射頻電路基礎(chǔ)知識.ppt

射頻電路基礎(chǔ)知識RFCircuitBasicKnowledge FCTTechnicianTrainingMaterial 射頻電路基礎(chǔ)知識 射頻電路的應(yīng)用和分類 ApplicationForRFCircuit 射頻電路的基本理論和參數(shù)定義 BasicTheoryandParameterDefine 射頻電路中的常用元件和功能 GeneralComponentsandTheirFunction 射頻測試中的常用儀器介紹 GeneralInstrumentsInRFTest 1 1射頻電路應(yīng)用和分類 a 目前 射頻 RF 電路主要用于通信系統(tǒng)中 如 手機(jī) CellPhone 無線局域網(wǎng) WirelessLAN 無線廣播系統(tǒng) 電視和收音機(jī) 等 但也有其它方面的應(yīng)用 如雷達(dá)探測系統(tǒng)用遠(yuǎn)距離探測試 微波爐利用微波功率來加熱食物 1 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 通過有線電視線連接數(shù)字連接的CableModem 通過電話線傳輸?shù)臄?shù)字用戶回路 DSL 包括ADSL HDSL VDSL等 無線射頻通信系統(tǒng)的 無線電話 手機(jī) 無線傳輸?shù)碾娨暫褪找魴C(jī)廣播系統(tǒng) 無線局域網(wǎng) WirelessLAN 藍(lán)牙 BlueTooth 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是數(shù)字信號還是模擬信號又可分為模擬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 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WirelessLAN GSM手機(jī) 藍(lán)牙系統(tǒng) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)等 1 4射頻電路應(yīng)用和分類 d 對于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) 常見的寬帶通信系統(tǒng)有微波幀中繼系統(tǒng) LMDS LocalMultipointDistributeService 本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù) 以及將來的3G手機(jī)系統(tǒng)等 常見的窄帶通信系統(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)字無繩電話網(wǎng) DECT DigitalEnhancedCordlessTelecommunications 等 1 5常見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)信號調(diào)制方法 2 1射頻 RF 電路的定義 RF RadioFrequency 本身沒有嚴(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 處理信號的電磁波長與電路或器件尺處于同一數(shù)量級的電路可以認(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)理論來處理 這類電路都可以認(rèn)為是射頻電路 對其頻率沒的嚴(yán)格的要求 如長距離傳輸?shù)慕涣鬏旊娋€ 50或60Hz 有時(shí)也要用RF的相關(guān)理論來處理 2 2傳輸線的特性阻抗Z0 RF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 j L G j C 當(dāng)傳輸線的損耗很小時(shí) 可以認(rèn)為R G 0 信號頻率對特性阻抗值影響很小 此時(shí)可以認(rèn)為Z0為與頻率無關(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)測試系統(tǒng)傳輸線特性阻抗均設(shè)置為50 2 3RF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 故使用對數(shù)單位 定義線路中功率為1mW時(shí)為0dBm 由如下公式可以對對數(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為對數(shù)功率 B為線性功率 線性功率為1W時(shí) 對數(shù)功率為30dBm線性功率為1uW時(shí) 對數(shù)功率為 30dBmdBm為絕對功率 dB用來計(jì)算相對功率 主要用來計(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)過阻抗不連續(xù)端口時(shí) 有與光通過不連續(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 考慮兩種極限情況 輸入端口阻抗為0或?yàn)闊o窮大時(shí) 端口完全無法吸收功率 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信號沿著設(shè)計(jì)的路徑通過 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 處反射信號電壓 或電流 與入射信號電壓 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 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 S21a2b2 S12a1 S22a2a2 0時(shí) S11 b1 a1S21 b2 a1a1 0時(shí) S22 b2 a2S12 b1 a2 2 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 InsertionLoss 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信號調(diào)制方法 a 什么叫調(diào)制 調(diào)制是將需要傳輸?shù)男畔⒕幋a和處理 使其適合傳輸?shù)倪^程 一般的調(diào)制過程是指將基帶信號搬移到更高的頻帶內(nèi) 為什么需要調(diào)制 基帶信號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可有效降低接收和發(fā)送天線的尺寸 如語音信號不加以調(diào)制 其最小波長 F 20KHz時(shí) 為15Km 可讓多個(gè)使用者同時(shí)復(fù)用一個(gè)頻段 2 6信號調(diào)制方法 b 2 6信號調(diào)制方法 c 模擬調(diào)制 被調(diào)制信號為模擬信號 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)制信號為數(shù)字信號 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信號調(diào)制方法 d 模擬調(diào)制 AMFMPMPM其實(shí)也是頻率調(diào)制 只是調(diào)制時(shí)對頻率的控制精度更高 調(diào)制電路也較為復(fù)雜 2 6信號調(diào)制方法 e 數(shù)字調(diào)制 ASKFSKPSKOOK 2 6信號調(diào)制方法 f IQ調(diào)制 在ASK與PSK組合調(diào)制時(shí) 信號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 2 6信號調(diào)制方法 g BPSK 星座圖 2 6信號調(diào)制方法 g QPSK Vi Vq Q I 00 01 10 11 4PossibleStates 星座圖 2 6信號調(diào)制方法 g 8QAM ThreebitsperbaudQAM 8QAM PossibleStatesandtheResultingBitStreamfor8QAM 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 PowerAmplifier 隔離器 Isolator 3 1RF分路器 分路器 將一路輸入信號分為兩路或多路的無源RF器件 多數(shù)情況下所有輸出信號功率相等 特殊情況也有N 1分路器 輸入大功率信號時(shí)該器件稱為功分器 下圖為Wilkinson分路器模型 3 2RF耦合器 耦合器 將兩路或多路RF信號耦合到一路信號中的器件 該器件主要作于增加信號功率 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的相位 但是用作耦合器時(shí)也要將輸入信號的相位錯(cuò)開 3 3RF衰減器 a 衰減器 衰減器是一類無源雙端口器件 信號從一個(gè)端口進(jìn)入 當(dāng)信號從另一端口輸出時(shí)信號幅值會(huì)有一定的衰減 我們將輸入信號與輸出信號的功率的差值 對數(shù) 稱為衰減值 單位為dB 相對值 衰減器另一重要的參數(shù)為輸入信號功率 由于RF信號功率絕大多數(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 3RF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 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 3RF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 通過開關(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 4RF終端 終端 Terminator 是一個(gè)RF負(fù)載 無源器件 特性阻抗應(yīng)于RF電路的特性阻抗相同 一般為50 主要用來消耗無用的RF功率 將其轉(zhuǎn)化為熱能 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 5RF功率放大器 a 功率放大器是一類將RF信號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與輸入信號功率的 對數(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) NoiseFigure 放大器輸出信號的信噪比 信號與噪聲的比值 與輸入信號信噪比的差值 由于放大器本身的噪聲和環(huán)境噪聲 輸出信號的信噪比一定會(huì)比輸入信號的信噪比差 3 5RF功率放大器 b 功率放大器電路 3 6RF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)去的信號只會(huì)從端口2出來 端口2進(jìn)去的信號只會(huì)從端口3出來 端口3進(jìn)出的信號只會(huì)從端口1出來 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 一般為放大器 被外界信號破壞 4RF測試中的常用儀器 功率計(jì) PowerMeter 信號發(fā)生器 SignalGenerator 頻譜分析儀 SpectrumAnalyzer 網(wǎng)絡(luò)分析儀 NetworkAnalyzer 4 1功率計(jì) a 功率計(jì)是一種檢測RF信號功率的儀表 因?yàn)镽F信號有Cable中會(huì)有較大的損耗 為了保證測試精度 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)盡可能靠近待測信號源 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 30dBm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 但檢測功率超過 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試更高的RF功率 4 2信號發(fā)生器 信號發(fā)生器是一類可以產(chǎn)生多種RF信號的儀器 在RF電路測試中作為信號源來使用 我們可以設(shè)置信號發(fā)生器輸出信號的如下參數(shù) 頻率 功率 幅值 信號調(diào)制方式 調(diào)制信號內(nèi)容 甚