng)（frequency variations）：包括頻率跳變