第一章 射頻電路導(dǎo)論

第一章射頻電路導(dǎo)論1.1射頻電路的應(yīng)用1.2射頻電路的非線性特點(diǎn)1.3本書的主要內(nèi)容、組織結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)要求本章小結(jié)思考題和習(xí)題“射頻”一詞的英文為“radiofrequency”，即無(wú)線電頻率。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線電遠(yuǎn)程傳輸信息、無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距、無(wú)線電近距離組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸以及無(wú)線電無(wú)接觸識(shí)別等功能，人們先后發(fā)明和發(fā)展了無(wú)線電遠(yuǎn)程通信、雷達(dá)、藍(lán)牙和射頻識(shí)別等技術(shù)設(shè)備。包含晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管等有源器件的電路稱為電子線路。實(shí)現(xiàn)無(wú)線電的發(fā)射、接收以及信息的加載和提取的電子線路稱為射頻電路。

表1.1列出了目前常用的無(wú)線電頻率的劃分和使用情況。射頻可分為以下三類：

（1）低于300kHz的為低頻范圍，包括極低頻、超低頻、特低頻、甚低頻和低頻五個(gè)頻段；

（2）300kHz～300MHz為高頻范圍，包括中頻、高頻和甚高頻三個(gè)頻段；

（3）頻率高于300MHz的范圍為微波范圍，包括特高頻、超高頻和極高頻三個(gè)頻段。射頻可分為以下三類：

（1）低于300kHz的為低頻范圍，包括極低頻、超低頻、特低頻、甚低頻和低頻五個(gè)頻段；

（2）300kHz～300MHz為高頻范圍，包括中頻、高頻和甚高頻三個(gè)頻段；

（3）頻率高于300MHz的范圍為微波范圍，包括特高頻、超高頻和極高頻三個(gè)頻段。1.1射頻電路的應(yīng)用

雖然射頻電路系統(tǒng)的具體設(shè)備多種多樣，組成和復(fù)雜程度不同，但系統(tǒng)的最基本結(jié)構(gòu)相同，如圖1.1.1所示，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩個(gè)主要部分。圖1.1.1射頻電路系統(tǒng)的最基本結(jié)構(gòu)圖1.1.1中，信道即無(wú)線電波的傳輸媒質(zhì)，如空氣、真空、海水、地表。

發(fā)射機(jī)的作用是把發(fā)射端用戶要發(fā)送的信息經(jīng)過輸入變換器，變換為電信號(hào)，如話筒的語(yǔ)音、攝像頭的圖像和各種傳感器的感應(yīng)信號(hào)讀數(shù)，都要變換為電壓或電流，這樣的電信號(hào)稱為基帶信號(hào)。接下來，為了適合在信道傳輸，發(fā)射機(jī)需要根據(jù)信道的特點(diǎn)（如信道對(duì)各種頻率的無(wú)線電波的反射和衰減），把基帶信號(hào)經(jīng)過發(fā)射變換器，生成適合信道傳輸?shù)念l帶信號(hào)。接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的功能與工作順序正好相反。首先，置于信道中的天線從無(wú)線電感應(yīng)出頻帶信號(hào)，再通過接收變換器，從頻帶信號(hào)中恢復(fù)基帶信號(hào)，基帶信號(hào)最后經(jīng)過輸出變換器，產(chǎn)生語(yǔ)音、圖像和傳感器的感應(yīng)信號(hào)讀數(shù)，分別通過揚(yáng)聲器、顯示器、液晶面板提供給接收端用戶。1.1.1無(wú)線電遠(yuǎn)程通信

無(wú)線電遠(yuǎn)程通信起始于意大利人馬可尼從1895年開始的室外電磁波通信實(shí)驗(yàn)，最初的目的是實(shí)現(xiàn)無(wú)線電報(bào)。經(jīng)過100多年的發(fā)展，無(wú)線電遠(yuǎn)程通信從無(wú)線電報(bào)發(fā)展到無(wú)線電廣播、

電視、移動(dòng)通信等，逐步覆蓋了陸地、海洋和太空，從固定通信發(fā)展到移動(dòng)通信，從模擬通信發(fā)展到數(shù)字通信。無(wú)線電廣播、電視和移動(dòng)通信使用的無(wú)線電頻率為300kHz~3000MHz。圖1.1.2給出了無(wú)線電廣播和電視系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。圖1.1.2無(wú)線電廣播和電視系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)(a)發(fā)射機(jī)；(b)接收機(jī)發(fā)射機(jī)中，語(yǔ)音和圖像經(jīng)過輸入變換器，如話筒和攝像機(jī)，轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，又經(jīng)過低頻放大器，獲得足夠的功率，成為調(diào)制信號(hào)。振蕩器產(chǎn)生頻率穩(wěn)定度較好的信號(hào)，經(jīng)過倍頻器后，獲得符合信道傳輸要求的高頻信號(hào)，再經(jīng)過高頻放大器，得到足夠的功率，成為載波。接下來，調(diào)制器用調(diào)制信號(hào)改變載波的參數(shù)，如振幅、頻率或相位，使輸出信號(hào)參數(shù)反映調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，從而攜帶了調(diào)制信號(hào)的信息，成為高頻已調(diào)波。最后，高頻已調(diào)波經(jīng)過功率放大器，獲得足夠的功率，送上天線發(fā)射。接收機(jī)中，天線的感應(yīng)電流首先經(jīng)過輸入回路，輸入回路從諸多信號(hào)中選擇輸出需要接收的高頻已調(diào)波，經(jīng)過高頻放大器提高其功率。本地振蕩器產(chǎn)生一個(gè)本振信號(hào)。混頻器輸出的中頻已調(diào)波的頻率等于本振信號(hào)的頻率和高頻已調(diào)波的頻率之差，但是中頻已調(diào)波的參數(shù)變化規(guī)律和高頻已調(diào)波一樣，仍然攜帶了調(diào)制信號(hào)的信息。接收不同頻率的高頻已調(diào)波時(shí)，本振信號(hào)的頻率隨之調(diào)整，以保證中頻已調(diào)波的頻率不變，這樣中頻放大器的工作頻率和增益就不需要隨時(shí)調(diào)整，便于電路性能的優(yōu)化，這種接收方式稱為超外差接收。1.1.2雷達(dá)

根據(jù)其使用的無(wú)線電的波長(zhǎng)，雷達(dá)分為米波雷達(dá)、分米波雷達(dá)、厘米波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)，頻率

范圍為3MHz~300GHz。

圖1.1.3給出了脈沖雷達(dá)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

圖1.1.3脈沖雷達(dá)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中，振蕩器產(chǎn)生頻率精確且穩(wěn)定度很高的基準(zhǔn)信號(hào)。定時(shí)器根據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的各種同步脈沖和時(shí)鐘信號(hào)。頻率合成器根據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制脈沖信號(hào)、本振信號(hào)和相位參考信號(hào)。在發(fā)射階段，調(diào)制脈沖信號(hào)經(jīng)過功率放大器獲得足夠的功率，通過收發(fā)開關(guān)送上天線發(fā)射。此時(shí)，收發(fā)開關(guān)關(guān)閉接收機(jī)，避免大功率的調(diào)制脈沖信號(hào)泄漏到接收機(jī)。在接收階段，收發(fā)開關(guān)打開接收機(jī)，高頻目標(biāo)回波進(jìn)入高頻放大器提高其功率，再輸入混頻器中與本振信號(hào)混頻，輸出中頻目標(biāo)回波，經(jīng)過相參檢波器，得到反映運(yùn)動(dòng)目標(biāo)多普勒頻移的正交信號(hào)I、Q，送入目標(biāo)數(shù)據(jù)處理器。1.1.3藍(lán)牙

藍(lán)牙工作在全球通用的2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)

頻段，采用高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制，利用時(shí)分雙工傳輸方案，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s，最大傳輸距離為10m,支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，通過采用跳頻、短數(shù)據(jù)包和自適應(yīng)發(fā)射功率來進(jìn)行調(diào)節(jié)以提高抗干擾能力，系統(tǒng)最大跳頻速率為1600跳/s，在2.402~2.480GHz之間采用79個(gè)間隔1MHz的頻點(diǎn)。圖1.1.4給出了一種藍(lán)牙無(wú)線電單元的基本結(jié)構(gòu)。藍(lán)牙無(wú)線電單元包括基帶處理器和無(wú)線電收發(fā)器?；鶐幚砥饔脕韺?shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步時(shí)鐘，發(fā)射數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和處理，無(wú)線電收發(fā)器的控制（如發(fā)射功率調(diào)節(jié)和跳頻選擇）以及與藍(lán)牙主機(jī)的數(shù)據(jù)交換等。圖1.1.4一種藍(lán)牙無(wú)線電單元的基本結(jié)構(gòu)無(wú)線電收發(fā)器中，鑒相器、環(huán)路低通濾波器和壓控振蕩器構(gòu)成頻率合成器，生成跳頻載波。在發(fā)射階段，發(fā)射數(shù)據(jù)經(jīng)過高斯低通濾波器，改變壓控振蕩器的振蕩頻率，生成GFSK信號(hào)，即已調(diào)波，經(jīng)過功率放大器和平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器后，收發(fā)開關(guān)接到發(fā)射端，GFSK信號(hào)送上天線發(fā)射。在接收階段，收發(fā)開關(guān)接到接收端，GFSK信號(hào)經(jīng)過不平衡-平衡轉(zhuǎn)換器和低噪聲放大器，用頻率合成器提供的本振信號(hào)對(duì)GFSK信號(hào)解調(diào)，再經(jīng)過檢測(cè)判決器，生成接收數(shù)據(jù)，并與系統(tǒng)時(shí)鐘同步。1.1.4射頻識(shí)別

圖1.1.5是一種電感耦合RFID系統(tǒng)閱讀器和電子標(biāo)簽的基本結(jié)構(gòu)，閱讀器和電子標(biāo)簽都包括基帶處理器和無(wú)線電收發(fā)器。基帶處理器負(fù)責(zé)發(fā)射數(shù)據(jù)的編碼和加密，以及接收數(shù)據(jù)

的解碼和解密，閱讀器的基帶處理器還需要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)協(xié)議處理和與應(yīng)用系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)交換，電子標(biāo)簽的基帶處理器還需要完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取。圖1.1.5電感耦合RFID系統(tǒng)閱讀器和電子標(biāo)簽的基本結(jié)構(gòu)當(dāng)數(shù)據(jù)從閱讀器向電子標(biāo)簽傳輸時(shí)，閱讀器的無(wú)線電收發(fā)器通過振蕩器產(chǎn)生載波，調(diào)制器用發(fā)射數(shù)據(jù)生成振幅鍵控（ASK）信號(hào)，經(jīng)過功率放大器，送到線圈1。線圈1和電子標(biāo)簽的線圈2可以分別看做一個(gè)變壓器的原邊和副邊，線圈2上通過電感耦合得到的ASK信號(hào)經(jīng)過ASK解調(diào)和檢測(cè)判決器，獲得接收數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)從電子標(biāo)簽向閱讀器傳輸時(shí)，閱讀器在線圈1上提供載波電流，電子標(biāo)簽的發(fā)射數(shù)據(jù)通過負(fù)載電阻調(diào)制器，改變電子標(biāo)簽的等效負(fù)載電阻，經(jīng)過變壓器阻抗變換，改變線圈1上的反射電阻，從而改變了載波電壓振幅，生成ASK信號(hào)，經(jīng)過帶通濾波器和高頻放大器后，ASK解調(diào)和檢測(cè)判決器給出接收數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)閱讀器線圈和電子標(biāo)簽線圈之間的電感耦合工作原理，兩個(gè)線圈之間的距離必須遠(yuǎn)小于工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，所以電感耦合RFID系統(tǒng)的工作頻率較低，典型頻率有125kHz、225kHz和13.56MHz，作用距離較小，典型距離在10~20cm以內(nèi)。電磁反向耦合RFID系統(tǒng)利用閱讀器和電子標(biāo)簽之間電磁波的發(fā)射、接收和反射實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，所以工作頻率較高，典型頻率有433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz，作用距離較大，典型距離在4~6m以上。圖1.1.6是一種電磁反向耦合RFID系統(tǒng)閱讀器和電子標(biāo)簽的基本結(jié)構(gòu)，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l帶利用率和抗干擾能力，采用了正交振幅調(diào)制（QAM）信號(hào)取代ASK信號(hào)。閱讀

器通過頻率合成器和功率分配器分別為調(diào)制和解調(diào)提供載波和本振信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)從電子標(biāo)簽向閱讀器傳輸時(shí)，電子標(biāo)簽通過負(fù)載阻抗調(diào)制器改變電子標(biāo)簽的阻抗（包括振幅和相位），

對(duì)閱讀器發(fā)射的載波進(jìn)行正交振幅調(diào)制，調(diào)制后的QAM信號(hào)反射回閱讀器，攜帶了電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。圖1.1.6電磁反向耦合RFID系統(tǒng)閱讀器和電子標(biāo)簽的基本結(jié)構(gòu)1.2射頻電路的非線性特點(diǎn)

圖1.2.1(a)和圖(b)給出了晶體管的轉(zhuǎn)移特性。直流偏置電壓UBEQ作為橫坐標(biāo)，確定了轉(zhuǎn)移特性曲線上直流靜態(tài)工作點(diǎn)

Q的位置，Q的縱坐標(biāo)是晶體管沒有交流輸入電壓時(shí)輸出的靜態(tài)電流ICQ。圖1.2.1中對(duì)比了輸入交流電壓后小信號(hào)和大信號(hào)兩種情況下，線性放大和非線性放大輸出的集電極電流iC的

波形。小信號(hào)線性放大時(shí)，iC與輸入電壓uBE波形一致，而大信號(hào)非線性放大時(shí)，iC和uBE的波形有明顯差別。圖1.2.1基于晶體管轉(zhuǎn)移特性的信號(hào)放大(a)線性放大；(b)非線性放大現(xiàn)在給晶體管提供兩個(gè)交流輸入電壓u1=U1mcosω1t

和u2=U2mcosω2t。小信號(hào)工作(即振幅U1m和U2m都很小)時(shí)，工作點(diǎn)只在Q附近很小的范圍內(nèi)沿轉(zhuǎn)移特性曲線運(yùn)動(dòng)，可以近似認(rèn)為這個(gè)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移特性曲線是一段直線，電路是線性電路。集電極電流iC的解析表達(dá)式可以寫為

iC=a0+a1(u1+u2)上式是轉(zhuǎn)移特性曲線以Q為中心，在Q附近的一階泰勒級(jí)數(shù)展開式。其中，a0是ICQ，a1是晶體管在Q處的交流跨導(dǎo)gm。上式可寫為

其中,a1u1和a1u2是u1和u2分別輸入時(shí)輸出的交流電流，相加得到它們同時(shí)輸入時(shí)產(chǎn)生的輸出，所以，以上線性電路適用疊加定理，而且iC的交流成分中只存在和輸入信號(hào)頻率相同

的頻率分量，即a1U1mcosω1t和a1U2mcosω2t。如果增大U1m和U2m，使電路進(jìn)入大信號(hào)狀態(tài)工作，則工作點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍擴(kuò)大，在這個(gè)大范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)移特性曲線不再近似為直線，電路變成了非線性電路。為了體現(xiàn)這個(gè)非線性關(guān)系，集電極電流iC至少應(yīng)該用轉(zhuǎn)移特性曲線在Q附近的二階泰勒級(jí)數(shù)展開，即其中,a1u1+a2u21和a1u2+a2u22是u1和u2分別輸入時(shí)輸出的交流電流?？梢园l(fā)現(xiàn)，u1和u2同時(shí)輸入時(shí)，輸出的交流電流除了a1u1+a2u21和a1u2+a2u22外，還有2a2u1u2，這一項(xiàng)的出現(xiàn)說明疊加定理不適用于非線性電路。從頻域上看，利用三角函數(shù)的降冪公式和積化和差公式，整理iC得到：結(jié)果中除了和輸入信號(hào)頻率相同的頻率分量外，還出現(xiàn)了包括ω1+ω2和ω1－ω2等新的頻率分量。時(shí)域上不滿足疊加定理，頻域上輸出新的頻率分量，這是非線性電路區(qū)別于線性電路的顯著特征。在線性電路中，一旦出現(xiàn)了這些新的頻率分量，就說明電路有非線性失真，應(yīng)該盡量減小和消除，而非線性電路利用的正是這些新的頻率分量。以上分析結(jié)果中，如果采用濾波器輸出a2U1mU2mcos(ω1+ω2)t和a2U1mU2mcos(ω1－ω2)t，則得到了u1和u2相乘的結(jié)果2a2u1u2，這樣用晶體管放大器就實(shí)現(xiàn)了乘法器，而乘法器是射頻電路中調(diào)制、混頻和解調(diào)的關(guān)鍵電路。1.3本書的主要內(nèi)容、組織結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)要求

本書的組織結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)要內(nèi)容如下：

(1)諧振功率放大器。這部分介紹諧振功放的工作原理、工作狀態(tài)、功率和效率的計(jì)算，以及電路設(shè)計(jì)。

(2)正弦波振蕩器。這部分介紹正弦波振蕩器的振蕩條件以及各種類型正弦波振蕩器中振蕩條件的實(shí)現(xiàn)，計(jì)算振蕩頻率，推導(dǎo)振幅起振條件，分析正弦波振蕩器的頻率穩(wěn)定度。(3)噪聲與小信號(hào)放大器。這部分介紹射頻電路噪聲的來源與特性、各種主要元器件的噪聲等效電路模型、噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度的計(jì)算方法，并分析散射參數(shù)和各類射頻小信號(hào)放大器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法。

(4)振幅調(diào)制與解調(diào)。這部分介紹振幅調(diào)制信號(hào)的分類、參數(shù)、頻譜和功率分布，各種振幅調(diào)制和解調(diào)的原理，以及各種典型實(shí)現(xiàn)電路和相關(guān)計(jì)算。(5)混頻。這部分介紹混頻的原理、各種典型實(shí)現(xiàn)電路和相關(guān)計(jì)算，并分析混頻的各種干擾。

(6)角度調(diào)制與解調(diào)。這部分介紹調(diào)頻信號(hào)和調(diào)相信號(hào)的時(shí)域參數(shù)、頻譜和功率分布，各種頻率調(diào)制和相位調(diào)制的原理，變?nèi)荻O管調(diào)頻和調(diào)相電路，以及調(diào)頻信號(hào)和調(diào)相信號(hào)解調(diào)的各種原理和實(shí)現(xiàn)電路。(7)數(shù)字調(diào)制與解調(diào)。這部分介紹二進(jìn)制和多進(jìn)制振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）與相移鍵控（PSK）調(diào)制與解調(diào)的原理，分析各種解調(diào)方法的誤碼率，并介紹正交振幅（QAM）調(diào)制、偏移QPSK（OQPSK）調(diào)制和最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制的原理。

(8)反饋與控制。這部分介紹自動(dòng)增益控制電路、自動(dòng)頻率控制電路和自動(dòng)相位控制（鎖相環(huán)）電路的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。(9)數(shù)字頻率合成。這部分介紹數(shù)字頻率合成的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用、主流的數(shù)字鎖相頻率合成技術(shù)和直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。

雖然非線性電路在射頻電路中可以完成多種功能，但是都是基于非線性器件的傳輸特性設(shè)計(jì)的，所以不同的非線性電路在工作原理和電路結(jié)構(gòu)上有很多共性，對(duì)它們的分析過程也有相似的規(guī)律性，學(xué)習(xí)本書需要從共性上認(rèn)識(shí)各種非線性電路，從規(guī)律性上掌握分析過程。非線性電路用非線性代數(shù)方程和非線性微積分方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，模型的精確求解，尤其是解析結(jié)果的獲得比較困難，所以需要采用工程近似方法，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)元器件的性能和電路的工作條件進(jìn)行合理近似，以此為基礎(chǔ)，用簡(jiǎn)單的模型獲得有實(shí)用意義的結(jié)果，如定性分析電路功能，并在一定誤差范圍內(nèi)給出定量的計(jì)算結(jié)果。除了學(xué)習(xí)各種典型的非線性電路外，近似處理在工程分析過程中的合理應(yīng)用是通過學(xué)習(xí)本書要掌握的重要思想方法。本章小結(jié)

本章講述了射頻電路的定義、頻譜范圍、應(yīng)用及特點(diǎn)

（1）射頻電路用來實(shí)現(xiàn)無(wú)線電的產(chǎn)生、接收以及信息的加載和提取。根據(jù)無(wú)線電的頻率，射頻電路分為低頻電子線路、高頻電子線路和微波電子線路三類。（2）射頻電路包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩個(gè)主要部分。在不同的應(yīng)用中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的具體構(gòu)成有所不同，但基本上，發(fā)射機(jī)包括振蕩器、倍頻器、高頻