射頻微波設計概論

1、1典型的GSM移動通信系統(tǒng) 2任何無線通信系統(tǒng)都包括發(fā)射機和接收機兩個基本部分。發(fā)射機的功能是將信號調(diào)制到載波上，并由天線輻射出去。接收機的功能則相反，將天線接收到的加載在載波上的信號恢復出來。發(fā)射機和接收機由調(diào)制器、功率放大器、頻率合成器、低噪聲放大器、解調(diào)器、天線以及相關的濾波器、耦合器等有源、無源基本射頻與微波電路單元構成。正確理解接收機、發(fā)射機電氣特性的有關參數(shù)，對射頻與微波電路設計十分重要。它是我們對各類有源、無源射頻與微波電路提出要求的依據(jù)。3濾波器1限制輸入信號的通帶以減少互調(diào)干擾以及本振通過天線的輻射。低噪聲放大器放大的信號與第一本振輸出的信號同時加到混頻器1，其輸出的高中頻信

2、號經(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與第二本振輸出的信號經(jīng)混頻器2再次混頻后，得到的低中頻信號通過低中頻濾波器2濾波后，最后送到檢波器恢復出基帶信號。 41靈敏度（Sensitivity）：接收機靈敏度衡量接收機檢測微弱信號的能力，對于模擬接收機用信噪比（SNR）量度，對數(shù)字接收機則用誤碼率（BER）表示。2選擇性（Selectivity）：接收機的選擇性衡量接收機抗拒接收相鄰信道信號的能力。要實現(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）：本振信號經(jīng)過混頻器泄漏到天線并經(jīng)天線輻射到自由空間引起的干擾務必低于FCC規(guī)定的電平。5接收機動態(tài)范圍是指接收機可檢測的最小信號與在失真允許情況下能接收的最

5、大信號的范圍。最小可檢測信號受限于接收機噪聲在失真允許情況下最大接收信號取決于接收機的飽和輸出特性。如果輸入功率低于動態(tài)范圍的下限，噪聲將占主導地位。如果輸入功率超過動態(tài)范圍的上限，輸出開始飽和。接收機動態(tài)范圍是設計射頻與微波電路的重要依據(jù)之一。實際系統(tǒng)（混頻器、放大器）1dB壓縮點 6接收機噪聲來自兩個方面，一是天線接收到的噪聲，二是接收機自身產(chǎn)生的噪聲。天線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是天線噪聲溫度。大氣噪聲源于閃電等因素，在10KHz附近最強，頻率超過20MHz一般可忽略。銀河噪聲來自遙遠的天體，其最大值在20MHz附近，到500MHz可忽略。人工噪聲源多種多樣。任何電路斷開與合上時，在電路上產(chǎn)生的瞬時脈沖都是人工噪聲源，從通信、廣播、電視、雷達、系統(tǒng)以至輸電線的電磁輻射被天線接收后都可看作對有用信號的干擾。接收機自身產(chǎn)生的噪聲包括放大器、濾波器、混頻器、檢波器各級產(chǎn)生的噪聲。接收機內(nèi)部噪聲限制了接收機檢測的最小信號。信號強度必須大于噪聲一定強度才能被檢測到。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關，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100MHz熱噪聲起主要作用。kTBRVn428接收機輸出信號的質(zhì)量可用信噪比（Signal-to-noise ratio,

8、 SNR）表示（1.1）信號可檢測，要求信噪比大于3dB。對于移動電話，S/N要求大于15dB。對于固定電話要30dB，電視要40dB，而對于高保真音樂則要60dB。對于雷達系統(tǒng)，高的信噪比就相當于高的檢測概率低的虛警概率。如果信噪比達到16dB，檢測概率可達到99.99%而虛警概率低于106。無用的噪聲功率電平有用信號功率電平NS9接收機可用一個二端口網(wǎng)絡表示。對于任何一個二端口網(wǎng)絡，噪聲系數(shù)F的定義是噪聲系數(shù)常用分貝表示，記為NF。對于增益為G的二端口網(wǎng)絡輸出噪聲No應為N0 = GNi +網(wǎng)絡產(chǎn)生的噪聲Nn。網(wǎng)絡產(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，而與輸入噪聲無關，故噪聲系數(shù)的定義應基于標準噪聲源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對于N個二端口網(wǎng)絡級連組成的系統(tǒng)，其總的噪聲系數(shù)為 N個網(wǎng)絡的級連由此可見，第一級的增益、噪聲系數(shù)對總鏈路的噪聲系數(shù)起決定作用。注意式中G、F是功率比

10、。對損耗為L（以功率比表示）的無源器件，G = 1/L，F(xiàn) = L。121213121111nnGGGFGGFGFFFF1G1F2G2F3G3Fn1Gn1FnGn12例題：計算如圖1-5所示兩級放大器的總噪聲系數(shù)。 級連放大器解：F1 = 3dB = 2，F(xiàn)2 = 5dB = 3.162，G1 = 20dB = 100，G2 = 20dB = 100， dB注意FF1，因為第一級放大器有較高增益。(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，所以因此級連放大器的等效噪聲溫度可表示成Ten是n級以K表示的等效噪聲溫度。oeTFT1oeTTF1121213121neneeeeGGGTGGTGTTT14混頻器、放大器以至整個接收機通常工作于線性區(qū)域，即輸出功率與輸入功率呈線性關系，其比例系數(shù)就是轉(zhuǎn)換損耗或轉(zhuǎn)換增益。線性工作時，輸入功率的變化范 圍 ， 稱 為 動 態(tài) 范 圍（dynamic range, DR）。如果輸入功率超過動態(tài)范圍的上限，輸出開始飽和；如果輸入功率低于動態(tài)范圍的下限，噪聲將占主導地位。實際系統(tǒng)（混頻器、放大器）1dB壓縮點 動態(tài)范圍定義為1dB壓縮點（1dB compression point）和最小可檢測

12、信號（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，則最小可檢測信號（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信號（MDS）為111dBm (9.741012mw)kTBNidBmmwkTBNi114104log10log1012實際系統(tǒng)（混頻器、放大器）1dB壓縮點 16對于轉(zhuǎn)換損耗為Lc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壓縮點輸出功率，PD則是1dB壓縮點對應的輸入功率。dBGPPoutD1dBLPPcoutD1當中頻輸出功率與線性時相比減小1dB，或轉(zhuǎn)換損耗增加1dB的點就叫做1dB壓縮點。此1dB壓縮點就定義為動態(tài)范圍的上限。對于增益為G的放大器或接收機在1dB壓縮點，以dBm計的輸入信號功率或驅(qū)動功率（PD）由圖可見為：實際系統(tǒng)（混頻器、放大器）1dB壓縮點17式中IP3為二個信號輸入時三階交截點（Third-order two-tone intercept），將在下節(jié)討論。 MDSPDRDMDSGIPDRsf332實際系統(tǒng)（混頻器、放大器）1dB壓縮點根據(jù)前面定義的1dB壓縮點以及增益、

14、帶寬、噪聲系數(shù)，動態(tài)范圍DR就是1dB壓縮點輸入信號功率電平與最小可檢測輸入信號電平之差，即注意，PD和MDS用dBm表示，DR則是dB。當不止一個信號加到輸入端時，動態(tài)范圍定義為“spurious-free region”，如果輸入信號電平相等，“spurious-free”動態(tài)范圍DRsf18當兩個頻率為f1、f2的信號源或更多頻率的信號源加到一個非線性器件時，原則上將會產(chǎn)生多個交調(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。 兩信號輸入時產(chǎn)生的新的頻率分量fIF1和fIF2是需要的中頻輸出信號，fIM1和

15、fIM2是三階交調(diào)信號。兩信號輸入時三階交調(diào)分量特別受到關注，因為它有可能落在中頻帶通范圍內(nèi)。Mixer or receiverfLOfIF1fIF2fIM1fIM2f1, f2 , 2 , 1 , 0,21nmnfmf21ff 12212 ,2ffff19產(chǎn)生三階交調(diào)的過程是，輸入信號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)信號幅度相對較大，且又很難用濾波器從中頻輸出信號（fIF1, fIF1）中濾除，要特別予以重視。1212IMLffffo2122IMLffffo11IFLfffo22IFLfffo22211121IMIFIFIFIFIMfffffffffIM

16、2fIM1fIF2fIF1fLOf2f1FrequencyIF bandwidthRFbandwidth20混頻器或接收機對三階交調(diào)信號的抑制程度可用三階交截點度量。三階交截點反映了所研究系統(tǒng)線性特性。在線性工作區(qū)，如果輸入信號功率增加1dB，中頻輸出信號功率也增加1dB，而IM3增加3dB，即三階交調(diào)線斜率與所要求輸出信號線斜率之比為3:1。當多級電路級連時，系統(tǒng)總的三階交截點計算步驟如下：1把所有交截點轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)輸入端，轉(zhuǎn)換規(guī)則是減去以dB計的增益，加上以dB計的損耗。2交截點功率用dBm表示。3假定所有交截點彼此獨立互不相關，則總的IP3input為 mw(1.5)4將以mw表示的IP3

17、input用dBm表示。 nIPIPIPIPinput312311311321計算下圖所示射頻系統(tǒng)總的IP3。解：將各級交截點轉(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。最簡單的發(fā)射機可能只有一個振蕩器，復雜的發(fā)射機還包括鎖相環(huán)或頻率合成器信號對振蕩器的調(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)諧可以通過電的也可通過機械的方法實現(xiàn)。5穩(wěn)定性（stability） 穩(wěn)定性指當振蕩器/發(fā)射機經(jīng)受某種電的或機械擾動后回到原先工作點的能力。%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（frequency variations）：包括頻率跳變