電子線路PPT精品課件

1、電子線路PPT第1頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四1.1微波電子線路的特點微波電子線路是微波無源元件和微波有源器件的有機結(jié)合。微波無源元件包括阻抗變換器、濾波器、隔離器、定向耦合器、環(huán)行橋、功率分配器、衰減器、移相器、諧振腔和負載等，在前修課程內(nèi)我們已經(jīng)學習了這些元件的原理和設計。微波有源器件主要包括各類微波半導體器件和微波電真空器件，這些器件往往需要直流偏置。 本課程的主要目標就是掌握有源器件的外特性及其功能，合理設計微波無源元件，從而充分發(fā)揮有源器件的電氣功能。 第2頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四微波技術(shù)的核心任務是構(gòu)成發(fā)射機和接收機，

2、實現(xiàn)功率的傳輸或信息的交換。電磁場理論是微波技術(shù)的基礎和解決問題的基本方法之一，但這并不是說所有的微波問題都要建立嚴格的電磁場方程。事實上，工程中能夠精確求解或能進行數(shù)值計算的問題是極為有限的。在微波網(wǎng)絡中，我們已經(jīng)學到利用網(wǎng)絡思想解決無源元件問題。對于有源電路，微波網(wǎng)絡概念依然是行之有效的方法。此外，還要用到半導體知識、信號分析，這些都是模擬電路或高頻電路的知識向微波領域的擴展，只是由于頻率的提高，相應的半導體器件的結(jié)構(gòu)和原理有很大不同而已。清楚了這些，微波電子線路的學習就比較容易了。第3頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四微波電子線路涉及到的半導體器件有二極管(包括肖

3、特基勢壘二極管、變?nèi)荻O管、階躍恢復二極管(SRD)、雪崩渡越時間二極管(IMPATT)、體效應二極管(TED)、PIN二極管等)、三極管(包括雙極結(jié)管(BJT)、場效應管(FET)、異質(zhì)結(jié)管(HBT)、 高電子遷移率器件(HEMT)等)、多功能器件(包括單片微波集成電路(MMIC)、 數(shù)字射頻器件(RFCMOS)等)。各類器件都是當今先進的科學技術(shù)在各個領域進展的集中表現(xiàn)。材料科學和工藝科學、微電子技術(shù)的不斷進步，使得微波半導體器件的集成化程度越來越高。第4頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四在射頻與微波頻段，熱門的器件有三種：雙極結(jié)(Si或SiGe)、場效應(GaAs

4、)和CMOS器件，就成本、性能、功率等方面考慮，各有特長，它們共同構(gòu)成了千變?nèi)f化的微波電子系統(tǒng)。其中讓人們感受最深的是手機的外型輕巧和功能強大，RFCMOS技術(shù)使得射頻T/R電路和信號處理電路合為一體，無論是可靠性還是節(jié)電效果都大為改觀; 而基站的功放要用GaAsFET或LDMOS 器件?？梢韵胂螅⒉ò雽w還將繼續(xù)不斷進步，而不會停滯在一個水平上，這必將是微波技術(shù)工作者和微電子工作者共同努力的發(fā)展過程。第5頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四微波電子線路的基本功能模塊包括微波振蕩器(包括點頻振蕩器、頻率合成器等)、微波放大器(包括用于接收機高放的低噪聲放大器，用于發(fā)射機

5、的功率放大器，用于對抗的寬頻帶放大器等)、微波頻率變換電路(包括用于接收機的混頻器、檢波器，用于發(fā)射機的上變頻器、倍頻器)、微波信號控制電路(包括微波開關、電調(diào)衰減器、微波限幅器、微波移相器)等。這些電路模塊可以單獨使用，也可以集成為專門用途的微波組件。有了這些電路模塊，就可以構(gòu)成各類微波電子系統(tǒng)。 第6頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四現(xiàn)已有許多商業(yè)軟件應用于微波電子線路設計。成熟的計算公式、世界著名公司器件的參數(shù)模型、世界著名品牌的微帶介質(zhì)基板參數(shù)都作為軟件的組成部分，方便實用，效率高。ANSOFT公司的DESIGNER和SERENADE、Agilent公司的ADS

6、、AWR公司的MICROWAVE OFFICE、AGLEWARE公司的GENESYS等軟件是世界公認的優(yōu)秀微波電路設計軟件。MATLAB和MATHCAD等數(shù)學計算工具也可用作微波電子線路的設計工具，并有相關配套軟件包供選購使用。 第7頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四可以看出，微波電子線路就是接收機和發(fā)射機組成部件，是決定各類無線電系統(tǒng)性能的關鍵。軟件更新和器件換代要求我們必須不斷學習，才能跟隨時代的腳步。建議大家經(jīng)常閱讀以下英文雜志，了解微波電路的最新動向：Microwave Journal、Microwave & RF、Microwave Product Diges

7、t(MPD)、Applied Microwave & Wireless。 這些雜志都可以在網(wǎng)上免費訂閱電子版，十分方便。 第8頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四下面給出常見的微波系統(tǒng)：(1) 無線通信系統(tǒng)：空間通信，遠距離通信，無線對講，蜂窩移動，個人通信系統(tǒng)，無線局域網(wǎng)，衛(wèi)星通信，航空通信，航海通信，機車通信，業(yè)余無線電等。(2) 雷達系統(tǒng)：航空雷達，航海雷達，飛行器雷達，防撞雷達，氣象雷達，成像雷達，警戒雷達，武器制導雷達，防盜雷達，警用雷達，高度表，距離表等。(3) 導航系統(tǒng)：微波著陸系統(tǒng)(MLS)，GPS，無線信標，防撞系統(tǒng)，航空、航海自動駕駛等。 第9頁，共4

8、4頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四(4) 遙感：地球監(jiān)測，污染監(jiān)測，森林、農(nóng)田、魚汛監(jiān)測，礦藏、沙漠、海洋、水資源監(jiān)測，風、雪、冰監(jiān)測，城市發(fā)展和規(guī)劃等。(5) 射頻識別：保安，防盜，入口控制，產(chǎn)品檢查，身份識別，自動驗票等。(6) 廣電系統(tǒng)：調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)廣播，電視(TV)等。(7) 汽車和高速公路：自動避讓，路面告警，障礙監(jiān)測，路車通信，交通管理，速度測量，智能高速路等。(8) 傳感器：潮濕度傳感器，溫度傳感器，長度傳感器，探地傳感器，機器人傳感器等。 第10頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四(9) 電子戰(zhàn)系統(tǒng)：間諜衛(wèi)星，輻射信號監(jiān)測，行

9、軍與狙擊等。(10) 醫(yī)學應用：磁共振成像，微波成像，微波理療，加熱催化，病房監(jiān)管等。(11) 空間研究：射電望遠鏡，外層空間探測等。(12) 無線輸電：空對空、地對空、空對地、地對地輸送電能等。微波電子線路的這些應用各有側(cè)重，又有共性。下面以移動通信和多普勒測速雷達為例介紹其工作體制。 第11頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四1.2移動通信系統(tǒng)移動通信體制國際相關組織對移動通信體制有明確的規(guī)定，見表1-1。各國根據(jù)自己的實際情況可選擇恰當?shù)囊苿油ㄐ朋w制。我國兩大運營商中國移動和中國聯(lián)通使用的系統(tǒng)為GSM和CDMA。第三代移動通信(3G)采用改進后的CDMA。我國各大城

10、市流行的小靈通是PHS體制，而大靈通是CDMA體制。3G牌照的呼之欲出將帶動一場產(chǎn)業(yè)熱潮。 第12頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四表1-1移動通信體制 第13頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四移動通信技術(shù)從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有100多年的歷史了。1897年，馬可尼在赫茲試驗的基礎上完成了一個固定站與一艘拖船之間的無線通信試驗，證明了在移動體之間以無線方式進行通信的可行性。此后相當長的一段時間內(nèi)，只在短波的幾個頻段上開發(fā)出了專用移動通信系統(tǒng)，并且通常只用于軍隊和政府部門。第二次世界大戰(zhàn)期間，軍事上的需求促進了無線電通信技術(shù)及其制造業(yè)的長足發(fā)展，同時也

11、出現(xiàn)了許多新的理論和技術(shù)。二戰(zhàn)結(jié)束后，移動通信技術(shù)從軍用轉(zhuǎn)向民用，移動通信網(wǎng)從專用網(wǎng)向公用網(wǎng)過渡。 20世紀60年代中期，美國和德國推出了采用大區(qū)制的移動通信網(wǎng)，實現(xiàn)了無線頻道的自動選擇并能夠自動接續(xù)到公用電話網(wǎng)。第14頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四大區(qū)制系統(tǒng)由于頻率資源的原因，容量非常有限。為此，美國貝爾實驗室及其他一些公司提出了蜂窩系統(tǒng)的概念和理論，蜂窩網(wǎng)(即所謂的小區(qū)制)，由于實現(xiàn)了頻率資源的復用，因此可以大大提高系統(tǒng)的容量。直到20世紀70年代中期，隨著半導體技術(shù)的成熟、大規(guī)模集成電路器件和微電子技術(shù)的發(fā)展以及表面貼裝工藝的廣泛應用，移動通信系統(tǒng)的設備小型化

12、問題逐步得以解決，這為蜂窩移動通信的實現(xiàn)提供了技術(shù)基礎。貝爾實驗室于1978年底推出AMPS(先進移動電話業(yè)務)，這是第一個真正意義上的具有隨時隨地通信功能的大容量蜂窩移動通信系統(tǒng)，移動通信技術(shù)由此進入蓬勃發(fā)展的時期。第15頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四1983年，AMPS系統(tǒng)首次在芝加哥投入商用。英國于1985年開發(fā)出TACS(全地址通信系統(tǒng))，并首先在倫敦投入使用。我國采用TACS標準的公用移動通信網(wǎng)于1987年建成并開通。AMPS和TACS等蜂窩移動通信系統(tǒng)通過頻率復用顯著增大了系統(tǒng)容量，網(wǎng)絡的智能化實現(xiàn)了越區(qū)切換和漫游功能，擴大了用戶的服務范圍。由于采用的是

13、模擬調(diào)制技術(shù)，這類蜂窩移動通信系統(tǒng)存在以下缺點：各系統(tǒng)間沒有公共接口，手機不可能在國外使用; 難以開展數(shù)據(jù)承載業(yè)務; 安全保密性差，易被竊聽和做“假機”; 頻譜利用率低，無法適應大容量的需求。第16頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四隨著超大規(guī)模集成電路和低速語音編碼技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)字通信技術(shù)表現(xiàn)出比模擬技術(shù)更突出的優(yōu)越性，在移動通信領域出現(xiàn)了數(shù)字技術(shù)取代模擬技術(shù)的趨勢。20世紀80年代出現(xiàn)了兩種重要的數(shù)字移動通信體制：一種是以歐洲的GSM(全球移動通信系統(tǒng))為代表的TDMA(時分多址)體制，另一種是以美國的IS-95系統(tǒng)為代表的CDMA(碼分多址)體制。1991年，歐洲第

14、一個GSM系統(tǒng)開通，1993年，我國第一個GSM系統(tǒng)開通。1995年，中國香港和美國的CDMA公用網(wǎng)開始投入商用，1998年，我國CDMA實驗網(wǎng)開通。第17頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四以GSM系統(tǒng)和CDMA系統(tǒng)為代表的第二代移動通信系統(tǒng)經(jīng)過10年多的發(fā)展，呈現(xiàn)出用戶數(shù)量急劇增加的局面。與此同時，信息技術(shù)的飛速發(fā)展對移動通信提出了更多的新業(yè)務需求，如圖像、語音與數(shù)據(jù)業(yè)務相結(jié)合的多媒體業(yè)務和高速數(shù)據(jù)業(yè)務需求，而第二代移動通信系統(tǒng)因只能提供語音業(yè)務和低速數(shù)據(jù)業(yè)務，因此新一代移動通信系統(tǒng)的研究和發(fā)展就成為移動通信領域的熱點。第18頁，共44頁，2022年，5月20日，20

15、點21分，星期四3G(第三代移動通信系統(tǒng))最初的研究工作始于1985年，當時ITU-R成立臨時工作組，提出了未來公共陸地移動通信系統(tǒng)(FPLMTS)，實現(xiàn)了全球無縫漫游，并提供了多種業(yè)務。1996年，F(xiàn)PLMTS正式更名為IMT-2000。IMT-2000支持的網(wǎng)絡稱為第三代移動通信系統(tǒng)，它可以支持高達2 Mb/s的傳輸速率，并可提供多媒體業(yè)務和高速數(shù)據(jù)業(yè)務。第三代移動通信系統(tǒng)的標準化工作已經(jīng)基本完成，形成了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流標準。其中歐洲的WCDMA和美國的CDMA2000分別是在GSM和IS-95CDMA的基礎上發(fā)展起來的，采用的是FDD(頻分雙工)模式

16、，TD-SCDMA是由大唐電信代表中國提出的，采用了TDD(時分雙工)模式。 第19頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四3G發(fā)展至今經(jīng)歷了較快的演變過程。以 WCDMA為例，已經(jīng)有R99、R4和R5等幾個主要版本。其中，R99版本的無線接入部分采用CDMA技術(shù)，核心網(wǎng)在GSM電路域的基礎上增加了分組域。從R99演進到R4版本的網(wǎng)絡時，3G無線網(wǎng)絡變化不大，主要是核心網(wǎng)發(fā)生了實體的改變，主要體現(xiàn)是引入了軟交換的結(jié)構(gòu)，即將原R99核心網(wǎng)絡中MSC的功能分為兩個設備來實現(xiàn)：MSC Server(主要包括MSC的呼叫控制和移動控制部分，負責處理信令)和MGW(媒體網(wǎng)關)，進而實現(xiàn)

17、控制與承載的分離。在R5版本的網(wǎng)絡中，無線網(wǎng)絡側(cè)引入了高速下行分組接入HSDPA技術(shù)，核心網(wǎng)絡在電路域和分組域的基礎上增加了IP多媒體子系統(tǒng)。 第20頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四3G網(wǎng)絡采用了碼分多址技術(shù)，具有頻譜利用率高、抗干擾能力強和保密性好的特點。與GSM網(wǎng)絡相比，兩者有以下主要不同之處：(1) 影響網(wǎng)絡覆蓋的因素不同。GSM網(wǎng)絡中能夠建立和保持呼叫的用戶數(shù)取決于是否有空閑的時隙，網(wǎng)絡覆蓋則取決于基站的高度和發(fā)射功率等因素，容量和覆蓋之間沒有必然的關系。而3G網(wǎng)絡的覆蓋、容量和質(zhì)量之間的關系是相互均衡的，3G網(wǎng)絡的覆蓋與干擾程度、系統(tǒng)負荷、應用業(yè)務密切相關。

18、 第21頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四(2) 網(wǎng)絡中存在的無線干擾不同。在GSM網(wǎng)絡中，需要考慮的是同頻和鄰頻干擾。因此，頻率規(guī)劃是影響網(wǎng)絡質(zhì)量的重要因素。在3G網(wǎng)絡中，采用碼分多址，每個小區(qū)占用分配的整個頻段，主要干擾是由相鄰小區(qū)造成的，減少干擾就等于增加了容量和覆蓋。因此，在3G網(wǎng)絡中，需要通過高頻次的功率控制來減少基站和終端不必要的功率發(fā)射來減少干擾。 第22頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四(3) 提供的服務不同。3G網(wǎng)絡采用了可變語音編碼速率和軟切換等技術(shù)，可以提供比GSM網(wǎng)絡更優(yōu)質(zhì)的語音服務。GSM網(wǎng)絡只能提供低速率的數(shù)據(jù)應用，3

19、G網(wǎng)絡可提供高達384 kb/s的數(shù)據(jù)速率。帶寬的增加不僅對第二代移動網(wǎng)絡原有的業(yè)務有促進作用，而且產(chǎn)生了豐富多彩的新業(yè)務。流媒體業(yè)務和視頻電話業(yè)務是3G網(wǎng)絡除語音業(yè)務外最重要的基本業(yè)務，根據(jù)市場需要還可以推出位置業(yè)務等多種增值業(yè)務。 目前，我國各大電信運營商和設備制造商都在密切關注3G技術(shù)的發(fā)展，相信在不久的將來，3G移動網(wǎng)絡一定會給我們帶來更加豐富多彩的信息服務。 第23頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四分址方式1. 頻分多址頻分多址(FDMA)是指在模擬移動通信系統(tǒng)中，把系統(tǒng)頻帶分成很多頻率信道，使得不同的用戶同時進入一組不同的頻率。一般地，兩個相鄰信道中心頻率間

20、隔為25 kHz，如圖1-1所示。要提高通話容量，就要減小信道間隔或增加整機帶寬。FDMA的優(yōu)點：多用戶同時進入給定頻帶; 通過減小信道間隔可以提高通話容量。FDMA的缺點：信道間隔的減小導致通話質(zhì)量的下降；要求每個信道頻率準確度高；要求信道濾波器阻帶特性好; 每個信道有一套發(fā)射機/接收機。 第24頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四圖 1-1FDMA 示意圖(a) 信道間隔；(b) 時頻關系 第25頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四2. 時分多址在時分多址(TDMA)系統(tǒng)中，所有用戶使用同一個信道，這個信道足夠?qū)?，每個用戶可以在非常短的時間間隙內(nèi)

21、使用整個信道，就通話速度而言，所有用戶幾乎是同時工作的，如圖1-2所示。 TDMA的優(yōu)點：大量用戶同時使用一個特定頻帶；依據(jù)時間間隙的數(shù)量，一套發(fā)射機/接收機同時為多用戶服務；發(fā)射機/接收機間歇工作節(jié)省電能；減小對濾波器的要求。TDMA的缺點：要求各用戶的時間同步；要求處理器的能力強；要求采用寬帶調(diào)制。 第26頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四圖 1-2TDMA 示意圖 第27頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四3. 碼分多址在碼分多址(CDMA)系統(tǒng)中，所有用戶都可以在任何時候使用整個頻帶，依靠每個用戶的特定編碼來區(qū)分用戶，如圖1-3所示。 CD

22、MA的優(yōu)點：大量用戶同時使用一個特定的信道；一個接收機能同時接收多個信號； 對濾波器的要求不高； 減少了系統(tǒng)的成本；可以為更多的用戶提供服務。CDMA的缺點：要求各用戶的時間同步； 須在寬動態(tài)范圍內(nèi)快速控制發(fā)射機功率。 第28頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四圖 1-3CDMA 示意圖 第29頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四蜂窩通信 如圖1-4所示，GSM地面基站的設置就像蜂窩一樣，每個蜂窩內(nèi)設置一個基站。由于基站設置布滿整個區(qū)域，因此不需要太大的功率就能覆蓋系統(tǒng)范圍，開闊區(qū)域每個基站的傳輸距離為35 km。實際中每個基站的覆蓋范圍不一定是正六

23、邊形，圖1-4中字母相同的基站工作頻率也相同。 第30頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四圖 1-4蜂窩移動通信系統(tǒng)(a) 蜂窩示意；(b) 系統(tǒng)構(gòu)成 第31頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四WCDMA射頻前端CDMA體制是移動通信的發(fā)展方向。圖1-5給出某款WCDMA手機射頻電路的結(jié)構(gòu)框圖和可選用的微波電子器件。由圖可以看出：整機的振蕩信號由頻率合成器產(chǎn)生，包括發(fā)射機/接收機本振和調(diào)制/解調(diào)本振；發(fā)射上變頻和接收下變頻；發(fā)射功率放大器用MMIC作驅(qū)動放大，用多芯片模塊(MCM)作輸出功放；接收機低噪聲放大器和接收混頻器都是MMIC；收發(fā)開關是MM

24、IC 單刀雙擲開關；發(fā)射調(diào)制器和接收解調(diào)器均采用硅集成專用芯片。 第32頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四圖 1-5WCDMA手機的射頻電路第33頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四1.3多普勒測速雷達多普勒效應是指當發(fā)射源和接收者之間有相對徑向運動時，接收到的信號頻率將發(fā)生變化。這一物理現(xiàn)象首先在聲學上由物理學家克里斯頓多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)。1930年左右開始將這一規(guī)律運用到電磁波領域。在多普勒測速雷達中，如果目標向著雷達運動，反射波的頻率會增加；如果目標遠離雷達運動，反射波的頻率會降低。反射波頻率的變化就是多普勒頻率，這個頻率含有目標運動速度的信息，如圖1-6所示。 第34頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四圖 1-6多普勒測速示意圖第35頁，共44頁，2022年，5月20日，20點21分，星期四多普勒頻率為 式中：v為運動目標的速度；c為光速；f0為發(fā)射波頻率。因此，目標運動速度為(