射頻電路基礎(chǔ)知識(shí)

1、射頻電路基礎(chǔ)知識(shí)射頻電路基礎(chǔ)知識(shí)RF Circuit Basic KnowledgeFCT Technician Training Material射頻電路基礎(chǔ)知識(shí)射頻電路的應(yīng)用和分類 (Application For RF Circuit)射頻電路的基本理論和參數(shù)定義 (Basic Theory and Parameter Define)射頻電路中的常用元件和功能 (General Components and Their Function)射頻測(cè)試中的常用儀器介紹 (General Instruments In RF Test)1.1 射頻電路應(yīng)用和分類(a)目前, 射頻(RF)電路主要用

2、于通信系統(tǒng)中,如:手機(jī)(Cell Phone),無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless LAN),無(wú)線廣播系統(tǒng)(電視和收音機(jī))等;但也有其它方面的應(yīng)用: 如雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)用遠(yuǎn)距離探測(cè)試,微波爐利用微波功率來(lái)加熱食物.Line ( Coaxial Cable )Digital RadioSatellite1.2 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(wú)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(guò)有線電視線連接數(shù)字連接的Cable Modem,通過(guò)電話線傳輸?shù)臄?shù)字用戶回路(DSL),包括ADSL,HDSL,VDSL等.1.無(wú)線射頻通信

3、系統(tǒng)的:無(wú)線電話(手機(jī)),無(wú)線傳輸?shù)碾娨暫褪找魴C(jī)廣播系統(tǒng),無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless LAN),藍(lán)牙(Blue Tooth)等1.3 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(hào)是數(shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào)又可分為模擬RF通信系統(tǒng)和數(shù)字RF通信系統(tǒng):模擬RF通信系統(tǒng),相對(duì)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(diǎn)用帶寬較多,但系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單,主要用于較早開發(fā)的系統(tǒng)中,如:電視(當(dāng)前制式),音頻廣播(收音機(jī)),第一代的手機(jī)通信系統(tǒng)等.1.數(shù)字RF通信系統(tǒng),由于其有較多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛使用于多種通信系統(tǒng)中,如Wireless LAN,GSM手機(jī),藍(lán)牙系統(tǒng),衛(wèi)星通信系統(tǒng)等.

4、1.4 射頻電路應(yīng)用和分類(d)對(duì)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).常見(jiàn)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(diǎn)分配業(yè)務(wù))以及將來(lái)的3G手機(jī)系統(tǒng)等.1.常見(jiàn)的窄帶通信系統(tǒng)有:藍(lán)牙系統(tǒng),2G手機(jī)系統(tǒng),數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)(DAB),數(shù)字無(wú)繩電話網(wǎng)(DECT,Digital Enhanced Cordless Telecommunications)等.1

5、.5 常見(jiàn)RF數(shù)字通信系統(tǒng)的速率和距離分布圖2 射頻電路的基本理論和參數(shù)定義射頻(RF)電路的定義傳輸線特性阻抗Z0RF功率定義和計(jì)算不連續(xù)端口的功率分布雙端口網(wǎng)絡(luò)和S參數(shù)信號(hào)調(diào)制方法2.1 射頻(RF)電路的定義RF: Radio Frequency,本身沒(méi)有嚴(yán)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(hào)的電磁波長(zhǎng)與電路或器件尺處于同一數(shù)量級(jí)的電路可以認(rèn)為是射頻(RF)電路,此時(shí)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(lái)處理,這類電路都可以認(rèn)為是射頻電路,對(duì)其頻率沒(méi)的嚴(yán)格的要求,如長(zhǎng)距離傳輸?shù)慕涣鬏旊娋€(50或60Hz)有時(shí)也要

6、用RF的相關(guān)理論來(lái)處理.2.2 傳輸線的特性阻抗Z0RF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(gè)與信號(hào)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(dāng)傳輸線的損耗很小時(shí),可以認(rèn)為R=G=0,信號(hào)頻率對(duì)特性阻抗值影響很小,此時(shí)可以認(rèn)為Z0為與頻率無(wú)關(guān)的實(shí)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(cè)試系統(tǒng)傳輸線特性阻抗均設(shè)置為50.2.3 RF功率定義和計(jì)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(duì)數(shù)單位.定義線路中功率為1mW時(shí)為0dBm,由如下公式可

7、以對(duì)對(duì)數(shù)功率和線性功率進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換:A=10 x(log10(B/1mW)=10 x(log10B)+30(其中A為對(duì)數(shù)功率,B為線性功率)線性功率為1W時(shí), 對(duì)數(shù)功率為30dBm線性功率為1uW時(shí),對(duì)數(shù)功率為-30dBm1.dBm為絕對(duì)功率,dB用來(lái)計(jì)算相對(duì)功率,主要用來(lái)計(jì)算功率的改變量,如增益和損耗的單位.2.4 不連續(xù)端口的功率分布(a)RF功率沿傳輸線經(jīng)過(guò)阻抗不連續(xù)端口時(shí),有與光通過(guò)不連續(xù)介面的情況類似,入射功率會(huì)分成兩部分:端口吸收功率和反射功率.定性的分析:當(dāng)傳輸線阻抗與端口阻抗相差越大時(shí)反射功率越大,端口吸收功率越小;反之當(dāng)二者阻抗相差越小時(shí),反射功率越小,端口吸收功率越大.考慮

8、兩種極限情況:輸入端口阻抗為0或?yàn)闊o(wú)窮大時(shí),端口完全無(wú)法吸收功率,此時(shí)反射功率與入射功率相等,而端口吸收為0;當(dāng)端口的輸入阻抗與傳輸線阻抗完全相同時(shí),輸入功率完全被端口吸收,反射功率為0,此時(shí)我們稱之為匹配(Match),實(shí)際電路中,為了讓RF信號(hào)沿著設(shè)計(jì)的路徑通過(guò),所有端口間應(yīng)盡可能匹配!2.4 不連續(xù)端口的功率分布(b)反射系數(shù):傳輸線上一點(diǎn)Z(端口)處反射信號(hào)電壓(或電流)與入射信號(hào)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(diǎn)電壓振幅與波節(jié)點(diǎn)電壓振幅之比為電壓駐

9、波比,或稱為駐波系數(shù). =|U|MAX/|U|MIN=(1+ |z|)/(1-| z|)當(dāng)反射系數(shù)為0時(shí),駐波比為1,當(dāng)反射系數(shù)接近1(實(shí)際情況下不可能為1)時(shí),駐波比取值接近無(wú)窮大2.5 雙端口網(wǎng)絡(luò)和S參數(shù)(a)我們可以將很多常用的RF電路簡(jiǎn)化為上圖的雙端口網(wǎng)絡(luò)模型,其中:端口1為輸入端口,端口2為輸入端口;Zs為輸入信號(hào)源阻抗,ZL為負(fù)載阻抗;a1為端口1輸入功率,b1為端口1輸出功率(包括反射)1.a2為端口1輸入功率,b2為端口1輸出功率(包括反射)2.5 雙端口網(wǎng)絡(luò)和S參數(shù)(b)定義: a1=S11a1+S21a2 b2=S12a1+S22a2a2=0時(shí): S11=b1/a1 S21

10、=b2/a1a1=0時(shí): S22=b2/a2 S12=b1/a22.5 雙端口網(wǎng)絡(luò)和S參數(shù)(c)雙端口網(wǎng)絡(luò): S11=b1/a1,可以認(rèn)為是雙端口網(wǎng)絡(luò)輸出端匹配時(shí)輸入端口的反射系數(shù).雙端口網(wǎng)絡(luò): S21=b2/a1,可以認(rèn)為是雙端口網(wǎng)絡(luò)輸出端匹配時(shí)的增益(Gain,此時(shí)雙端口網(wǎng)絡(luò)為功率放大器)或插入損耗(Insertion Loss,此時(shí)雙端口網(wǎng)絡(luò)為衰減器).雙端口網(wǎng)絡(luò): S22=b2/a2,可以認(rèn)為是雙端口網(wǎng)絡(luò)在輸入端接上匹配負(fù)載后輸出端的反射系數(shù).雙端口網(wǎng)絡(luò): S12=b1/a2,可以認(rèn)為是雙端口網(wǎng)絡(luò)在輸入端接上匹配負(fù)載后的反向增益或反向插入損耗.2.6 信號(hào)調(diào)制方法(a)什么叫調(diào)制?調(diào)制

11、是將需要傳輸?shù)男畔⒕幋a和處理,使其適合傳輸?shù)倪^(guò)程.一般的調(diào)制過(guò)程是指將基帶信號(hào)搬移到更高的頻帶內(nèi).為什么需要調(diào)制?基帶信號(hào)一般不適合直接傳輸,需要將其移至適合在傳輸媒介傳輸和頻帶范圍內(nèi).提高頻率利用效率.利用較高的頻帶傳輸信號(hào)可有效降低接收和發(fā)送天線的尺寸(如語(yǔ)音信號(hào)不加以調(diào)制, 其最小波長(zhǎng)(F=20KHz時(shí))為15Km)1.可讓多個(gè)使用者同時(shí)復(fù)用一個(gè)頻段.2.6 信號(hào)調(diào)制方法(b)Baseband Signal(Information: Data, Voice, Video)Analog InformationDigital InformationCW CarrierAMFMPMASKFSK

12、PSKCombination(QAM,CAP,)Analog ModulationDigital Modulation2.6 信號(hào)調(diào)制方法(c)模擬調(diào)制:被調(diào)制信號(hào)為模擬信號(hào).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(hào)為數(shù)字信號(hào).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)2.6 信號(hào)調(diào)制方法(d)模擬調(diào)制:AMFMPM PM其實(shí)也是頻率調(diào)制,只是調(diào)制時(shí)對(duì)頻率的控制精度更高,調(diào)制電路也較為復(fù)雜.2.6 信號(hào)調(diào)制方法(e)數(shù)字調(diào)制:ASKFSKPSK1

13、.OOK2.6 信號(hào)調(diào)制方法(f)IQ調(diào)制在ASK與PSK組合調(diào)制時(shí),信號(hào)幅值和相位以極坐標(biāo)表示(以原點(diǎn)為極點(diǎn))即可得出下圖,其水平方向分量稱為I,垂直方向分量稱為Q.f fMagnitudePhaseViVqQI2.6 信號(hào)調(diào)制方法(g)BPSKQI0 State1 StateBPSKConstellationDiagram星座圖2.6 信號(hào)調(diào)制方法(g)QPSKViVqQI000110114 Possible States星座圖2.6 信號(hào)調(diào)制方法(g)8QAMThree bits per baud QAM (8QAM)Possible States and the Resulting B

14、it Stream for 8QAM星座圖3 射頻電路中的常用元件和功能分路器(Splitter)耦合器(Coupler)衰減器(Attenuator)終端(Terminator)功率放大器(Power Amplifier)隔離器(Isolator)3.1 RF分路器分路器: 將一路輸入信號(hào)分為兩路或多路的無(wú)源RF器件,多數(shù)情況下所有輸出信號(hào)功率相等,特殊情況也有N:1分路器,輸入大功率信號(hào)時(shí)該器件稱為功分器.下圖為Wilkinson分路器模型:3.2 RF耦合器耦合器: 將兩路或多路RF信號(hào)耦合到一路信號(hào)中的器件,該器件主要作于增加信號(hào)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

15、器的器件, 稱為Hybrid,該器件用作分配器時(shí)除了分配功率外還可改變輸出信號(hào)的相位,但是用作耦合器時(shí)也要將輸入信號(hào)的相位錯(cuò)開.3.3 RF衰減器(a)衰減器:衰減器是一類無(wú)源雙端口器件,信號(hào)從一個(gè)端口進(jìn)入,當(dāng)信號(hào)從另一端口輸出時(shí)信號(hào)幅值會(huì)有一定的衰減,我們將輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的功率的差值(對(duì)數(shù))稱為衰減值,單位為dB(相對(duì)值)衰減器另一重要的參數(shù)為輸入信號(hào)功率,由于RF信號(hào)功率絕大多數(shù)都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱功率,因此較大功率的衰減器都會(huì)有散熱片,并且功率越大,體積越大.3.3 RF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(jì)算:定義:Rins 為輸出短路時(shí)的輸入電阻,

16、Rino 為輸出開路時(shí)的輸入電阻.Ro=SQRT(Rins*Rino)m=R2/R1A=(1+m+SQRT(1+2m)/mAtten.(dB)=20Log(a)3.3 RF衰減器(c)步進(jìn)衰減器和電可調(diào)衰減器步進(jìn)衰減器:如上圖電路,將多個(gè)不同衰減器串連起來(lái),通過(guò)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(jìn)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(duì)和開關(guān)進(jìn)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.3.4 RF終端終端(Terminator)是一個(gè)RF負(fù)載,無(wú)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(lái)消耗無(wú)用的RF功率,將其轉(zhuǎn)化為

17、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(shí)應(yīng)注意以防燙傷.3.5 RF功率放大器(a)功率放大器是一類將RF信號(hào)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(shí)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(hào)與輸入信號(hào)功率的(對(duì)數(shù))差值. 1dB壓縮點(diǎn):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(dāng)增益減小1dB時(shí),此時(shí)的輸入功率稱為1dB壓縮點(diǎn).該參數(shù)定義了放大器的工作范圍. 噪聲系數(shù)(Noise Figure):

18、放大器輸出信號(hào)的信噪比(信號(hào)與噪聲的比值)與輸入信號(hào)信噪比的差值.由于放大器本身的噪聲和環(huán)境噪聲,輸出信號(hào)的信噪比一定會(huì)比輸入信號(hào)的信噪比差.3.5 RF功率放大器(b)功率放大器電路:3.6 RF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(hào)只會(huì)沿一個(gè)特性的方向流動(dòng),即從端口1進(jìn)去的信號(hào)只會(huì)從端口2出來(lái),端口2進(jìn)去的信號(hào)只會(huì)從端口3出來(lái),端口3進(jìn)出的信號(hào)只會(huì)從端口1出來(lái). 使用如圖所示的連接后,端口1的功率會(huì)流到端口2,從端口2反向流進(jìn)的功率會(huì)在端口3被電阻(終端)消耗,而不會(huì)流到端口1,故實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單向流動(dòng),稱為“隔離”.這樣有利于保護(hù)輸出功率器件(一

19、般為放大器)被外界信號(hào)破壞.4 RF測(cè)試中的常用儀器功率計(jì)(Power Meter)信號(hào)發(fā)生器(Signal Generator)頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)網(wǎng)絡(luò)分析儀(Network Analyzer)4.1 功率計(jì)(a)功率計(jì)是一種檢測(cè)RF信號(hào)功率的儀表,因?yàn)镽F信號(hào)有Cable中會(huì)有較大的損耗,為了保證測(cè)試精度,功率計(jì)分為兩部分,一部分為機(jī)身,另一部分為探頭.實(shí)際使用中探頭應(yīng)盡可能靠近待測(cè)信號(hào)源.常用RF功率探頭有三種類型:熱敏電阻(Thermistor)傳感器熱電偶(Thermocouple)傳感器 1.二極管(Diode)傳感器 4.1 功率計(jì)(b)熱敏電阻型功率傳感器的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試量精度度,但是動(dòng)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(diǎn),并且具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍,為-30 dBm 到+20dBm.二極管型傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度極高,可達(dá)到-70dBm,但檢測(cè)功率超過(guò)-20dBm時(shí),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(cè)試更高的RF功率.4.2 信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器是一類可以產(chǎn)生多種RF信號(hào)的儀器,在RF電路測(cè)試中作為信號(hào)源來(lái)使用,我們可以設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)