射頻基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)

1、一、頻譜分析儀部分什么是頻譜分析儀?頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，可用以測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測(cè)量?jī)x器。我們現(xiàn)在所用的頻譜儀大部分是掃頻調(diào)諧超外差頻譜分析儀。頻譜儀工作原理輸入信號(hào)經(jīng)衰減器以限制信號(hào)幅度，經(jīng)低通輸入濾波器濾除不需的頻率，然后經(jīng)混頻器與本振(LO)信號(hào)混頻將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換到中頻(IF)。LO的頻率由掃頻發(fā)生器控制。隨著LO頻率的改變，混頻器的輸出信號(hào)(它包括兩個(gè)原始信號(hào)，它們的和、差及諧波，)由分辨力帶寬濾波器濾出本振比輸入信號(hào)高的中頻，并以對(duì)數(shù)標(biāo)度放大或壓縮。然后用檢

2、波器對(duì)通過(guò)IF濾波器的信號(hào)進(jìn)行整流，從而得到驅(qū)動(dòng)顯示垂直部分的直流電壓。隨著掃頻發(fā)生器掃過(guò)某一頻率范圍，屏幕上就會(huì)畫出一條跡線。該跡線示出了輸入信號(hào)在所顯示頻率范圍內(nèi)的頻率成分。輸入衰減器保證頻譜儀在寬頻范圍內(nèi)保持良好匹配特性，以減小失配誤差;保護(hù)混頻器及其它中頻處理電路，防止部件損壞和產(chǎn)生過(guò)大的非線性失真?；祛l器完成信號(hào)的頻譜搬移，將不同頻率輸入信號(hào)變換到相應(yīng)中頻。在低頻段(<3GHz)利用高混頻和低通濾波器抑制鏡像干擾;在高頻段(>3GHz)利用帶通跟蹤濾波器抑制鏡像干擾。本振(LO)它是一個(gè)壓控振蕩器，其頻率是受掃頻發(fā)生器控制的。其頻率穩(wěn)定度鎖相于參考源。掃頻發(fā)生器除了控制本

3、振頻率外，它也能控制水平偏轉(zhuǎn)顯示，鋸齒波掃描使頻譜儀屏幕上從左到右顯示信號(hào)，然后重復(fù)這個(gè)掃描不斷更新跡線。掃頻寬度(Span)是從左fstart到右fstop10格的頻率差，例如：Span=1MHz,則100kHz/div.中頻放大器其增益和衰減器設(shè)置值連動(dòng)工作，即當(dāng)輸入衰減10dB時(shí)，則中頻增益同時(shí)增加10dB,使輸入信號(hào)電平保持不變。屏幕頂格線參考電平間接設(shè)置 中頻增益值。當(dāng)參考電平(或)10dB,則增益(或)使信號(hào)移(或移)10dB,即改變信號(hào)顯示位置，但信號(hào)幅度保持不變。當(dāng)輸入衰減增加 10dB時(shí)，信噪比減小10dB.這是因?yàn)檩斎胨p在混頻器之前，只對(duì)信號(hào)電平進(jìn)行衰減，而噪聲是混頻以后

4、產(chǎn)生的，為保證輸入信號(hào)電平不變，混頻后的信號(hào)要相應(yīng)地放大10dB,這樣噪聲也就跟著相應(yīng)地放大，即噪聲電平增加10dB.中頻濾波器也稱分辨力帶寬濾波器，用來(lái)分辨不同頻率的信號(hào)。它只允許本振信號(hào)減去輸入信號(hào)的差頻等于中頻時(shí)，才能通過(guò)中頻濾波器，最后在屏幕上顯示。其它干擾信號(hào)將被抑制掉。中頻濾波器的3dB帶寬也稱作分辨力帶寬(RBW)。之所以在頻譜儀上信號(hào)不可能顯示為無(wú)線細(xì)的線，而是有一定的寬度，是因?yàn)楫?dāng)調(diào)諧通過(guò)信號(hào)時(shí)，其形狀是頻譜儀自身分辨帶寬(IF濾波器)形狀的顯示。當(dāng)改變RBW時(shí)，就改變了顯示響應(yīng)的寬度。對(duì)數(shù)放大器對(duì)數(shù)放大器按照對(duì)數(shù)函數(shù)來(lái)壓縮信號(hào)電平（對(duì)于輸入電壓幅度v,輸出電壓幅度為logv

5、），這大大減小了由檢波器所檢測(cè)的信號(hào)電平變化，而同時(shí)向用戶提供校準(zhǔn)成用分貝讀數(shù)的對(duì)數(shù)垂直刻度，在頻譜分析儀中，由于信號(hào)電平大幅度變化，故需要采用對(duì)數(shù)刻度。包絡(luò)檢波器輸入信號(hào)幅度的信息包含在中頻信號(hào)的幅度中，通過(guò)使用模擬或者數(shù)字濾波器，在濾除高的中頻信號(hào)之后，可以得到中頻信號(hào)的包絡(luò)。視頻濾波器視頻濾波器是平滑噪聲顯示的。它是對(duì)檢波器輸出視頻信號(hào)進(jìn)行低通濾波平均處理來(lái)平滑顯示的。減小視頻帶寬(VBW)，可對(duì)頻譜顯示中的噪聲抖動(dòng)進(jìn)行平滑，從而減小顯示抖動(dòng)的范圍。這樣有利頻譜儀發(fā)現(xiàn)淹沒(méi)在噪聲中的小功率連續(xù)波(CW)信號(hào)，還可提高測(cè)量的重復(fù)性。檢波器由于從起始頻率到終止頻率掃描點(diǎn)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于儀器能夠顯

6、示的象素點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)到顯示點(diǎn)之間有個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱作檢波。相位噪聲頻譜儀的相位噪聲指本地振蕩器短時(shí)間穩(wěn)定度的度量參數(shù)。定義：偏離中心頻率多少Hz處，單位帶寬內(nèi)的功率與總信號(hào)功率相比。其單位為dBc(1Hz)或dBc/Hz。dBc是某一頻點(diǎn)輸出功率和載頻輸出功率的比值的對(duì)數(shù)表示形式。平均顯示噪聲電平是頻譜儀靈敏度的度量指標(biāo)，決定了頻譜儀的最小可檢測(cè)電平。如何提升頻譜儀靈敏度1. 關(guān)閉衰減；2.減小RBW；3.減小VBW；4.開(kāi)啟前置放大器動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍是頻譜分析儀同時(shí)處理不同電平信號(hào)的能力。動(dòng)態(tài)范圍的限值依賴于實(shí)際所要進(jìn)行的測(cè)量，動(dòng)態(tài)范圍下限是由自然噪聲或相位噪聲決定的，動(dòng)態(tài)范圍的上限是由1dB壓

7、縮點(diǎn)或由頻譜儀過(guò)載而造成的失真決定的。失真信號(hào)在通過(guò)射頻通道（這里所謂的射頻通道是指射頻收發(fā)信機(jī)通道，不包括空間段衰落信道）時(shí)會(huì)有一定程度的失真，失真可以分為線性失真和非線性失真。產(chǎn)生線性失真的主要有一些濾波器等無(wú)源器件，產(chǎn)生非線性失真的主要有一些放大器、混頻器等有源器件。另外射頻通道還會(huì)有一些加性噪聲和乘性噪聲的引入。線性失真可以分成線性幅度失真和線性相位失真，從頻域可以很方便表示這些失真，如下圖非線性失真非線性幅度失真常用1dB壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)、三階截止點(diǎn)等指標(biāo)衡量。1dB壓縮點(diǎn)：例如一個(gè)射頻放大器，當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，其輸出與輸入可以保證線關(guān)系，輸入電平增加1dB，輸出相應(yīng)增加1dB，增益

8、保持不變，隨著輸入信號(hào)電平的增加，輸入電平增加1dB，輸出將增加不到1dB，增益開(kāi)始?jí)嚎s，增益壓縮1dB時(shí)的輸入信號(hào)電平稱為輸入1dB壓縮點(diǎn)，這時(shí)輸出信號(hào)電平稱為輸出1dB壓縮點(diǎn)。三階交調(diào)：用兩個(gè)相隔f，且電平相等的單音信號(hào)同時(shí)輸入一個(gè)射頻放大器，則放大器的輸出頻譜大致如下：三階交調(diào)常用dBc表示，即交調(diào)產(chǎn)物與主輸出信號(hào)的比。三階截止點(diǎn)：任一微波單元電路，輸入雙音信號(hào)同時(shí)增加1dB，輸出三階交調(diào)產(chǎn)物將增加3dB，而主輸出信號(hào)僅增加1dB（不考慮壓縮），這樣輸入信號(hào)電平增加到一定值時(shí)，輸出三階交調(diào)產(chǎn)物與主輸出信號(hào)相等，這一點(diǎn)稱為三階截止點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)電平稱為輸入三階截止點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)電平

9、稱為輸出三階截止點(diǎn)。二、射頻信號(hào)傳輸部分傳輸線從電子學(xué)概念上來(lái)說(shuō)能夠傳輸電磁能量的線路都叫傳輸線，在射頻和微波頻段由于信號(hào)波長(zhǎng)很短，傳輸線的長(zhǎng)度可以和波長(zhǎng)相比擬，線上各點(diǎn)的電壓和電流都不再相同，整個(gè)傳輸線也不再是等效電路中的一點(diǎn)，這個(gè)意義上的傳輸線叫長(zhǎng)線，如無(wú)特殊說(shuō)明射頻和微波信號(hào)的傳輸線都是指長(zhǎng)線傳輸線。特征阻抗其是微波傳輸線的固有特性，它等于模式電壓與模式電流之比。無(wú)耗傳輸線的特征阻抗為實(shí)數(shù)，有耗傳輸線的特征阻抗為復(fù)數(shù)。在做射頻PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，一定要考慮匹配問(wèn)題，考慮信號(hào)線的特征阻抗是否等于所連接前后級(jí)部件的阻抗。當(dāng)不相等時(shí)則會(huì)產(chǎn)生反射，造成失真和功率損失。在目前世界上的微波通訊系統(tǒng)一般分

10、為兩種特性阻抗，一種是50歐姆系統(tǒng)，如軍用的微波、毫米波通訊系統(tǒng)，雷達(dá)，我們目前開(kāi)發(fā)的蜂窩通訊系統(tǒng)GSM、WCDMA等；另一種是75歐姆系統(tǒng)，這種系統(tǒng)相對(duì)比較少，如我們目前使用的有線電視系統(tǒng)。駐波比：駐波比全稱為電壓駐波比，又名VSWR和SWR，為英文Voltage Standing Wave Ratio的簡(jiǎn)寫。指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比，又稱為駐波系數(shù)、駐波比。駐波比等于1時(shí)，表示饋線和天線的阻抗完全匹配，此時(shí)高頻能量全部被天線 輻射出去，沒(méi)有能量的反射損耗；駐波比為無(wú)窮大時(shí)，表示全反射，能量完全沒(méi)有輻射出去。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax ，形成波

11、腹；在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Vmin ，形成波谷。其它各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波谷之間。這種合成波稱為行駐波。駐波比是駐波波腹處的電壓幅值Vmax與波谷處的電壓幅值Vmin之比。反射系數(shù)：回波損耗回波損耗，又稱為反射損耗。是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，是一對(duì)線自身的反射。不匹配主要發(fā)生在連接器的地方，但也可能發(fā)生于電纜中特性阻抗發(fā)生變化的地方，所以施工的質(zhì)量是提高回波損耗的關(guān)鍵?；夭〒p耗將引入信號(hào)的波動(dòng)，返回的信號(hào)將被雙工的千兆網(wǎng)誤認(rèn)為是收到的信號(hào)而產(chǎn)生混亂。回波損耗是傳輸線端口的反射波功率與入射波功率之比，以對(duì)數(shù)形式來(lái)表示，單位是dB，一般是負(fù)值，其絕

12、對(duì)值可以稱為反射損耗。反射系數(shù)是反射波和入射波電壓之比，而回波損耗是反射波和入射波的功率之比。一般情況下從量級(jí)上看，功率之比是電壓之比的平方，而在對(duì)數(shù)域里功率之比是電壓之比的2倍。傳輸系數(shù)插入損耗增益史密斯圓圖史密斯圓圖(Smith chart）是一款用于電機(jī)與電子工程學(xué)的圓圖，主要用于傳輸線的阻抗匹配上。一條傳輸線(transmission line)的電阻抗力(impedance)會(huì)隨其長(zhǎng)度而改變，要設(shè)計(jì)一套匹配(matching)的線路，需要通過(guò)不少繁復(fù)的計(jì)算程序，史密斯圓圖的特 點(diǎn)便是省卻一些計(jì)算程序。史密斯圓圖的基本在于以下的算式= (Z - 1)/(Z+ 1)代表其線路的反射系數(shù)(

13、reflection coefficient)，即S-parameter里的S11，Z是歸一負(fù)載值，即ZL / Z0。當(dāng)中，ZL是線路的負(fù)載值Z0是傳輸線的特征阻抗值，通常會(huì)使用50。圓圖中的橫坐標(biāo)代表反射系數(shù)的實(shí)部，縱坐標(biāo)代表虛部。圓形線代表等電阻圓，每個(gè)圓的圓心為1/(R+1),半徑為R/(R+1).R為該圓上的點(diǎn)的電阻值。中間的橫線與向上和向下散出的線則代表阻抗的虛數(shù)值，即等電抗圓，圓心為1/X,半徑為1/X.由于反射系數(shù)是小于等于1的，所以在等電抗圓落在單位圓以外的部分沒(méi)有意義。當(dāng)中向上發(fā)散的是正數(shù)，向下發(fā)散的是負(fù)數(shù)。圓圖最中間的點(diǎn)(Z=1+j0,  =0)代表一個(gè)已匹配(m

14、atched)的電阻數(shù)值(此ZL=Z0，即Z1)，同時(shí)其反射系數(shù)的值會(huì)是零。圓圖的邊緣代表其反射系數(shù)的幅度是1，即100%反射。在圖邊的數(shù)字代表反射系數(shù)的角度(0-180度)。S參數(shù)S參數(shù)，也就是散射參數(shù)。是微波傳輸中的一個(gè)重要參數(shù)。S12為反向傳輸系數(shù)，也就是隔離。S21為正向傳輸系數(shù)，也就是增益。S11為輸入反射系數(shù)，也就是輸入回波損耗，S22為輸出反射系數(shù)，也就是輸出回波損耗。Ur1 = S11 Ui1 + S12 Ui2Ur2 = S21 Ui1 + S22 Ui2Ui1，Ui2，Ur1，Ur2：分別是端口1和端口2的歸一化入射電壓和反射電壓S11：端口2匹配時(shí)，端口1的反射系數(shù)；S22：端口1匹配時(shí)，端口2的反射系數(shù)；S12：端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)；S21：端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)；S 參數(shù)（散射參數(shù)）用于評(píng)估 DUT 反射信號(hào)和傳送信號(hào)的性能。S 參數(shù)由兩個(gè)復(fù)數(shù)之比定義，它包含有關(guān)信號(hào)的幅度和相位的信息。信道功率測(cè)量信道功率測(cè)試功能通過(guò)對(duì)信道帶寬內(nèi)的功率密度積分來(lái)進(jìn)行信道功率的測(cè)量，獲得信道帶寬內(nèi)的平