第13章_射頻微波系統(tǒng)

1、第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 第第1313章章 射頻射頻/ /微波系統(tǒng)微波系統(tǒng) 13.1 射頻發(fā)射機(jī)的基本知識(shí)射頻發(fā)射機(jī)的基本知識(shí)13.2 射頻接收機(jī)的基本知識(shí)射頻接收機(jī)的基本知識(shí)13.3 全雙工系統(tǒng)全雙工系統(tǒng)13.4 雷達(dá)基本原理雷達(dá)基本原理13.5 通信基本原理通信基本原理第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.1 13.1 射頻發(fā)射機(jī)的基本知識(shí)射頻發(fā)射機(jī)的基本知識(shí)13.1.1 發(fā)射機(jī)基本參數(shù)發(fā)射機(jī)的基本參數(shù)介紹如下：(1) 頻率或頻率范圍: 用來考查微波振蕩器的頻率及其相關(guān)指標(biāo)、 溫度頻率穩(wěn)定度、 時(shí)間頻率穩(wěn)定性、 頻率負(fù)載牽引變化、 壓控調(diào)諧范圍等,相關(guān)單位為M

2、Hz、 GHz、ppm、 MHz/V等。 (2) 功率: 與功率有關(guān)的指標(biāo)有最大輸出功率、 頻帶功率波動(dòng)范圍、功率可調(diào)范圍、功率的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性,相關(guān)單位為mW、dBm、W、dBW等。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) (3) 效率: 供電電源到輸出功率的轉(zhuǎn)換效率。這一參數(shù)對(duì)于電池供電系統(tǒng)尤為重要。(4) 噪聲: 包括調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相噪聲,不必要的調(diào)制噪聲將會(huì)影響系統(tǒng)的通信質(zhì)量。(5) 諧波抑制: 工作頻率的高次諧波輸出功率大小。通常對(duì)二次、 三次諧波抑制提出要求。基波與諧波的功率比為諧波抑制指標(biāo)。工程實(shí)際中,基波與諧波兩個(gè)功率dBm的差為dBc。(6) 雜波抑制: 除基波和諧波外的

3、任何信號(hào)與基波信號(hào)的大小比較。直接振蕩源的雜波就是本底噪聲,頻率合成器的雜波除本底噪聲外,還有可能是參考頻率及其諧波。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.1.2 發(fā)射機(jī)基本結(jié)構(gòu)要發(fā)射的低頻信號(hào)（模擬、 數(shù)字、 圖像等）與射頻/微波信號(hào)的調(diào)制方式有三種可能形式： (1) 直接產(chǎn)生發(fā)射機(jī)輸出的微波信號(hào)頻率,再調(diào)制待發(fā)射信號(hào)。在雷達(dá)系統(tǒng)中常用脈沖調(diào)制微波信號(hào)的幅度,即幅度鍵控。調(diào)制電路就是PIN開關(guān)。調(diào)制后信號(hào)經(jīng)功放、 濾波輸出到天線。(2) 將待發(fā)射的低頻信號(hào)調(diào)制到發(fā)射中頻（如70 MHz）上,與發(fā)射本振（微波/射頻）混頻得到發(fā)射機(jī)輸出頻率,再經(jīng)功放、 濾波輸出到天線。在通信系統(tǒng)中常

4、用此方案。圖像通信中,一般先將圖像信號(hào)先做基帶處理（6.5 MHz）, 再進(jìn)行調(diào)制。 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) (3) 將待發(fā)射的低頻信號(hào)調(diào)制到發(fā)射中頻（如70 MHz）上,經(jīng)過多次倍頻得到發(fā)射機(jī)頻率,然后再經(jīng)功放、 濾波輸出到天線。近代通信中常用此方案。 發(fā)射機(jī)典型電路如圖13 - 1所示,可分成九個(gè)部分: 中頻放大器、 中頻濾波器、 上變頻混頻器、射頻濾波器、射頻驅(qū)動(dòng)放大器、射頻功率放大器、載波振蕩器、載波濾波器、發(fā)射天線。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-1 基本射頻前端發(fā)射機(jī)電路放大功放天線RF濾波上變頻LO濾波本振IF濾波放大待發(fā)射基帶信號(hào)第第1

5、313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 這些電路單元在前面均有介紹。放大器的基本原理與設(shè)計(jì)方法可參考第8章,濾波器的基本原理與設(shè)計(jì)方法可參考第7章,振蕩器可參考第9章和第10章,天線在第12章有詳細(xì)描述。在電路單元中還會(huì)用到耦合器、 隔離器、 匹配電路或衰減器等。一個(gè)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)就是前面所學(xué)知識(shí)的組合。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.1.3 上變頻器1. 基本電路原理發(fā)射混頻器的基本電路結(jié)構(gòu)圖如圖13-2所示。二極管上的電流為式中, I0為二極管的飽和電流, UIF是中頻信號(hào)的振幅, fIF為中頻信號(hào)的頻率, ULO是載波信號(hào)的振幅,fLO是載波信號(hào)的頻率。 nLOLOIFIFI

6、FtfUtfUnnKTeIIi)2sin()2sin(!0（13 - 1） 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-2 發(fā)射混頻器的基本電路匹 配電 路匹 配電 路混 頻二 極 管匹 配電 路濾 波 器RFPR FIFPIFLO第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 混頻后的輸出射頻頻率為fRF=mfIF+nfLO（13 - 2）其中m,n為任意非零整數(shù)。絕大多數(shù)情況下, RF頻率應(yīng)是載波與IF頻率的和或差, 即fRF=fLOfIF。根據(jù)發(fā)射機(jī)指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)取和頻或差頻,利用射頻輸出端的濾波器實(shí)現(xiàn)端口間的隔離。主要的噪聲信號(hào)有: 鏡頻信號(hào)fim=fLO+2fIF; 載波信號(hào)的

7、諧波nfLO, n為正整數(shù); 邊帶諧波信號(hào) fsb=fLOmfIF這些噪聲需要特別加以抑制處理。 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 2. 上變頻器的主要技術(shù)參數(shù)的定義和測(cè)量1) 變頻耗損或增益2) 二階互調(diào)IP2 IP2=PRF+(PRF-B-Lc） （13 - 4） 其中, IP2為混頻器的輸入二階互調(diào)截止點(diǎn),單位為dBm; PRF為混波器RF輸入端的輸入信號(hào)功率, 單位為dBm; Lc 是混波器輸入信號(hào)頻率fRF=fLO+fIF時(shí)的變頻損耗, 單位為dB; B是混波器輸入信號(hào)頻率fRF=fLO+0.5fIF時(shí)輸出端頻率為2fIF的信號(hào)功率, 單位為dBm混頻器的IP2測(cè)量電路與頻

8、譜示意圖如圖13-3(a)、 (b)所示。 )lg(10)(RFIFcPPdBL（13 - 3） 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 3) 三階互調(diào)IP3（13 - 5）其中, IP3為混頻器的輸入三階互調(diào)截止點(diǎn),Pin是混頻器輸入端的輸入信號(hào)的功率,是混頻器輸出信號(hào)與內(nèi)調(diào)制信號(hào)的功率差(dB)。混頻器的IP3測(cè)量圖及頻譜示意圖如圖13-4(a)、 (b)所示。23inPIP第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-3 混頻器的IP2測(cè)量電路與頻譜(a) 混頻器的IP2測(cè)量電路； (b) 混頻器的IP2頻譜圖信號(hào)發(fā)生器帶通濾波器頻譜分析儀fRFPRF混頻器帶通濾波器信號(hào)發(fā)生

9、器foutfLO(a)Lc(dB)Pout(dBm)B(dBm)(dBm)fIF2fIFPRF(dBm)fLOfRF(b)第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-4 混頻器的IP3測(cè)量電路與頻譜(a) 混頻器的IP3測(cè)量電路； (b) 混頻器的IP3頻譜圖信號(hào)混合器帶通濾波器頻譜分析儀f1混頻器帶通濾波器信號(hào)產(chǎn)生器fLO(a)f2Pin / dBmf1f2fLOfLO f1fLO f2(dB)fRF1fRF2fLO2 f1 f2fLO2f2 f1(b)第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 4) 1dB壓縮功率P1dB 功率放大器的1dB壓縮功率是發(fā)射機(jī)最大發(fā)射功率的主要參數(shù)

10、。對(duì)于放大器, P1dB是線性放大的最大輸出功率, 其定義如圖13-5(a)、 (b)所示。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-5 1dB壓縮和線性動(dòng)態(tài)范圍(a) 放大器的PSAT, P1dB和1dB功率壓縮點(diǎn)； (b) 放大器的1dB壓縮和線性LDR關(guān)系圖Pout / dBmPSATP1dB1 dB1 dB 壓 縮 點(diǎn)PDPin / dBm功 率 增 益 /dB放 大 器 的 線 性 動(dòng) 態(tài) 范 圍 LDR1 dB壓 縮Pin(a)(b)O第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.2 13.2 射頻接收機(jī)的基本知識(shí)射頻接收機(jī)的基本知識(shí)13.2.1 射頻接收機(jī)基本參數(shù)

11、射頻接收機(jī)的基本參數(shù)介紹如下：(1) 接收靈敏度: 描述接收機(jī)對(duì)小信號(hào)的反應(yīng)能力。對(duì)于模擬接收機(jī),滿足一定信噪比時(shí)的輸入信號(hào)功率; 對(duì)于數(shù)字接收機(jī),滿足一定誤碼率時(shí)的輸入功率。一般情況下接收靈敏度在85 dBm以下。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) (2) 選擇性: 描述接收機(jī)對(duì)鄰近信道頻率的抑制能力。不允許同時(shí)有兩個(gè)信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)。一般地,隔離指標(biāo)在60 dB以上。(3) 交調(diào)抑制: 接收機(jī)會(huì)有雙頻交調(diào)失真。在發(fā)射機(jī)和功率放大器中,大信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)三階互調(diào)失真。一般要求交調(diào)抑制在60 dB以上。(4) 頻率穩(wěn)定度: 描述接收機(jī)的本振信號(hào)的頻率穩(wěn)定度,影響接收機(jī)的中頻信號(hào)的質(zhì)量。(5)

12、 本振輻射: 由于混頻器的隔離不好,本振信號(hào)進(jìn)入接收信號(hào)通路,通過天線輻射, 引起系統(tǒng)的三階交調(diào)失真加重。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.2.2 接收機(jī)基本結(jié)構(gòu)接收機(jī)幾乎都是超外差形式,即本振信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行混頻,得到中頻信號(hào),經(jīng)放大處理后解調(diào)信號(hào)。1. 基本電路基本射頻前端接收機(jī)基本電路構(gòu)成如圖13 - 6所示。 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-6 基本射頻前端接收機(jī)基本電路IFA解 調(diào)天 線IF混 頻 器LO濾 波RFLNARF第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 天線接收空間信號(hào),射頻濾波器通過預(yù)定波道頻率阻止鄰近波道信號(hào)。高頻放大器是小信

13、號(hào)低噪聲放大器,其性能影響整機(jī)噪聲系數(shù)和接收靈敏度。本振信號(hào)有足夠的功率以驅(qū)動(dòng)混頻器,一般地,本振功率在7 dBm以上。中頻放大器的靈敏度一般在60 dBm以下,這是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。接收機(jī)的調(diào)試要分段進(jìn)行,每一大段都是對(duì)的,才能保證接收機(jī)工作正常。2. 其他形式的接收機(jī)為了提高接收機(jī)的接收靈敏度,現(xiàn)代接收機(jī)采用二次混頻方案,如圖13 - 7所示。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-7 二次混頻接收機(jī)天 線第 一 中 頻第 一 混 頻濾 波 器濾 波 2RF放 大濾 波 1第 一 本 振第 一 中 放第 二 混 頻第 二 中 頻檢 波 器第 二 本 振第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射

14、頻微波系統(tǒng) 13.2.3 接收機(jī)靈敏度接收機(jī)靈敏度的定義為（13 - 6） 式中, K1.3810-23J/K, 是波爾茲曼常數(shù); T為絕對(duì)溫度; Bw是系統(tǒng)的等效噪聲頻寬; SNRd是系統(tǒng)要求的信噪比; Zs是系統(tǒng)阻抗; FT是總等效輸入噪聲系數(shù),由三大部分組成: 接收器各級(jí)的增益與噪聲系數(shù)Fin1、 鏡頻噪聲Fin2和寬帶的本振調(diào)幅噪聲Fin3,即FT=Fin1+Fin2+Fin3 (13-7)sdwTZSNRKTBFS)(.11112131211101GGFGFFGFFniijjiin(13-8)第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) NiNjjMNBLWNpinNiijjiNijN

15、ijinTsbsbabLOGKTFGFGGF11010/ )(311011210001011(13-9)(13-10)第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 公式中變量說明如下:Fi為第i 級(jí)的噪聲系數(shù)；Gj 為第i級(jí)的增益; Fi為鏡像頻率下的單級(jí)噪聲系數(shù); Gj 為鏡像下的單級(jí)增益,G0=1；N為接收機(jī)的總級(jí)數(shù)（不包含混頻器）; PLO為本振輸出功率,單位為dBm; WNsb為邊帶頻率上的相位噪聲, 單位為dBc/Hz; Lsb為帶通濾波器邊帶頻率上的衰減值,單位為dB; MNBsb為邊帶頻率上的混頻噪聲；T0為室溫290K; M 為邊帶頻率的總個(gè)數(shù)；N為包含混頻器在內(nèi)從接收端至混頻器

16、的總級(jí)數(shù)。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 射頻前端接收器可分為天線、射頻低噪聲放大器、下變頻器、中頻濾波器、本地振蕩器。其工作原理是將發(fā)射端所發(fā)射的射頻信號(hào)由天線接收后, 經(jīng)LNA將功率放大，再送入下變頻器與LO混頻后由中頻濾波器將設(shè)計(jì)所要的部分解調(diào)出有用信號(hào)。13.2.4 接收機(jī)靈敏度計(jì)算實(shí)例某接收系統(tǒng)各級(jí)增益及噪聲系數(shù)列于表13-1中。 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 表 13-1 接收機(jī)指標(biāo)分配實(shí)例第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 其他相關(guān)指標(biāo)特性如下： RF-BPF2鏡像衰減量為10 dB, 等效噪聲頻寬為Bw=12kHz, LO輸出功率為PLO=23

17、.5 dBm,LO 單邊帶相位噪聲為WNsb=-165 dBc/Hz,帶通濾波器響應(yīng)參數(shù)為0.0 dB fLOfIF、 10.0 dB 2fLOfIF、 20.0 dB 3fLOfIF，混頻噪聲均衡比(Mixer Noise Balance)為30.0 dB fLOfIF、 25.0 dB 2fLOfIF、 20.0 dB 3fLOfIF,系統(tǒng)的實(shí)測(cè)信噪比為SNR=6dB (3.981)。計(jì)算過程如下：步驟一： 求F in1。由上述公式可計(jì)算出表13-2 所列結(jié)果。 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 表 13- 2 Fin1的計(jì)算 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 故可得：

18、 Fin1=1+0.778+2.204+0.066+1.025+0.464+2.396+0.485=8.418步驟二：求Fin2 (見表13-3和表13-4)。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 表 13-3 Fin2的計(jì)算 1 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 表 13-4 Fin2的計(jì)算2 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 故可得 步驟三： 求Fin3 (見表13-5)。 63. 0)0 . 0204. 0778. 01 (1010)10/2()10/10(2inF第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 表 13-5 Fin3的計(jì)算 第第1313章章 射頻微

19、波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 混頻器前的總增益為可得 Fin3=1.984+1.984+0.628+0.628+0.198+0.198=5.62 步驟四： 求FT: F=Fin1+Fin2+Fin3=8.418+0.63+5.62=14.668KJKKTHzWNGdBcsbNjjT/1038. 1290/165891. 010230110/ )82125 . 2(第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 步驟五： 求接收靈敏度: 13.2.5 接收機(jī)的選擇性接收選擇性亦稱為鄰信道選擇度ACS,是用來量化接收機(jī)對(duì)相鄰近信道的接收能力。當(dāng)今,頻譜擁擠,波段趨向窄波道,更顯示了接收選擇性在射頻接收器設(shè)計(jì)中的

20、重要性。這個(gè)參數(shù)經(jīng)常限制系統(tǒng)的接收性能。VS37. 050981. 3120002901038. 1668.1423第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 接收選擇度的定義為它由下列五大部分組合而成: 單邊帶相位噪聲、 本地振蕩源的噪聲、 中頻選擇性、 中頻帶寬、 同波道抑止率或截獲率。式中,ACS 對(duì)應(yīng)于接收靈敏度的鄰信道選擇性,單位為dB; CR為同信道抑止率,單位為dB; IFS為中頻濾波器在鄰信道頻帶上的抑制衰減量,單位為dB; Bw為中頻噪聲頻寬與鄰信道頻率的差值, 單位為Hz；Sp為本地振蕩信號(hào)與出現(xiàn)在頻率為fLO+處的鄰信道噪聲的功率比，單位為dBc; PNSSB(dBc/H

21、z) 是本地振蕩信號(hào)在差頻處的相位噪聲,單位為dBc/Hz, 如圖13-8所示。 101010lg10)10/()10/()10/(SSBPPNSIFSBwCRACS (13-11) 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-8 本地振蕩的頻譜dBmSp(dBc)fLOfLOBw(Hz)HzPNSSB(dBc/Hz)0第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.2.6 接收雜波響應(yīng)從中頻端觀察,所有非設(shè)計(jì)所需的雜波信號(hào)皆為噪聲信號(hào),而大部分的接收噪聲信號(hào)來源于RF與LO的諧波混頻。在實(shí)際應(yīng)用中,不可能沒有雜波,要看雜波功率是否在系統(tǒng)允許范圍之內(nèi)。由混頻器的特性可知,RF、 L

22、O與IF三端頻率的相互關(guān)系為 較常出現(xiàn)的接收雜波響應(yīng)有下列三項(xiàng): 鏡頻 fRF2fIF、 半中頻fRF(fIF/2)、中頻fIF,如圖13 - 9 所示。mfnffIFLOBF (13-12) 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-9 常見的接收雜波響應(yīng)中頻雜波半中頻雜波鏡像頻率雜波fIFfRFfRF fIF/2fLOfRF2 fIF第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 在雙工收發(fā)機(jī)中,即發(fā)射與接收同時(shí)作用時(shí),還會(huì)再多出現(xiàn)兩項(xiàng)雜波,如圖13-10 所示。 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-10 雙工接收的雜波雙工鏡頻雜波fTX fffTXffRXfTX

23、f2半雙工雜波f2f2第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.2.7 接收互調(diào)截止點(diǎn)互調(diào)截止點(diǎn)是射頻/微波電路或系統(tǒng)線性度的評(píng)價(jià)指標(biāo),由此可推算出輸入信號(hào)是否會(huì)造成失真度或互調(diào)產(chǎn)物。接收機(jī)的互調(diào)定義與功放或發(fā)射機(jī)的互調(diào)定義類似,如圖 13-11 所示。 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-11 n階互調(diào)截止點(diǎn)IPn輸入功率/dBm設(shè)計(jì)信號(hào)增益11n1非設(shè)計(jì)信號(hào)增益n階交叉點(diǎn)輸入功率/dBmO第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 1. 二階互調(diào)截止點(diǎn)IP2 IP2 是用來判斷混頻器對(duì)半中頻噪聲的抑制能力的主要參數(shù)。對(duì)于一個(gè)接收系統(tǒng)中混頻器的輸入二階互調(diào)截止點(diǎn)IP

24、2INPUT的計(jì)算方式為(13-13)第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 計(jì)算實(shí)例：計(jì)算如圖13 - 12 所示接收系統(tǒng)的IP2。已知參數(shù)見表13-6。 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-12 接收系統(tǒng)的IP2計(jì)算實(shí)例天 線RFBPF1下 變 頻LNARFBPF1第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 表 13-6 已知條件第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 由式(13-13)可得IP2INPUT=40-(-2+10-3)+2(10+0+15)=85 dBm2. 半中頻雜波抑制度1/2-IFR 半中頻雜波抑制度定義為 假設(shè)FM接收機(jī)的混頻器IP2INPU

25、T=50 dBm,系統(tǒng)的接收靈敏度S=-115 dBm,同信道抑止率CR=5 dB,由式(13-14)可計(jì)算出此接收器的半中頻雜波抑制度為 80251155022_2/1CRSIPIFRINPUT(13-14) 22_2/1CRSIPIFR第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 3. 射頻放大器的接收增益 （13 - 15）其中, GT為射頻放大器的接收增益, Famp為射頻放大器的噪聲系數(shù),Gamp為射頻放大器的增益, Fmixer為混頻器的噪聲系數(shù),此參數(shù)會(huì)降低混頻器的雜波抑制度,降低的值為其中n為雜波響應(yīng)的階數(shù)(n1)。對(duì)半中頻而言, n=2。 )(11lg(10dBFGFGmixe

26、rampampTNdBGT)(第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 4. 三階互調(diào)截止點(diǎn)IP3IP3是用來決定接收系統(tǒng)抵御內(nèi)調(diào)制失真的能力,計(jì)算步驟如下：(1) 繪出系統(tǒng)的電路方塊圖, 并標(biāo)明各級(jí)的增益(單位為dB)、三階互調(diào)截止點(diǎn)(單位為dBm)。對(duì)于濾波器和衰減器,IP3=。 (2) 換算出各級(jí)的等效輸入互調(diào)截止點(diǎn),公式如下:113nIinnGIPIP第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 式中, IPn是第n級(jí)的等效輸入三階互調(diào)截止點(diǎn),單位為dBm；IP3n是第n級(jí)的三階互調(diào)截止點(diǎn),單位為dBm；Gi是各級(jí)的增益,單位為dB。(3) 將各級(jí)的等效輸入互調(diào)截止點(diǎn)(IPi)的單位從

27、dBm換算成mW：IPn (mW)=10IPn (dBm)/10(4) 假設(shè)各級(jí)的輸入互調(diào)截止點(diǎn)皆獨(dú)立不相關(guān),則系統(tǒng)輸入三階互調(diào)截止點(diǎn)為各級(jí)的輸入互調(diào)截止點(diǎn)的并聯(lián)值,即mWIPIPIPIPIPNNiiINPUT1.111113211第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) (5) 將系統(tǒng)輸入三階互調(diào)截止點(diǎn)(IP3INPUT) 的單位從mW換算成dBm:IP3INPUT（dBm）=10 lg(IP3INPUT（mW）) 計(jì)算實(shí)例：以圖13-13為例,計(jì)算系統(tǒng)輸入三階互調(diào)截止點(diǎn)IP3INPUT。已知條件見表 13-7。 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-13 接收系統(tǒng)的IP3

28、計(jì)算實(shí)例天 線RF混 頻LN ARFLFA第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 表 13-7 已知條件第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 依據(jù)式(13- 16),計(jì)算得IP3INPUT=8.02mW=9.04 dBm5. 內(nèi)調(diào)制抑制率IMR內(nèi)調(diào)制失真用于描述系統(tǒng)的非線性特性, 三階內(nèi)交調(diào)失真是最常發(fā)生的。內(nèi)調(diào)制抑制率的計(jì)算公式為式中, IMR 為內(nèi)調(diào)制抑制度,單位為dB; IP3 為等效輸入三階互調(diào)截止點(diǎn),單位為dBm； S是接收靈敏度，單位為dBm; CR是同信道抑制率,單位為dB。)232(21CRSIPIMP (13-17) 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 計(jì)算

29、實(shí)例：假設(shè)前例接收系統(tǒng)的S=-115 dBm, CR=5 dB, 則其內(nèi)調(diào)制抑制率為IMR= (29.04-2(-115)-5)=81 dB31第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.3 13.3 全雙工系統(tǒng)全雙工系統(tǒng)在現(xiàn)代發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)中,通常使用一個(gè)天線工作。發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)靠雙工器分開, 可以用作雙工器的射頻/微波元件有高速開關(guān)、 濾波器、 環(huán)行器等。圖13 - 14 給出了兩個(gè)常用雙工系統(tǒng),圖（a）適用于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),開關(guān)控制發(fā)射與接收的切換,發(fā)射與接收頻率相同； 圖 (b) 是異頻雙工,發(fā)射與接收頻率不同,兩個(gè)濾波器的中心頻率不同,同時(shí)工作,互不影響,這個(gè)電路就是移動(dòng)

30、通信手機(jī)的工作方式。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-14 兩個(gè)雙工系統(tǒng)(a)(b)RF 檢波O/P功放控制/2T6C雙工器耦合器TXRXLNAUHF117 MHz混頻增益控制聲表濾波4AGC%4LO數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)制解碼數(shù)據(jù)上變頻頻率合成器下變頻功放低噪放T/R開關(guān)第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.4 13.4 雷達(dá)基本原理雷達(dá)基本原理雷達(dá)用于無線電探測(cè)與測(cè)距。其基本原理是發(fā)射電磁波,檢測(cè)由目標(biāo)反射回來的回波信號(hào),判斷目標(biāo)的位置或形狀、 運(yùn)動(dòng)特征。雷達(dá)的基本構(gòu)成是發(fā)射機(jī)、 接收機(jī)和天線。距離由回波時(shí)間確定,方位由回波方向確定,運(yùn)動(dòng)速度由回波的多普勒頻移確定。第第

31、1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 實(shí)際的雷達(dá)系統(tǒng)要復(fù)雜得多。要針對(duì)不同用途,設(shè)計(jì)某些特定指標(biāo)和功能。通常雷達(dá)的波束窄,頻帶窄,功率大。雷達(dá)分類如下： (1) 按安裝位置分：機(jī)載、地面、艦載、空間、 導(dǎo)彈等。(2) 按功能分：搜索、跟蹤、搜索和跟蹤。(3) 按應(yīng)用分：交通管理、氣象、避讓、防撞、導(dǎo)航、警戒、遙感、武器制導(dǎo)、速度測(cè)量等。(4) 按波形分：脈沖、脈沖壓縮、連續(xù)波、調(diào)頻連續(xù)波等。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.4.1 雷達(dá)方程圖 13 - 15 所示的雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)由發(fā)射機(jī)、 接收機(jī)、天線和目標(biāo)組成。發(fā)射功率為Gt,回波為Gr,天線增益為GGtGr,天線有效面積

32、為AeAetAer, 目標(biāo)散射截面為,則回波功率為這就是雷達(dá)方程。它給出了目標(biāo)距離與雷達(dá)發(fā)射功率,天線性能和目標(biāo)特性之間的關(guān)系。 4320220224P444PRGGRRGPrttrr (13-18) 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-15 雷達(dá)基本原理目標(biāo)接收機(jī)發(fā)射機(jī)環(huán)形器PtPr天線R第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 如果給定最小可檢測(cè)功率Si, min,就可得到雷達(dá)的最大作用距離為接收靈敏度Si, min與接收機(jī)噪聲系數(shù)有關(guān),即 4/1min,3202)4(itxmaSGPRR (13-19) min00min,)(NSkTBFSi (13-20) 第第13

33、13章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 故作用距離為考慮極化失配、天線偏焦、空氣損耗等系統(tǒng)損耗Lsys,則作用距離還要縮短,即4/1min003202max)(4NSkTBFGPRt(13-21) (13-21) 4/1)(4003202maxsystNSkTBFGPR第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 計(jì)算實(shí)例:已知35 GHz脈沖雷達(dá)指標(biāo)如下,計(jì)算最大作用距離。(目標(biāo)直徑為 1cm。) Pt=2000kW, T=290 K, G=66dB,（S0/N0）min= 10dB B=250 MHz, Lsys=10 dB, F=5 dB, n=10已知條件換算成雷達(dá)方程內(nèi)所用形式為Pt=21

34、06 W, T=290 K, G=66 dB3.98106（S0/N0）min=10dB=10, B=2.5108 Hz Lsys=10dB=10, F=5 dB=3.16, n=10 4.4510 -5m2, k=1.3810-23 J/K 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 代入式(13-22),可算得Rmax=35.8 km。從式(13-22)中可以看出,回波功率隨距離按4次方變化,目標(biāo)越近,回波功率急劇增大?；夭ㄟ€與天線、 系統(tǒng)損耗和目標(biāo)散射截面有關(guān)。13.4.2 雷達(dá)散射截面（RCS） 不同目標(biāo)形狀對(duì)不同頻率的信號(hào)的回波特性不同?？紤]圖13 - 16所示兩種形狀的目標(biāo),從電磁

35、波的幾何特性就可估計(jì)到回波功率不同。 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-16 雷達(dá)散射截面(a)(b)第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 目標(biāo)的雷達(dá)散射截面與工作頻率和目標(biāo)結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過Maxwell方程在給定邊界結(jié)構(gòu)下的嚴(yán)格求解可以得到目標(biāo)的RCS。對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)可以較為嚴(yán)格地求解,大部分情況下要進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,結(jié)合測(cè)量的方法才能得到近似的RCS。表 13-8 給出了人體在不同頻率下的RCS。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 表 13-8 人體在不同頻率下的RCS第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 在厘米波段,常見物體的RCS的近似值如表 13-9

36、所示。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 表 13-9 厘米波段常見物體的RCS近似值第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 雷達(dá)散射截面RCS還可以用dBSm表示,即散射截面相對(duì)于1 m2的dB值,如10 m2就是10dBSm。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.4.3 脈沖雷達(dá)脈沖雷達(dá)在測(cè)距方面用途很廣。圖13 - 17所示為調(diào)制脈沖、發(fā)射微波脈沖和回波信號(hào)的關(guān)系。發(fā)射平均功率為回波脈沖與發(fā)射脈沖之間的時(shí)間差tR與距離和光速c的關(guān)系為 ptavTPP(12-23)RctR21(12-24)第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 可以想象, tR必須小于Tp,也

37、就是說最大可測(cè)距離為ppfccTR221max(12-25)第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-17 脈沖雷達(dá)原理幅度調(diào)制脈沖發(fā)射脈沖回波脈沖Tp目標(biāo)回波tR發(fā)射泄漏噪聲ttt第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 增加脈沖周期,降低脈沖頻率,可以提高自由距離。回波脈沖與雜波的比限定了靈敏度,脈沖寬度與匹配濾波器的帶寬的關(guān)系取為B1 （13 - 26） 比較合適。第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.4.4 連續(xù)波雷達(dá) 連續(xù)波雷達(dá)又稱為多普勒雷達(dá), 用來檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo),測(cè)量目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。如果聲波或光波的源與目標(biāo)有相對(duì)的運(yùn)動(dòng),振蕩器的頻率就會(huì)有變化,這個(gè)現(xiàn)象就是

38、多普勒頻移現(xiàn)象。若雷達(dá)的頻率為f0,目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為vr,雷達(dá)與目標(biāo)的距離為R,則電磁波到達(dá)和離開目標(biāo)時(shí)相位的變化為 （13 - 27）022R第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起的連續(xù)變化,對(duì)應(yīng)于一定的角頻率的變化,即故 rddvdtdRdtdf00442（13 - 28）0022fcvvfrrd（13 - 29）第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 由于vr遠(yuǎn)小于c, f0 很大時(shí),處于微波頻段,fd才能明顯地測(cè)出來。 接收信號(hào)頻率為f0fd,“”對(duì)應(yīng)于目標(biāo)靠近,“”對(duì)應(yīng)于目標(biāo)遠(yuǎn)離。對(duì)于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)與視線有夾角的情況(如圖13 - 18 所示),有

39、vr=vcos （13 - 30）第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-18 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)與雷達(dá)視線vvr雷達(dá)第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 計(jì)算實(shí)例：警用雷達(dá)的工作頻率為10.5 GHz,汽車以100 km/h的速度面向雷達(dá),求多普勒頻率。 已知=0, f=10.5 GHz, vr=v=100 km/h=27.78 m/s,故由式（13 - 29）得fd= =1944 Hz由于無需脈沖調(diào)制,連續(xù)波雷達(dá)比脈沖雷達(dá)簡(jiǎn)單一些。回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)混頻,差頻為多普勒頻率,放大后測(cè)量頻率即可得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。頻率測(cè)量方法有兩種,經(jīng)典的方法是用一系列濾波器區(qū)分多普勒頻率,現(xiàn)在可用

40、計(jì)數(shù)器直接讀出多普勒頻率或直接顯示目標(biāo)速度。發(fā)射接收之間用環(huán)行器或極化隔離,也可分別用發(fā)射天線和接收天線。02fcvr第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.5 13.5 通信基本原理通信基本原理射頻/微波通信系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)鏈、散射通信、衛(wèi)星通信、 移動(dòng)通信、 無線網(wǎng)絡(luò)等。視距通信中，地球表面大約50km設(shè)一個(gè)站,衛(wèi)星通信只需要三顆空間衛(wèi)星站就能覆蓋全球, 提供大量圖像和聲音通信波道。 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.5.1 FRIIS傳輸方程考慮圖13 - 19 所示的發(fā)射接收系統(tǒng),接收到的功率為 天線的增益與有效面積的關(guān)系為故erttrARGPP24（13 - 3

41、1） errAG204220)4(RGGPPrttr（13 - 32） 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 這就是FRIIS功率傳輸方程,接收的功率與兩個(gè)天線的增益成正比,與距離的平方成反比。如果接收功率等于接收靈敏度,Pr=Si, min,則最大通信距離為 考慮系統(tǒng)損耗Lsys和接收機(jī)的噪聲系數(shù),則2/1min,220max)4(irttSGGPR（13 - 33） 2/100220max)()4(sysrttLNSkTBFGGPR（13 - 34） 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-19 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)示意圖PtGtGrPr第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波

42、系統(tǒng) 計(jì)算實(shí)例：兩路通信系統(tǒng),10 GHz發(fā)射機(jī)的輸出功率為100 W,發(fā)射天線增益為36 dB,接收天線增益為30 dB,系統(tǒng)損耗為10 dB,求40 km處的接收功率。解 在式（13 - 32）中考慮系統(tǒng)損耗,則 WLRGGPPsysrttr1425. 01)4(220第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 13.5.2 空間損耗電磁波在空間傳播,功率與距離的平方成反比,假定兩個(gè)天線相同,則由式（13 - 32）得0204lg20lg10)(4RPPdBSLRPPSLrtrt（13 - 35） 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 計(jì)算實(shí)例：計(jì)算4 GHz信號(hào)在35 860 km

43、處的衰減。由式（13 - 35）計(jì)算得SL=3.611019196 dB 13.5.3 通信鏈及信道概算考慮系統(tǒng)損耗數(shù)據(jù)鏈的計(jì)算可以用式（13 - 32）表示,即sysrttrLRGGPP1)4(220（13 - 36） 第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 換算成分貝,有Pr=Pt+Gt+Gr-SL-Lsys （13 - 37） 計(jì)算實(shí)例：衛(wèi)星與地面站如圖13 - 20 所示, 工作頻率為14.2 GHz,波長(zhǎng)為0.0211 m,地面站發(fā)射功率為1250 W,傳輸距離為37 134 km,星載接收機(jī)噪聲系數(shù)為6.59 dB,波道帶寬為27MHz。計(jì)算各級(jí)指標(biāo)分配情況。由式（13 - 35）得 SL=207.22 dB第第1313章章 射頻微波系統(tǒng)射頻微波系統(tǒng) 圖 13-20 衛(wèi)星通信信道示意圖衛(wèi)星接