電子系統設計與工程應用 課件 第6章 射頻通道與天線

6.1概述

6.2電波傳播與天線

6.3饋線

6.4信號隔離與射頻濾波

6.5射頻放大

6.6頻率合成技術

6.7電磁兼容技術6.1概述在發(fā)射端,待發(fā)射的已調制中頻信號需要經射頻通道進一步處理,以形成射頻信號由天線輻射。在接收端,天線感應的射頻信號同樣需經射頻通道處理,以得到中頻信號。射頻通道與天線單元組成框圖如圖6.1所示,圖(a)與圖(b)分別表示收發(fā)分離與收發(fā)一體兩種結構。收發(fā)分離結構適用于單工通信,收發(fā)一體結構適用于雙工通信。相比于收發(fā)分離結構,收發(fā)一體結構為了降低實現成本,通常接收與發(fā)射共用一副天線,發(fā)射信號與接收信號采用雙工器實現隔離。同時,為了減小發(fā)射大功率信號對接收微弱射頻信號的影響,采用頻分雙工(FDD)工作體制,即發(fā)射的射頻信號與接收的射頻信號的射頻頻率存在一個固定的頻率差。如日常使用的手機就是一種收發(fā)一體頻分雙工通信設備。無論是收發(fā)分離結構還是收發(fā)一體結構,其射頻通道與天線部分的組成都是極其相似的。在發(fā)射端,已調制中頻信號經再次混頻,將中頻信號變換成容易傳輸的射頻信號,射頻頻率或工作波道由受頻率控制字控制的、頻率合成單元輸出的本振信號頻率決定。射頻信號經濾波放大以及功率放大后,由饋線送到天線向外輻射。選擇饋線時應盡量選擇對射頻信號衰減小的饋線,饋線既可以是射頻電纜,也可以是波導,由射頻頻率決定。在接收端,天線感應的微弱射頻信號經饋線送到帶通濾波器,或經雙工器后送到帶通濾波器,然后由低噪聲前置放大器對信號進行適量放大。當天線與接收設備較遠、饋線較長時,有時先對信號進行放大,然后經饋線送到設備前端,以抵消饋線對射頻信號的損耗。前置放大后的信號再經主放大器放大,送到混頻器,將信號的中心頻率由射頻搬移到中頻,并經濾波、放大處理后送到中頻單元。頻率控制字與接收信號的射頻頻率或工作波道對應,以保證工作在不同波道時,混頻器輸出的中頻頻率固定。6.2電波傳播與天線對于一個電子系統來說,工作頻率不同,則電波傳播方式、衰減特性、天線尺寸以及系統覆蓋區(qū)域都存在很大差異。設計電子系統的工作頻率時必須掌握這些知識。在真空中,所有的無線電信號,不管它的頻率是多少,都以光速直線傳播。但是,地球周圍的空間并不是真空,而是大氣和電離層。無線電信號在這樣的介質中傳播,其傳播特性則與它們的頻率有著密切的關系。6.2.1無線電頻段的劃分無線電頻率一般認為是從3kHz到300GHz的范圍。為了方便對不同頻率無線電信號的傳播特性進行描述,通常又將這個范圍劃分為若干個頻段,如表6.1所示。不同頻段電波傳播特性差別很大。在較高的頻段上,經常采用如表6.2所示的頻段劃分。這種劃分與標準的波導尺寸有關,使用也比較廣泛。6.2.2無線電信號的傳播特性發(fā)射天線產生的無線電波,通過自然條件下的媒質或真空到達接收天線的過程,稱為無線電波的傳播,它是一種電磁能量的傳播。當電磁波在電導率為零、相對介電常數和相對磁導率都恒為1的各向同性、均勻無耗介質的自由空間傳播時,只有直線傳播的擴散損耗,傳播速度等于真空中的光速。但是電磁波實際傳播空間并不是真空,而是存在著各種各樣的媒質,并且這些媒質的電磁參數具有明顯的不均勻性和隨機性,使得通過它們的電磁波的傳播特性會發(fā)生隨機變化,產生反射、折射、散射、繞射、色散和吸收等現象,并可能引起無線電信號的畸變。實際傳播媒質對電波信號傳播的影響,主要表現在傳輸的吸收性損耗、相速變化、傳播方向的改變、干擾和噪聲等方面。電波傳播特性不僅與媒質的結構特性有關,而且與電波的特征參數(如頻率、極化方式等)有關。下面針對無線電定位系統中使用的三種電波傳播方式討論無線電信號的傳播特性。1.地波傳播電波沿地球表面的傳播稱為地波傳播或表面波傳播。這種傳播方式主要發(fā)生在VLF、LF、MF頻段。長波、超長波沿地面?zhèn)鞑サ哪芰ψ顝?傳波距離可達幾千到上萬公里;中波可以沿地面?zhèn)鞑装俟?短波的地波傳播距離更近,從幾十到一百公里左右;超短波和微波沿地面?zhèn)鞑サ哪芰透盍?。沿地球表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?由于地表面的吸收、損耗,所接收的功率已經不像在自由空間那樣與距離平方成反比,而是與距離的四次方近似成反比。地波傳播受地表面?zhèn)鞑ヂ窂缴系碾妼屎徒殡姵档挠绊懞艽?關系也很復雜。但地表面的電參數隨時間的變化一般較小,而且很慢,同時,它受太陽照射條件變化的影響也很小,因此,地波傳播穩(wěn)定可靠,波長越長,這個優(yōu)點越突出。采用地波傳播作為主要傳播方式的無線電系統的缺點為:(1)很難建設一個接近半個波長的垂直發(fā)射天線,輻射效率很低。(2)由雷電產生的大氣噪聲比接收機內部噪聲大得多,從而影響系統作用距離。(3)電波沿地表面的傳播速度不像在自由空間那樣完全是常數,而是對系統與傳播速度有關的性能指標會產生不利影響。2.天波傳播天波傳播是指電波由發(fā)射天線向高空輻射,在高空被電離層連續(xù)折射或散射

而

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播。在適當的條件下,一個接收點可以接收到從一個天線發(fā)射的、經多個不同路徑反射的無線電波,如圖6.2所示。電離層反射無線電波的能力與電波頻率有關,甚低頻和低頻無線電波由電離層下邊緣(白天為D層,晚上為E層)反射,中波由E層反射,而短波由F層反射,但F層極不穩(wěn)定。頻率超過30MHz的電波電離層將不產生反射,因而它將透過所有的電離層進入外部空間。無線電波必須滿足一定的入射(角)條件才能使電離層產生反射,否則,將穿過電離層而不再返回地面,如圖6.3所示。圖6.3給出了頻率分別為f1和f2(f1<f2),且入射角不同時的無線電波經電離層反射的情況。射線A對反射層的入射角太小,電波進入電離層后,雖然由于折射而向下彎曲,但由于到達層的半厚度處(這里電離層的離化最強,再向上又減退),所以仍不能使射線平行于地表面,只能又向上彎曲,穿過該層進入空間而不再回到地表面(除非它又碰到更密的一層);射線B的入射角增大,使得電波傳播到該層的半厚度之前就由于折射而向下彎曲得與地面平行,在繼續(xù)傳播的過程中,射線向下彎曲,最后反射回地表面的接收點;射線C的入射角繼續(xù)增大到某一個值,電波到達該反射層,并立即被反射回地表面接收點;對于更高的頻率f2來說,即使電波入射角非常大(如射線D),反射系數也不足以使電波反射回地球,而繼續(xù)向外層空間傳播。這就是頻率在30MHz以上時電波的反射的情況。由圖6.3可見,對于一個給定頻率及一定條件的反射層來說,存在著一個能接收到反射波(天波)的最小距離;反過來,對于這個最小距離來說,給定的頻率稱為該距離的最大可利用頻率。對于電離層能夠反射的無線電信號,天波對其的衰減主要由功率擴散和電離層吸收引起。電離層對電波功率的吸收比地表面對電波功率的吸收小得多,因而傳播距離可以達到很遠。圖6.4給出了頻率一定的無線電信號其天波、地波信號傳播時衰減與傳播距離的關系。當信號頻率增加時,地波曲線向左移,天波曲線向右移,最后會空出一個間隙。在這個間隙距離范圍內,天波、地波都將收不到。在天波、地波信號強度大致相等的區(qū)域內,由于天波信號的相位相對于地波信號的相位隨機地變化,因此會產生嚴重的天、地波干涉現象。例如,從同一個發(fā)射臺發(fā)射出來的地波Ea和天波Eb同時被接收時,由于天波傳播路徑要比地波長(對于接收兩個或多個不同路徑傳播的天波之間,情況也一樣),這樣,接收天線感應到兩個信號之間將存在相位差。并且,由于電離層的高度和離化程度在不斷變化,因而對接收點來說,天波傳輸路徑,也即天波相位和場強也在不斷變化,其結果是造成了合成信號Er的振幅和相位也不斷變化,這種現象稱之為衰落。衰落現象對測向、測距系統,都將產生嚴重的誤差,甚至不能工作。收發(fā)兩點間信號傳輸路徑的不同(見圖6.2)將導致信號失真,這是由于接收點接收到的不同路徑的信號在時間上有不同的延時,這種不同路徑的時間延遲有時長達幾毫秒。這種由于多路徑傳播而導致信號失真的現象,稱之為多路徑效應。由此可見,天波只能提供某種極不穩(wěn)定的電波傳輸。它的傳輸性能與作用距離、工作頻率以及在一天的什么時間傳輸等關系極大,而且難以精確預測。無線電系統工作在這個頻段將無法獲得滿意的性能指標,因此,有高精度要求的無線電系統,當天波與地波傳播同時存在時,應利用直達的、能很好預測的地波傳輸和獲取信息,而不是利用天波。相反,天波作為一種有害的因素(作為一種對地波的污染),應盡力予以消除。3.視距傳播視距傳播是指接收和發(fā)射兩點間處于直視范圍之內,能互相“看見”的電波傳播,這種傳播方式主要發(fā)生在VHF以上各頻段。視距傳播可分為地地視距傳播和地空視距傳播。前者的傳播距離會受到地球曲率的限制,但由于大氣造成的折射會使電波向地面方向產生稍微的彎曲,因此實際的最大傳輸距離要大于視線距離。視距傳播的特點是:(1)地面衰減很小。(2)電離層不能反射這些波段的信號。(3)在電離層以下,信號基本上按直線傳播。除了地物反射、大氣折射和大氣吸收等因素影響外,視距傳播還遵從自由空間電波傳播的各種規(guī)律,如:(1)傳播速度同光速一樣,為(299792.5±0.3)km/s,可近似地認為是300000km/s。(2)直視距離(即在地面上視線傳播的最遠距離)由發(fā)射天線、接收點高度決定。設發(fā)射天線高為h1,接收點高為h2,則直視距離如圖6.5所示。設收發(fā)兩點間的地面距離為d,a為地球半徑。從幾何關系可知:通常α很小,而h1?a。所以由此可得地球半徑a=6370km,則d0=3.57(h1+h2)km。若考慮大氣折射的影響,電波射線會發(fā)生彎曲,而不再是直線。用等效地球半徑a0(a0=8487km)來代替a時,上述按直線的計算仍然正確。這時有視距傳播方式的優(yōu)點有:(1)傳播路徑在直視距離的范圍之內,因而傳播特性能更好地預測。(2)干擾小。(3)由于系統工作頻率高,發(fā)射機及天線的尺寸、重量將大為減小。(4)在這些頻段內,可以產生很窄的脈沖以及尖銳的天線方向性圖,參數測量精度高。因此,具有視距傳播方式的無線電系統得到了廣泛的應用。視距傳播方式的缺點是不能提供地平線以下的覆蓋。通過上面的討論,可以得到以下結論:(1)無線電系統工作頻率不同,電波傳播方式不同,因而對無線電信號的影響也不同。(2)在進行無線電系統的設計時,必須充分考慮它的應用背景,合理選擇其工作頻率。若要求無線電系統的作用距離在直視距離以內,則系統工作頻率應選擇在電波傳播為視距傳播的頻段,因為在這個頻段內電離層擾動的影響和大氣衰減最小,也不存在天波污染的問題,而且設備體積小、重量輕、天線尺寸小;若要求系統的作用距離超過直視距離,則系統工作頻率應選擇在電波傳播以地波傳播為主的頻段,而不采用天波傳播方式,因為地波傳播比較穩(wěn)定,受太陽照射條件變化的影響也很小,而天波傳播只能提供某種極不穩(wěn)定的電波傳播;若要求系統作用范圍覆蓋水下區(qū)域,則系統工作頻率應選擇在甚低頻段,以減小水媒質對無線電信號引起的損耗。6.2.3自由空間傳播的路徑損耗電波傳播路徑損耗是指無線電波離開發(fā)射源到接收點的能量損耗。已知發(fā)射機的功率為Pt,發(fā)射天線在接收方向的增益為Gtr,接收天線在發(fā)射機方向的增益為Grt,電波傳播的路徑損耗為L,則接收功率Pr可用下式計算上式中的所有量都用dB表示,在計算路徑損耗時也用dB表示。當收、發(fā)均采用各向同性天線時,路徑損耗即為電波在自由空間的損耗,用L0表示,為式中:f為系統工作頻率,單位為MHz;r為作用距離,單位為km。當收、發(fā)天線均用半波對稱振子時,路徑損耗

為式中,參數、單位與式(69)同。知道了自由空間的路徑損耗,實際環(huán)境下的電波傳播路徑損耗就可以在此基礎上計算出來。例如,對于采用地波傳輸的無線電系統,當天線架高小于波長時,其電波傳播路徑損耗由自由空間路徑損耗與地面衰減損耗兩部分組成,具體表達式可參考相關書籍,這里不再贅述。需要特別說明的是,自由空間路徑損耗與實際環(huán)境下的電波傳播路徑損耗是不同的,自由空間路徑損耗只是實際環(huán)境下的電波傳播路徑損耗的一部分,自由空間路徑損耗只能作為實際環(huán)境下電波傳播路徑損耗計算的一個參考。6.2.4天線及其性能參數天線是一種在無線電設備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件,是一種變換器,可把傳輸線上傳播的導行波變換成在媒介中傳播的電磁波,或者進行相反的變換。一般天線都具有可逆性,即同一副天線既可用作發(fā)射天線,也可用作接收天線,且作為發(fā)射天線或接收天線時的基本特性參數相同。天線種類繁多,對發(fā)射與接收信號的影響很大。天線按其工作性質可分為發(fā)射天線和接收天線;按其方向性可分為全向天線和定向天線等;按其工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等;按其結構形式和工作原理可分為線天線和面天線等;按其使用場合的不同可以分為手持天線、車載天線、基地天線三大類;按其輻射方式可分成電流源和磁流源天線、行波天線、陣列天線以及孔徑天線等。電流源天線和磁流源天線主要有單極、偶極子、雙錐、對稱振子、線天線等;行波天線主要有菱形、螺旋、對數周期天線等;陣列天線主要是線陣,如對數周期陣;孔徑天線主要有反射面、喇叭、透鏡天線等。電流源天線使用的頻率范圍為10kHz~1GHz,行波天線使用的頻率范圍為1MHz~10GHz,陣列天線使用的頻率范圍為10MHz到幾十GHz,孔徑天線使用的頻率范圍為100MHz以上。天線尺寸與輻射效率關系密切。當天線的長度遠小于波長時,輻射微弱;長度與波長相比擬時,能形成較強的輻射。影響天線性能的參數很多,在天線設計過程中其參數需進行不斷調整,如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和帶寬等。天線電參數如下:1)諧振頻率諧振頻率與天線的電長度相關。電長度是指天線物理長度除以自由空間中電波的傳輸速度與電線中電波傳輸速度之比,通常由波長來表示。天線一般在某一頻率調諧,并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。2)增益增益是指天線最強輻射方向的天線輻射方向圖強度與參考天線的強度之比的對數。如果參考天線是全向天線,增益的單位為dBi。比如偶極子天線的增益為2.14dBi;半波對稱振子的增益為2.15dBi;4個半波對稱振子沿垂線上下排列,構成一個垂直四元陣,其增益約為8.15dBi。偶極子天線也常用作參考天線,這種情況下天線的增益以dBd為單位。天線是無源器件,不能產生能量,僅重新分配輻射能量而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量,因此,天線增益反映的是將能量有效集中從而向某特定方向輻射或接收的能力。天線增益由振子疊加產生,天線長度越長,增益越高。天線增益越高,方向性越好,能量越集中,波瓣越窄。3)帶寬天線的帶寬是指它有效工作的頻率范圍,通常以其諧振頻率為中心。天線帶寬可以通過一些技術增大,如使用較粗的金屬線,以及使用金屬“網籠”來近似更粗的金屬線等。4)駐波比電波在天線系統不同部分(電臺、饋線、天線、自由空間)傳輸會遇到阻抗差異,導致在每個接口處電波的部分能量會被反射,在饋線上形成一定的駐波。將電波最大能量與最小能量之比值稱為駐波比(SWR)。駐波比表示天線輸入、輸出阻抗的匹配特性,駐波比越接近于1,則天線的輻射效率(天線輻射效率指天線輻射功率與天線輸入功率之比)就越高;相反,駐波比越大,反射的能量就越大。5)極化形式天線極化特性可以根據它所輻射的電波的極化特性加以區(qū)分。所謂電波的極化是指電波中電場強度矢量的空間取向隨時間變化的方式,用電場矢量端點隨時間變化在空間的軌跡來表示。極化一般分為線極化、圓極化以及橢圓極化三種。其中,線極化指電場矢量端點在一條直線上變化,通常以地面為參考來區(qū)分線極化波。電場矢量垂直于地面的稱為垂直極化波,相應的天線為垂直極化天線;電場矢量平行于地面的稱為水平極化波,水平架設在地面上的天線為水平極化天線。圓極化指電場矢量端點在一個圓上變化,圓極化波通常由兩個互相垂直、幅度相等而相位相差90°的線極化波合成。圓極化波既可由兩個線極化天線共同產生,也可由專門的圓極化天線產生。橢圓極化指電場矢量端點在一個橢圓上變化,兩個互相垂直、幅度相等、相位差為任意值的線極化波合成的就是橢圓極化波。橢圓極化波一般不是專門產生的,它可能是由于線極化或圓極化波不理想而形成的,也可能是由于傳播過程中介質的影響出現的。垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收,水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收,而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時,接收到的信號就會變小,也就是說,發(fā)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波,或者用線極化天線接收任一圓極化波,只能接收到來波的一半能量。當接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時,例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波,或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時,天線就完全接收不到來波的能量,這種情況下極化(能量)損失最大。6)輸入阻抗天線輸入端信號電壓與信號電流之比稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量和電抗分量之分,電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取,因此必須使電抗分量盡可能為零,也就是應盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上,即使是設計、調試得很好的天線,其輸入阻抗中也總含有一個小的電抗分量值。輸入阻抗與天線的結構、尺寸以及工作波長有關。半波對稱振子是最重要的一種基本天線,其輸入阻抗為Zin=(73.1+j42.5)Ω。當把其長度縮短3%~5%時,就可以消除其中的電抗分量,使天線的輸入阻抗為純電阻,此時的輸入阻抗為Zin=73.1Ω(標稱75Ω)。半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的4倍,即Zin=280Ω(標稱300Ω)。對于任一天線,在要求的工作頻率范圍內,總可通過天線阻抗調試,使輸入阻抗的虛部很小且實部接近50Ω,從而實現天線與饋線的阻抗匹配。7)工作頻率無論是發(fā)射天線還是接收天線,它們總是在一定的頻率范圍內工作。天線的工作頻率范圍是指在駐波比SWR≤1.5的條件下,天線的工作頻帶寬度。盡管在工作頻率范圍內的各個頻率點上天線性能存在差異,但這種差異造成的性能下降是可以接受的。對于方向天線,除了上面常見的描述天線的一般電參數之外,還有以下電參數用于描述天線的方向性。8)方向性函數與方向圖實際的天線向各個方向輻射的能量是不同的,通常用方向性函數來描述天線在不同方向的輻射能力。顯然方向性函數是方位角與俯仰角的函數。對于同一副天線來說,接收時的方向性函數與發(fā)射時的方向性函數相同。將方向性函數用圖形表示,這個圖形則稱之為方向圖。由于方向圖是用于表示天線在不同方向輻射或接收能力的相對大小的,所以通常用歸一化方向性函數來表示方向圖。所謂歸一化方向性函數就是在最大輻射方向上方向函數的值等于1。方向圖有極坐標方向圖與直角坐標方向圖兩種表示方式。方向圖為一立體圖形,但畫天線的立體方向圖很復雜,在大多數情況下也沒有必要,所以通常用天線最大輻射方向上的兩個互相垂直的平面來表示。方向圖描述了同一副天線在不同方向上輻射能力的相對大小,但不能描述不同天線輻射能力的差異。為了比較方向天線與無方向天線輻射能力的差異,引入了方向系數的概念。所謂方向系數,是指假定從各個方向傳來的電波場強相同,天線在最大接收方向接收時向負載輸出的功率與它在各個方向接收時輸入到負載上的功率平均值之比。對于同一副天線,在接收與發(fā)射兩種狀態(tài)下,方向系數相同。9)主瓣寬度主瓣寬度是一個衡量天線最大輻射區(qū)域尖銳程度的物理量。通常主瓣寬度定義為天線方向圖主瓣上兩個半功率點(-3dB)之間的寬度,也就是場強等于最大場強的1/2的兩點之間的寬度,有時也用主瓣的兩個零點之間的角度表示。為區(qū)別起見,前者寫為2θ0.5,后者寫為2θ0。顯然,主瓣寬度越小,說明天線輻射能量越集中,其定向輻射的性能越好,即天線的方向性越強。10)旁瓣電平旁瓣電平是指離天線方向圖主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平,定義為旁瓣的最大值與主瓣最大值之比的對數,即20lg(旁瓣最大值/主瓣最大值)。方向圖的旁瓣區(qū)是不希望輻射的區(qū)域,所以電平應盡可能地低。一般來說,在實際的方向圖中,離主瓣越遠的旁瓣電平越低,因而,第一旁瓣電平的高低在某種意義上也反映了天線方向性的優(yōu)劣。11)前后比前后比是指天線在最大輻射方向(前向)的電平與其反向(后向)電平之比,用分貝表示為20lg(最大輻射方向電平值/反向電平值)。移動通信基站使用最普遍的板狀天線的主要參數為:頻率范圍為824~960MHz;頻帶寬度為70MHz;增益為14~17dBi;極化方式為垂直極化;標稱阻抗為50Ω;電壓駐波比≤1.4;前后比>25dB。6.3饋

線連接天線和發(fā)射機輸出端(或接收機輸入端)的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務是有效地傳輸信號能量,因此,它應能將發(fā)射機發(fā)出的信號功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端,或將天線接收到的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端,同時本身不產生雜散干擾,即傳輸線必須屏蔽。超短波段的傳輸線一般有平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線兩種,微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導線組成,是一種對稱式或平衡式的傳輸線,這種饋線損耗大,不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導線分別為芯線和屏蔽銅網,因銅網接地,兩根導體對地不對稱,因此也叫不對稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍寬,損耗小,對靜電耦合有一定的屏蔽作用,但對磁場的干擾無能為力。饋線的主要技術參數如下:1)工作頻率饋線的工作頻率是指在駐波比滿足一定值的要求條件下的工作頻帶寬度。2)衰減系數信號在饋線里傳輸,除有導體的電阻性損耗外,還有絕緣材料的介質損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。單位長度產生的損耗稱為衰減系數,其單位為dB/m,電纜技術說明書上的單位大都用dB/100m。設輸入到饋線的功率為P1,從長度為Lm的饋線輸出的功率為P2,傳輸損耗TL=10×lg(P1/P2)dB,則衰減系數β=TL/L(dB/m)。3)特性阻抗無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗,用Z0表示。同軸電纜的特性阻抗的計算公式為式中:D為同軸電纜外導體銅網內徑;d為同軸電纜芯線外徑;εr為導體間絕緣介質的相對介電常數。通常Z0為50Ω,也有75Ω的。由上式不難看出,同軸電纜饋線特性阻抗只與導體直徑D和d以及導體間介質的介電常數εr有關,與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗無關。4)電壓駐波比與反射損耗當饋線終端所接負載阻抗與饋線特性阻抗不匹配時,饋線上會同時存在入射波和反射波,在饋線上形成一定的駐波。與天線駐波比定義相同,饋線的電壓駐波比為饋線中最大電壓振幅與最小電壓振幅之比。駐波比越接近于1,匹配也就越好。在實際工作中,天線的輸入阻抗會受到周圍物體的影響,為了使饋線與天線良好匹配,在架設天線時需要通過測量,適當調整天線的局部結構,或加裝匹配裝置,實現良好匹配。反射損耗指由反射引起而未被吸收的那部分能量。6.4信號隔離與射頻濾波6.4.1環(huán)形器環(huán)形器是一種多端口器件,電磁波在其內部只能沿單方向環(huán)行傳輸,反方向是隔離的。在收發(fā)設備共用一副天線的電子系統中廣泛使用環(huán)形器作雙工器。四端口環(huán)形器結構示意圖如圖6.6所示,信號只能沿①→②→③→④→①方向傳輸,反方向被隔離。環(huán)形器的主要技術參數如下:(1)頻率范圍:環(huán)形器使用的頻率帶寬。(2)插入損耗:當環(huán)形器接入傳輸電路后所增加的衰減,單位為dB。(3)反向隔離:也稱為隔離度,指泄露到其他端口的功率與原有功率之比,單位為dB。(4)駐波比:駐波比越接近于1性能越好。(5)平均功率:系統能夠輸出的最大平均功率,單位有W、mW、dBm等。(6)連接器形式:把不同類型的傳輸線連接在一起的裝置,一般連接接頭類型有N、SMA、L16、L29、DIN、BNC等。(7)工作溫度:環(huán)形器正常工作的溫度范圍。(8)尺寸:環(huán)形器外形尺寸大小。某環(huán)形器的主要參數為:頻率范圍為0.8~1.2GHz;帶寬為70MHz;插入損耗為0.3dB;隔離度為23dB;駐波比≤1.20;平均功率為60W;外形尺寸(mm)為30×33×15;連接器形式為SMA。6.4.2射頻濾波射頻濾波是射頻通道必不可少的功能部件,主要是抑制不需要的干擾與噪聲。盡管數字濾波技術在基帶甚至中頻得到廣泛應用,但射頻濾波還是主要采用模擬濾波技術。射頻濾波器按頻率選擇的特性可以分為低通、高通、帶通、帶阻等濾波器;按實現方式可以分為LC濾波器、聲表面波濾波器/薄膜體聲濾波器、螺旋濾波器、介質濾波器、腔體濾波器、高溫超導濾波器、平面結構濾波器;按不同的頻率響應函數可以分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、橢圓濾波器以及貝塞爾濾波器等。在射頻通道中使用最多的是低通濾波與帶通濾波。低通濾波在混頻的鏡像頻率抑制、頻率源的諧波抑制方面有著廣泛應用,而帶通濾波則在接收機前端信號選擇、發(fā)射機功放后雜散抑制、頻率源雜散抑制等方面使用廣泛。常見的射頻濾波器有LC濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器、聲表面波濾波器/薄膜體聲濾波器。它們的特點不同,其應用場合也不一樣。1)LC濾波器由電感L、電容C以及電阻R元件構成的濾波器稱為LC濾波器,該類濾波器為無源濾波器不需要提供電源。LC濾波器采用集總混合參數設計,具有結構簡單、體積小、重量輕、性能穩(wěn)定可靠、價格較低、能應用的頻帶寬等優(yōu)點,在射頻濾波中得到了廣泛應用。這類濾波器的主要缺點是補償特性受電路阻抗和運行狀態(tài)影響,易和系統發(fā)生并聯諧振,導致諧波放大,使LC濾波器過載甚至燒毀。LC濾波器可分為一般LC濾波器、諧振回路濾波器和耦合回路LC濾波器。一般LC濾波器可實現低通、高通、帶通和帶阻濾波,諧振回路LC濾波器一般只能實現帶通和帶阻(或陷波)濾波,而耦合回路LC濾波器通常僅實現帶通濾波。2)晶體濾波器晶體濾波器具有體積小和重量輕的優(yōu)點,并且由于晶體的Q值很高,易于實現窄帶的帶通或帶阻的濾波。晶體濾波器具有中心頻率穩(wěn)定、帶寬窄、邊沿衰減陡峭的特點。但晶體濾波器的相對帶寬只有千分之幾,在許多情況下限制了應用。3)陶瓷濾波器陶瓷濾波器是利用壓電陶瓷材料經直流高壓電場極化后,形成的類似于石英晶體中的壓電效應這一特性而構成的濾波器。陶瓷濾波器的品質因數較晶體小得多,但比LC濾波器的品質因數高,且串并聯頻率間隔也比較大,因此,陶瓷濾波器的相對帶寬較大。高頻陶瓷濾波器的工作頻率可以從幾兆赫茲到上百兆赫茲,并且其相對帶寬可從千分之幾至百分之十。簡單的陶瓷濾波器是在單片壓電陶瓷上形成雙電極或三電極,它們相當于單諧振回路或耦合回路。性能較好的陶瓷濾波器通常是將多個陶瓷諧振器接入梯形電路網絡而構成,是一種多極點的帶通或帶阻濾波器。由于陶瓷濾波器的Q值比通常電感元件高,因而濾波器的通帶衰減小、帶外衰減大以及矩形系數較小。4)聲表面波濾波器/薄膜體聲濾波器聲表面波濾波器(SAW)是一種將電能轉換為表面聲波,利用聲波共振效應實現濾波的器件。聲表面波沿彈性固體表面?zhèn)鞑?具有其幅度隨進入固體材料的深度增加而迅速減小的特性。聲表面波濾波器的優(yōu)點為體積小,Q值相對LC濾波器高,適合批量生產;缺點為功率容量小,濾波性能易受溫度變化的影響,傳播速度慢。SAW濾波器頻率上限為2.5~3GHz。頻率高于1.5GHz時,選擇性降低;在2.5GHz附近,僅限于性能要求不高的應用。薄膜體聲濾波器是一項利用新型電、聲諧振技術的濾波器,不僅具有聲表面波濾波器的優(yōu)點,而且更適用于高頻應用,一般工作在1.5~6.0GHz,同時具有對溫度變化不敏感、插入損耗低、體積小、承受功率高以及帶外衰減大等優(yōu)點。薄膜體聲濾波器作為濾波器和雙工器被廣泛用于現代無線通信系統。目前,薄膜體聲濾波器的結構以SMR結構最為簡單,且與目前半導體工藝兼容性好,極具發(fā)展?jié)摿ΑＥc基帶濾波和中頻濾波的設計不同,射頻濾波器的設計與調試需要豐富的工程實踐經驗,通常只有長期從事相關工作的工程技術人員才能設計出滿足指標要求的射頻濾波器。在電子系統射頻通道的設計中,常用的做法是:專注于技術指標的設計,委托專門研究所或專業(yè)公司進行開發(fā)。射頻濾波中,LC濾波器得到非常廣泛的應用。LC濾波器的設計通常采用將經典的低通濾波器原型通過不同的變換轉換成符合要求的濾波器的方法來實現。其設計步驟為:(1)將待設計濾波器的技術指標轉換為歸一化低通濾波器的技術指標;(2)依據歸一化低通濾波器的技術指標,選擇一個滿足要求的歸一化低通濾波器;(3)將歸一化低通濾波器轉換為待設計的濾波器。下面以在射頻中廣泛使用的帶通濾波器的設計為例介紹其設計過程,其他濾波器的設計可參考本章參考文獻[23]的相關書籍。設計一LC帶通濾波器,要求信號頻率在500Hz和2000Hz處衰減為3dB,在100Hz和4000Hz處最小衰減為40dB,輸入阻抗RS和輸出阻抗RL均為600Ω。由于帶通濾波器的上、下截止頻率之比為4,屬于寬帶帶通濾波器的設計,因此可采用寬帶帶通濾波器的設計方法,也就是,采用一個低通濾波器與一個高通濾波器級聯的方法來實現。另外,由于高通濾波器與低通濾波器的截止頻率相距僅兩個倍頻程,故在兩個濾波器級聯時,需采用一個3dB的T型衰減器來隔離這兩個濾波器。由帶通濾波器的技術指標可得到高通濾波器與低通濾波器的技術指標。高通濾波器的技術指標為:在500Hz處衰減為3dB,在100Hz處最小衰減為40dB;低通濾波器的技術指標為:在2000Hz處衰減為3dB,在4000Hz處最小衰減為40dB。具體設計步驟為:(1)低通濾波器的設計。①

計算低通濾波器歸一化參數。計算濾波器的陡度系數AS與頻率標度系數FSF,為用頻率標度系數FSF對待設計低通濾波器的參數歸一化,可得歸一化低通濾波器的參數為:在1rad/s處衰減3dB,在2rad/s處至少衰減40dB。②

選擇原型濾波器實現形式,確定階數n。選用巴特沃斯濾波器實現,依據上述歸一化參數,查閱巴特沃斯濾波器衰減特性曲線,n=7的巴特沃斯濾波器滿足其性能指標要求。③

查表得到歸一化原型濾波器。查閱可得n=7,輸入、輸出阻抗相等(RS=RL=1Ω)的歸一化巴特沃斯低通濾波器如圖6.7所示。④

去歸一化,得到滿足要求的濾波器。用Z=600和頻率標度系數FSF對濾波器去歸一化,可得到滿足要求的低通濾波器。各個參數如下:設計的低通濾波器如圖6.8所示。(2)高通濾波器的設計。①

計算高通濾波器歸一化參數。計算高通濾波器的陡度系數AS與頻率標度系數FSF分別為用頻率標度系數FSF對待設計高通濾波器的參數歸一化,可得歸一化高通濾波器的參數為:在1rad/s處衰減3dB,在0.2rad/s處至少衰減40dB。②

將歸一化高通濾波器參數轉換為歸一化低通濾波器參數。將歸一化高頻濾波器的角頻率取倒數,而衰減值不變,輸入輸出阻抗不變,即可得到歸一化低通濾波器的參數。按此原則得到的歸一化低通濾波器的參數為:在1rad/s處衰減3dB,在5rad/s處至少衰減40dB。③

選擇原型濾波器實現形式,確定階數n。選用巴特沃斯濾波器實現,依據上述歸一化參數,查閱巴特沃斯濾波器衰減特性曲線,n=3的巴特沃斯濾波器滿足其性能指標要求。④

查表得到歸一化原型濾波器。查閱可得n=3,輸入、輸出阻抗相等(RS=RL=1Ω)的歸一化巴特沃斯低通濾波器如圖6.9所示。⑤

去歸一化,得到滿足要求的濾波器。將歸一化低通濾波器變換為高通濾波器的方法為:將電容用電感置換,電感用電容置換,且元件值取倒數。歸一化低通濾波器變換成的高通濾波器如圖6.10所示。用Z=600和頻率標度系數FSF對高通濾波器去歸一化,可得到滿足要求的高通濾波器。各個參數如下:設計的高通濾波器如圖6.11所示。需要說明的是,圖6.11所示的高通濾波器由兩個電感和一個電容組成,考慮到電感制作不方便,需要盡量減少電感數。如果選擇與圖6.9所示歸一化低通濾波器對偶的電路作為歸一化低通濾波器,在完成低通到高通的變換以及去歸一化處理后,得到的高通濾波器將由一個電感和兩個電容組成,減少了電感數目。(3)級聯濾波器間的隔離。如果低通濾波器與高通濾波器級聯,且兩個濾波器設計成相同的輸入輸出阻抗,它們的截止頻率至少相距一或兩個倍頻程,則每個濾波器在其通帶內都有合適的端接阻抗。如果通帶間隔不夠,由于阻抗變化,濾波器將相互影響。若兩個濾波器用衰減器隔離,影響可以減至最小,通常衰減3dB即可。常用的衰減器有T型和π型衰減器兩種。考慮到本例中低通濾波器與高通濾波器的截止頻率相距僅兩個倍頻程,故采用一個衰減量為3dB的T型衰減器隔離。構成T型衰減器的三個電阻的阻值分別為102Ω、1690Ω與102Ω。(4)帶通濾波器的設計。將上面設計的低通濾波器、T型衰減器以及高通濾波器級聯,即可得到滿足要求的帶通濾波器,其電路如圖6.12所示。6.5射

頻

放

大射頻放大可分為低噪聲放大、高增益放大以及功率放大。低噪聲放大一般位于接收機的前端,用于對天線接收到的微弱信號的放大;高增益放大一般位于低噪聲放大之后,對高增益放大器的要求是放大倍數要足夠大;在射頻信號送到天線發(fā)射之前,一般需要進行射頻功率放大。射頻功率放大與低噪聲放大和高增益放大的區(qū)別為:(1)低噪聲放大器與高增益放大器放大的是信號的幅度,而功率放大器放大的是信號的功率。(2)功率放大器放大的是小信號,放大管工作在線性區(qū)域,而低噪聲放大器和高增益放大器放大的是大信號,放大管工作在非線性區(qū)域。6.5.1低噪聲放大與高增益放大技術低噪聲放大器是一種噪聲系數很低、增益較高的小信號放大器。由于它一般位于接收機的前端,所以,對整個接收系統的噪聲特性起決定作用。低噪聲放大器通常用于對天線接收的微弱信號的前置放大,其技術指標要求如下:(1)噪聲溫度低于75K,以滿足低噪聲系數要求。(2)一般情況下,低噪聲放大器與后續(xù)的高增益放大器的總增益要達到50~60dB,以實現對微弱信號的放大。(3)對增益的短期穩(wěn)定度優(yōu)于±0.1dB/小時,中期穩(wěn)定度優(yōu)于±0.2dB/天,長期穩(wěn)定度優(yōu)于±0.5dB/周。(4)帶寬應能覆蓋系統所占有的頻帶。(5)輸入、輸出駐波比一般應小于1.3∶1。(6)放大器的1dB壓縮點一般應大于10dBm,以滿足動態(tài)范圍要求。(7)放大器帶內幅頻特性應盡量平坦,以減小不同頻率分量放大倍數不同而導致的信號失真;放大器的帶外抑制應盡量大,以避免發(fā)射機正常工作時的泄漏信號對放大器的工作產生影響。(8)放大器產生的雜散噪聲應低于熱噪聲。低噪聲放大器主要有低溫制冷參量放大器、常溫恒溫參量放大器、微波場效應晶體管放大器和高電子遷移率晶體管放大器等幾種。由于微波場效應管放大器性能穩(wěn)定、結構緊湊、價格低廉,且噪聲性能與常溫參量放大器接近,因此,微波場效應晶體管放大器已取代了常溫參量放大器。目前,Ku頻段以下的低噪聲放大器普遍采用低噪聲FET放大器。繼低噪聲微波場效應晶體管放大器之后,高電子遷移率晶體管簡稱HEMT器件,由于在低噪聲、高工作頻率方面比FET更具有優(yōu)越性,因此獲得了迅速發(fā)展與應用。目前廣泛使用的低噪聲放大器為微波場效應晶體管放大器,其核心部件為場效應晶體管。場效應晶體管有源極(S)、柵極(G)和漏極(D)三個電極,通過柵極電壓控制漏極電流,實現對信號的放大。由微波場效應晶體管構成的低噪聲與高增益放大器一般由多級放大電路組成,其中第一、二級用于最小噪聲系數設計,中間級用于高增益設計,末級要求保持良好的線性,以滿足系統互調特性的要求。在低噪聲與高增益放大器的設計中應注意以下幾點:(1)選擇適當的放大管與電路形式。雖然晶體管與場效應管均可作為放大管,但在設計低噪聲放大電路時盡量選擇截止頻率高的場效應管,在設計高增益放大電路時選用截止頻率高的場效應管與晶體管,通常截止頻率應為工作頻率的3~5倍。在使用場效應管放大時采用共源極電路形式,使用晶體管放大時采用共發(fā)射極、共基極級聯的電路形式,以兼顧低噪聲和高增益的要求。這樣做的原因為:晶體管的自身噪聲由閃爍噪聲、基極電阻的熱噪聲、散粒噪聲以及分配噪聲四部分組成,其中閃爍噪聲在頻率很低時比較大,頻率幾百MHz以上時可忽略,基極電阻的熱噪聲與散粒噪聲基本與頻率無關,分配噪聲與頻率的平方成正比,且當工作頻率高于晶體管的截止頻率時,這種噪聲會急劇增加。在高頻放大時,應盡量選用截止頻率高的晶體管,使其工作頻率范圍位于晶體管的噪聲系數—頻率曲線的平坦部分。場效應管沒有散粒噪聲,在低頻時主要是閃爍噪聲,頻率較高時主要是熱噪聲。由于場效應管的噪聲比晶體管小,在低噪聲放大時,盡量選用場效應管。(2)選用合適的偏置電路,以保證最佳工作點的穩(wěn)定。偏置電路有恒流偏置電路和分壓偏置電路兩種可選。在低噪聲放大時,漏極電流一般在10mA左右,高增益放大時,漏極電流一般在10~30mA。(3)根據放大管的輸入、輸出阻抗,設計輸入和輸出匹配網絡。一般在微波場效應管低噪聲放大器輸入、輸出端接入隔離器,以改善輸入、輸出端的駐波特性。6.5.2功率放大技術在發(fā)射機的前級電路中,調制振蕩電路產生的射頻信號功率很小,為了獲得足夠大的射頻輸出功率,必須對射頻信號進行功率放大,以保證天線輻射信號的作用距離?？梢?射頻功率放大器是發(fā)射系統非常重要的組成部分。射頻功率放大器的技術指標包括頻率范圍、輸出功率、轉換效率、功率增益、回波損耗與駐波比、線性度以及噪聲系數等,其中最重要的技術指標無疑是輸出功率與轉換效率。如何提高輸出功率和轉換效率是射頻功率放大器設計的核心。射頻功率放大器根據工作狀態(tài)的不同,可分為線性功率放大器與開關型功率放大器兩大類。射頻功率放大器一般都采用選頻網絡作為負載回路。線性功率放大器具有較高的增益和線性度,但效率低,而開關型功率放大器具有很高的效率和高輸出功率,但線性度差。另外,線性功率放大器的工作頻率高,但相對頻帶較窄。按照電流導通角的不同,線性功率放大器可分為甲(A)、乙(B)、丙(C)三類。甲類放大器電流的導通角為360°,乙類放大器電流的導通角為180°,丙類放大器電流的導通角小于180°。甲類放大器適用于小信號低功率放大,乙類和丙類都適用于大功率放大。丙類放大器的輸出功率和效率是三種中最高的,其缺點是電流波形失真太大,通常利用諧振回路的濾波作用以及采用調諧回路作為負載使輸出電壓與電流接近于正弦波形,以減小失真。因此,線性功率放大器大多采用調諧回路作為負載的丙類放大器。開關型功率放大器的放大管工作于開關狀態(tài),常見的有丁(D)類放大器和戊(E)類放大器,丁類放大器的效率高于丙類放大器。由于開關型功率放大器的放大管工作于開關狀態(tài),其電壓和電流的時域波形不存在交疊現象,直流功耗為零,所以,理想的效率能達到100%。功率放大器通常由放大電路與阻抗變換網絡、直流偏置與穩(wěn)定電路、輸入輸出匹配網絡幾個部分組成,其組成框圖如圖6.13所示。電源提供的功率一部分經放大電路轉換為有用的射頻信號功率,一部分轉換為無用的功率,如熱能、電路損耗。當轉換效率高時,被電路本身損耗的功率小;反之,損耗的功率就大。損耗功率轉化成的熱能會導致放大電路中的放大管溫度不斷升高,如果不外加散熱裝置,不僅會使放大管性能惡化,甚至會燒壞放大管,因此,功率放大器的散熱是必須高度重視的問題。散熱的目的是保證放大管長期工作時溫度在合理的范圍之內。為了保證良好的散熱,除了給放大管加裝大的散熱片以外,通常會把放大管安裝在機殼上,利用機殼散熱,有的甚至加裝風機來散熱。為了減小因加裝散熱片而帶來的設備重量的增加,應盡量采用轉換效率高的功率放大電路。直流偏置與穩(wěn)定電路的作用是為放大管提供最佳的靜態(tài)工作點,且當溫度變化時維持靜態(tài)工作點不變。輸入輸出匹配電路的作用是實現阻抗匹配,減小反射,以實現最大功率的輸出,同時利用諧振回路的濾波作用,使輸出電壓與電流接近于正弦波形,減小失真。在功率放大電路中,需要重視輸入輸出匹配電路的設計。如果電路不匹配,會導致功率放大器產生的信號功率因反射問題而無法高效地送到下一級,嚴重時反射的功率甚至會燒壞發(fā)射機。6.6頻率合成技術6.6.1頻率合成技術概述隨著無線電技術的發(fā)展,要求信號的頻率越來越穩(wěn)定與準確,一般振蕩器將不能滿足要求。于是出現了利用高穩(wěn)定度的晶體振蕩器作為標準信號發(fā)生器,但它們的頻率標準往往是單一的或只能在極小范圍內進行微調。然而,許多無線電設備常需要在一個很寬的頻率范圍內具有許多的頻率點。為了解決既要頻率穩(wěn)定、準確,又要頻率能在大范圍內可變這樣一對矛盾,就出現了頻率合成技術。頻率合成技術在無線電技術與電子系統的各個領域中均得到廣泛應用,既可以作為發(fā)射機的激勵信號源,也可以作為接收機的本地振蕩器,還可以作為測試設備的標準信號源。所謂頻率合成技術,是指將一個高穩(wěn)定度與高精度的基準頻率經過加、減、乘、除運算,產生同樣穩(wěn)定度和精確度的一個或多個離散頻率的技術。根據其原理組成的設備或儀器稱為頻率合成器或頻率綜合器?？v觀頻率合成技術的發(fā)展過程,頻率合成有直接合成法與間接合成法兩大類。直接合成法又分為傳統實現方法與現代實現方法兩種。傳統實現方法是一種將一個或多個基準頻率信號經過諧波發(fā)生器產生出各次諧波,再經過混頻、分頻、倍頻、濾波等途徑獲得所需要的大量頻率信號的方法。現代實現方法是一種隨著計算機技術的發(fā)展而出現的新方法,首先產生信號波形數據,并存儲在只讀存儲器ROM中,然后周而復始地讀數據并進行D/A轉換來產生需要的信號,輸出信號頻率的改變由讀數據的時鐘決定。間接合成法是一種將一個或多個基準頻率信號通過相位鎖定來獲得合成頻率信號的方法。由于在間接合成法中使用了鎖相環(huán),因此,又稱為鎖相式頻率合成方法。鎖相式頻率合成方法具體實現分為脈控鎖相法與數字鎖相法兩類。其中數字鎖相法由于具有輸出頻譜純凈、易于集成、功耗低等優(yōu)點而得到廣泛應用。頻率合成器的用途不同,其性能要求也不同。其共性的主要性能指標如下:1)頻率范圍頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率與最高頻率之間的變化范圍,也可以用頻率覆蓋系數(最高頻率與最低頻率之比)表示。2)頻率長期穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度在第2章已給出定義。頻率合成器應具有良好的長期穩(wěn)定度,其典型值為(10-7~10-10)/每日。頻率合成器輸出信號的長期穩(wěn)定度與準確度由內部的基準頻率源決定。室溫下晶體振蕩器的穩(wěn)定度一般為10-6/月,恒溫條件下可達到10-9/每月。3)頻率總數與頻率間隔頻率總數指頻率合成器能夠輸出離散頻率信號的總個數。頻率間隔指輸出兩個相鄰頻率之間的間隔。頻率間隔也稱為頻率合成器的分辨力。4)相位噪聲相位噪聲簡稱相噪,是衡量頻率合成器輸出信號頻譜純度的重要指標。它指系統在各種噪聲的作用下引起的系統輸出信號相位的隨機變化或抖動。相位噪聲通常用在偏移中心頻率一定范圍內單位帶寬內的功率與總信號功率之比來表示,單位為dBc/Hz,其中,dBc是以dB為單位的單位帶寬內的功率與總功率的比值。一個振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內的信號功率與信號的總功率比值。頻率合成器引起相位抖動的噪聲與干擾主要來自內部電路以及器件的非線性,工程上要求相位噪聲盡量小,以保證輸出信號頻譜的純凈。5)頻率轉換時間頻率轉換時間是指頻率合成器從某一頻率轉換到另一頻率并達到鎖定的時間。主要是鎖相環(huán)路的捕獲時間。為了縮短頻率轉換時間,通常要求捕獲時間小于幾十毫秒。6.6.2常用的頻率合成器目前常用的頻率合成器有直接數字頻率合成器以及各種數字鎖相頻率合成器,下面分別進行介紹。1.直接數字頻率合成器直接數字頻率合成器又稱為計算法數字頻率合成器,它采用數字采樣技術,通過計算將參考信號轉換為數據并存儲在只讀存儲器中,然后通過數/模(D/A)轉換輸出所需頻率的信號。輸出信號的頻率由時鐘通過控制從只讀存儲器中讀出數據的時間間隔來實現。其原理框圖如圖6.14所示。在時鐘信號的控制下,首先變址相位累加器根據不同的頻率碼給出相應的相碼,送到只讀存儲器,然后運算器讀出不同的幅度編碼,經運算后得到不同的數字波形,并通過數/模轉換器輸出階梯波形,最后經低通濾波器濾波后輸出幅度與時間均連續(xù)的所需頻率模擬信號。直接數字頻率合成器的優(yōu)點是能產生任意波形的周期信號,缺點是輸出信號的頻率會受到D/A轉換速度的限制。2.數字鎖相頻率合成器數字鎖相頻率合成器利用一個高穩(wěn)定度和高精度的晶體振蕩器產生基準頻率信號,通過鎖相環(huán)路的鎖相穩(wěn)頻作用與優(yōu)良的濾波性能,在輸出端可得到大量(成千上萬)與晶體振蕩器具有相同穩(wěn)定度與精確度的離散頻率信號。在數字鎖相頻率合成器中,鎖相環(huán)既是基本組成部分,又是關鍵部件。下面先介紹鎖相環(huán),然后討論基于鎖相環(huán)的各種頻率合成器。1)鎖相環(huán)鎖相環(huán)通常由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器組成,如圖6.15所示。、鑒相器又稱為相位比較器,用于比較相位,產生誤差電壓。鑒相器可分為模擬鑒相器與數字鑒相器兩類,模擬鑒相器由模擬電路構成,輸入的信號為模擬信號,而數字鑒相器由數字邏輯電路組成,輸入的信號為數字信號。在數字鎖相頻率合成器中,對鑒相器的要求為:具有較大的鑒相靈敏度,以利于環(huán)路抑制噪聲并穩(wěn)定工作;紋波輸出小,減小對壓控振蕩器輸出信號的影響;鑒相特性線性區(qū)域大,減小鑒相器的非線性導致的不良影響;具有鑒頻能力,使鎖相環(huán)更容易入鎖。壓控振蕩器的作用為:在控制電壓的作用下,使輸出信號的頻率跟隨控制電壓變化。對鎖相環(huán)中壓控振蕩器的要求為:有一定的壓控靈敏度;控制特性的線性好;頻率覆蓋范圍大;輸出信號幅度的平穩(wěn)度好;開環(huán)相位噪聲低,頻譜純度高;頻率短期穩(wěn)定度較高。環(huán)路濾波器為低通濾波器,其作用是濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲,并可改善鎖相環(huán)的噪聲性能。鎖相環(huán)路在正常工作時(即處于鎖定狀態(tài)),壓控振蕩器輸出信號頻率與輸入信號頻率相等,相位差較小且為常數。這是因為一旦鎖相環(huán)進入鎖定狀態(tài),環(huán)路將具有自動控制作用,將使壓控振蕩器的輸出信號頻率跟隨輸入信號頻率。也就是說,如果輸入信號為高穩(wěn)定信號,而VCO的輸出為低穩(wěn)定信號,在鎖相環(huán)的反饋控制作用下,將使VCO的輸出信號也達到與輸入信號一樣穩(wěn)定。這就是鎖相環(huán)的穩(wěn)頻原理。2)單環(huán)數字式頻率合成器單環(huán)數字式頻率合成器組成如圖6.16所示。高穩(wěn)定度與高精度的晶體振蕩器輸出信號經固定分頻器分頻后,得到所需要的基準頻率信號;而壓控振蕩器輸出信號經可變程序分頻器分頻后,由鑒相器完成與基準信號的比相。當達到相位鎖定時,壓控振蕩器輸出信號的頻率為可見,當可變程序分頻器的分頻次數N設置成不同的值時(即分頻器的分頻數變化時),從VCO的輸出即可得到最小頻率間隔Δf為fr、頻率穩(wěn)定度與頻率準確度由高性能晶體振蕩器決定的不同頻率的信號。另外,由圖6.16可以看出,單環(huán)數字式頻率合成器除了鎖相環(huán)路之外,主要是在壓控振蕩器與鑒相器之間增加了一個可變程序分頻器。這是由于鑒相器的工作頻率通常比壓控振蕩器低,可變程序分頻器可以將壓控振蕩器輸出信號的頻率降低到鑒相器工作頻率附近,以便與參考頻率比相。另外,由于f0=Nfr,可變程序分頻器的另一個作用是改變頻率合成器輸出信號的頻率。對可變程序分頻器的要求為:可變分頻的分頻數滿足設計要求;輸出脈沖相位抖動小;穩(wěn)定性與可靠性高。考慮到可變程序分頻器的工作頻率受限,為了進一步提高單環(huán)數字式頻率合成器的工作頻率,可采用固定前置分頻方式、脈沖吞除方式以及混頻方式的單環(huán)頻率合成器。帶有高速前置固定分頻器的單環(huán)數字式頻率合成器組成框圖如圖6.17所示。壓控振蕩器輸出的信號由固定前置分頻器將頻率很高的信號變成頻率滿足可變程序分頻器要求的信號。由于固定前置分頻器的工作速率高于可變程序分頻器的工作速率,因此,采用帶有高速固定前置分頻器的數字式單環(huán)可提高頻率合成器的工作頻率。當相位鎖定時,壓控振蕩器輸出信號的頻率為式中,K為固定前置分頻器的分頻比。由上式可見,頻率合成器輸出頻率間隔為Kfr,即頻率間隔變成原來的K倍。欲使頻率間隔仍為fr,也應對基準頻率進行K次分頻。在鎖相環(huán)性能不受影響的條件下,也可在圖6.16的基礎上,通過對壓控振蕩器輸出信號進行倍頻,以提高頻率合成器輸出信號的頻率,其組成框圖如圖6.18所示。采用雙模計數的脈沖吞除單環(huán)數字式頻率合成器可在不改變輸出頻率間隔的條件下使工作頻率擴展p倍,最高頻率可達到1GHz,p值一般為3~128。雙模計數脈沖吞除單環(huán)數字式頻率合成器組成框圖如圖6.19所示。脈沖吞除技術是程序分頻器在計數方法上的一次改進,當脈沖吞除程序分頻器輸出端輸出一個脈沖時,輸入端進入的脈沖數由兩部分合成。前置分頻器首先工作在p+1分頻模式,并由吞除計數器確定該模式的次數,在該模式下輸入的脈沖數為A(p+1);當p+1分頻模式計數滿后,前置分頻器改換成p分頻模式,該模式的次數為N-A,在此模式輸入的脈沖數為(N-A)p。這樣,在雙模式下輸出一個脈沖,輸入脈沖的總數為A(p+1)+(N-A)p。當相位鎖定時,壓控振蕩器輸出信號的頻率為由上式可見,N、p值一經確定,通過改變吞除計數器A的值即可改變輸出頻率,其頻率合成器輸出頻率間隔為fr,即在不改變輸出頻率間隔的條件下,使工作頻率實現了擴展。需要注意的是,為了實現正確的分頻,以便從壓控振蕩器的輸出端得到設計的工作頻率,要求N≥A?；祛l方式的單環(huán)數字式頻率合成器也可以降低可變程序分頻器的工作速度,其組成框圖如圖6.20所示。使用混頻器與晶體振蕩器對壓控振蕩器輸出頻率進行混頻降頻,并通過混頻器內部帶通濾波器輸出頻率為fk=fo-fm的信號。當環(huán)路鎖定時,頻率合成器輸出信號頻率為式中,fm為晶體振蕩器輸出信號頻率。通過改變fm,即可得到適用于可變程序分頻器工作頻率范圍的信號。3)多環(huán)數字式頻率合成器當單環(huán)數字式頻率合成器的可變分頻比比較大以及fr較小時,將使鎖相環(huán)路的通頻帶變得較小,鎖定時間變得較長,輸出信號的噪聲變得較大。為了克服這些缺點,可使用多環(huán)路數字頻率合成器。雙環(huán)數字式頻率合成器組成框圖如圖6.21所示,該頻率合成器采用了兩個鎖相環(huán)路和一個混頻濾波相加電路。先由環(huán)路Ⅰ產生頻率范圍為10~11MHz、頻率間隔為1kHz的信號,然后通過除10固定分頻器后得到頻率范圍為1~1.1MHz、頻率間隔為100Hz的信號,該信號的頻率為fi;頻率為fi的信號再通過分頻比為N2的可變程序分頻器后進入混頻器,與另一參考頻率為fr2(為100kHz)的信號混頻,混頻后經濾波器取上邊帶,其頻率范圍為101~101.53kHz,頻率為fr2+fi/N2,最后進入環(huán)路Ⅱ的鑒相器2;環(huán)路Ⅱ是一可變倍頻器,其倍頻比為N2,因此,輸出頻率fo應等于N2fr2+fi,不難得出,fo的頻率應為73~101.1MHz,頻率間隔為100Hz。應該注意的是,兩個可變程序分頻器具有相同的分頻比范圍,在任何情況下,它們均應該選取相同的數值,只有這樣,fo才能等于N2fr2+fi,這一情況稱為同步工作。這種雙環(huán)數字式頻率合成器的優(yōu)點是結構較為簡單、同步方式好、輸出噪聲較小。但在減小噪聲時,對混頻器、濾波器要求高,增加了實現難度。利用三環(huán)數字頻率合成器可解決上述問題。6.6.3頻率合成器設計下面給出頻率合成器的粗略設計步驟,設計時應根據具體情況、已知因素以及限制條件,在全面考慮后做出選擇。設計步驟如下:(1)依據技術指標,確定基準信號的頻率fr與程序分頻器的分頻比N。一般選擇基準信號頻率等于要求的頻率間隔,即設要求頻率合成器輸出最高頻率為fomax,輸出最低頻率為fomin,基準頻率為fr,則程序分頻器的最大與最小分頻比為(2)確定壓控振蕩器的調諧范圍與壓控靈敏度。壓控振蕩器的調諧范圍通常選擇為設壓控振蕩器產生頻率為fomin信號所需電壓為U1,產生頻率為fomax信號所需電壓為U2,則壓控振蕩器靈敏度為(3)選擇環(huán)路濾波器的阻尼系數與自然角頻率。阻尼系數是表征濾波器對能量衰耗的一項指標。阻尼系數與品質因數呈倒數關系,即阻尼系數為Δω/ω0。其中,Δω為濾波器的3dB帶寬,ω0為中心頻率,也就是電路沒有損耗或增益為1時濾波器的諧振頻率。在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。由于分頻比N可變,加之波段內增益的不一致,使得環(huán)路增益在頻段內發(fā)生變化,導致阻尼系數也發(fā)生變化。阻尼系數太大使得環(huán)路的低通特性變差,阻尼系數太小將使捕捉時間加長,通常比較合適的阻尼系數為0.5~1.5之間,最佳值為1。一旦阻尼系數與截止頻率確定,高增益二階環(huán)路濾波器的自然角頻率由下式確定,即式中:ζ為阻尼系數;ωc為截止角頻率;ωn為自然角頻率。(4)確定鑒相器靈敏度。鑒相靈敏度取決于所選用的鑒相器。如果采用二極管平衡鑒相器,則具有正弦形特性的鑒相靈敏度為

如果選用數字電壓型鑒相器,則(5)確定環(huán)路濾波器參數。常用的高增益有源比例積分濾波器如圖6.22所示,參數確定方法如下:①

根據確定的參數Ko、Kd和ωn確定τ1為②

選擇適當的C值,然后確定R1為③

根據確定的參數ζ、ωn和C確定R2為④

根據R1、R2確定R3為下面以設計一個能輸出音頻調相信號的數字頻率合成器為例,討論數字頻率合成器的具體設計。設計的數字頻率合成器的技術指標要求為:工作頻率fo為36~57MHz;輸出頻率間隔Δf=100kHz;轉換時間tc<2ms。根據以上技術指標要求和現有元件,擬采用中規(guī)模數字式頻率合成器來實現。具體參數如下:(1)確定鑒相器輸入基準信號的頻率fr與程序分頻器的分頻比。(2)確定壓控振蕩器的調諧范圍與壓控靈敏度。根據輸出頻率覆蓋范圍、變容二極管調諧范圍與電壓范圍,擬采用分頻段實現。第一頻段為36~46MHz,第二頻段為46~57MHz,其分頻比為根據壓控振蕩器調諧電壓為ΔUC=10V,現以第一頻段為例進行設計,壓控振蕩器的靈敏度為(3)選擇環(huán)路濾波器的阻尼系數與自然角頻率。阻尼系數ζ=1。根據技術指標要求,應能通過音頻調相信號,故選擇ωc=2π×3×103rad/s,則自然角頻率為(4)確定鑒相器靈敏度。選用數字電壓型鑒相器,則(5)確定環(huán)路濾波器參數。采用如圖6.22所示常用的高增益有源比例積分濾波器,電容C取標稱值0.015μF,則R1為R1、R2分別取標稱值1.8kΩ與18kΩ。R3=R1∥R2=1636Ω,取標稱值1.6kΩ。6.7電磁兼容技術6.7.1電磁兼容概述所謂電子設備的電磁兼容性,是指電子設備在預定的電磁環(huán)境中能按設計要求正常工作的性能與能力。其內涵包括三點:(1)在給定電磁環(huán)境中,電子設備具有抵御預定電磁干擾的能力,并留有一定安全余量。(2)電子設備不能產生超過規(guī)定限度的電磁干擾。(3)電子設備可按設計的技術要求完成其預定功能使命。電磁兼容性設計就是對三方面內容進行比較權衡尋求效果最佳而成本最低的方案。對于射頻通道來說,由于工作頻率高,信號之間的影響非常嚴重,有時會導致性能指標下降,甚至系統不能正常工作,電磁兼容問題更要引起高度重視。所謂電磁干擾,是指無用信號或電磁騷擾(噪聲)對有用電磁信號的接收或傳輸所造成的損害。電磁干擾一般以傳導和輻射兩種方式傳輸。電磁干擾可分為內部干擾與外部干擾兩大類。內部干擾指電子設備內部各元件之間的相互干擾,主要包括:工作電源通過線路的分布電容和絕緣電阻產生漏電造成的干擾;信號通過地線、電源和傳輸導線的阻抗互相耦合或導線之間的互感造成的干擾;設備或系統內部某些元件發(fā)熱,影響了元件本身或其他元件的穩(wěn)定性而造成的干擾;大功率或高壓元件產生的磁場、電場通過耦合影響其他元件而造成的干擾。外部干擾指電子設備或系統以外的因素對線路、設備或系統的干擾。外部干擾包括:外部的高電壓、電源通過絕緣漏電而干擾電子線路、設備或系統;外部大功率的設備在周圍空間產生很強的磁場,通過互感耦合干擾電子線路、設備或系統;空間電磁波對電子線路或系統產生的干擾;工作環(huán)境不穩(wěn)定,引起電子線路、設備或系統內部元件參數改變造成的干擾;由工業(yè)電網供電的設備和由電網電壓通過電源變壓器所產生的干擾。電磁干擾伴隨電子系統(設備)的產生而產生,為了盡可能減小電磁干擾,提高電子系統(設備)的電磁兼容能力,必須從開始設計時就給予足夠的重視。內部干擾可通過正確設計與合理布局加以削弱或消除,外部干擾則可通過適當的抗干擾措施加以解決。對電磁干擾的抑制主要有三條途徑:(1)抑制電磁干擾源,如采用低噪聲電路、穩(wěn)壓電路以及高品質元器件等。(2)切斷電磁干擾耦合途徑,最有效的措施為濾波、屏蔽、接地以及布線時信號線與電源線盡量分開和信號線單方向布線等。(3)降低電磁敏感裝置的敏感性。6.7.2常用電磁兼容技術1.電磁屏蔽技術屏蔽是一種十分有效和應用廣泛的抗干擾措施,凡是涉及電場或磁場的干擾都可以采用這種方法來加以抑制。采用屏蔽,一方面能防止干擾源向設備或系統內部產生有害影響,另一方面也可以防止設備或系統內部有害的電磁輻射向外傳播。屏蔽分為電屏蔽、磁屏蔽以及電磁屏蔽。電屏蔽也稱電場屏蔽,它能抑制電場耦合干擾,其實質是減小兩個回路(或是兩個元件、組件)之間的電場感應。電屏蔽利用良導體做成,既可以阻止屏蔽體內干擾源產生的電力線泄漏到外部,同時也能阻止屏蔽體外電力線進入到屏蔽體內。為了提高屏蔽效果,屏蔽金屬體應與地相連。對于印制板,通常用金屬盒屏蔽,即將電路板安裝在封閉的金屬盒中。對于單面印制板,在兩條信號線之間敷設接地的印制導線來屏蔽,雙面印制板除了在信號線之間敷設接地導線之外,還可以將其背面銅箔接地。采用電屏蔽設計時應注意屏蔽體接地良好、選擇正確的接地點、合理設計屏蔽體形狀等事項。磁屏蔽也稱磁場屏蔽,用來抑制或消除磁場耦合引起的干擾。對于高頻磁場通常利用電磁感應現象在屏蔽殼體表面所產生的渦流的反磁場來達到屏蔽的目的,采用的材料為低電阻率的良導體材料,如銅、鋁等。對于電磁場來說,電場與磁場分量總是同時存在,但條件不同時二者影響差別較大。對于高電壓、小電流干擾源,近場以電場為主,磁場可忽略不計;而對于低電壓、大電流的干擾源,近場以磁場為主