射頻電路基礎(chǔ)知識

1、射頻電路基礎(chǔ)知識射頻電路基礎(chǔ)知識RF Circuit Basic KnowledgeFCT Technician Training Material射頻電路基礎(chǔ)知識1.射頻電路的應(yīng)用和分類 (Application For RF Circuit)2.射頻電路的基本理論和參數(shù)定義 (Basic Theory and Parameter Define)3.射頻電路中的常用元件和功能 (General Components and Their Function)4.射頻測試中的常用儀器介紹 (General Instruments In RF Test)1.1 射頻電路應(yīng)用和分類(a)目前, 射頻(

2、RF)電路主要用于通信系統(tǒng)中,如:手機(Cell Phone),無線局域網(wǎng)(Wireless LAN),無線廣播系統(tǒng)(電視和收音機)等;但也有其它方面的應(yīng)用: 如雷達探測系統(tǒng)用遠距離探測試,微波爐利用微波功率來加熱食物.Line ( Coaxial Cable )Digital RadioSatellite1.2 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)1.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Cable Modem,通過電話線傳輸?shù)臄?shù)字用戶回路(DSL),包括ADSL,HDSL,VDSL

3、等.2.無線射頻通信系統(tǒng)的:無線電話(手機),無線傳輸?shù)碾娨暫褪找魴C廣播系統(tǒng),無線局域網(wǎng)(Wireless LAN),藍牙(Blue Tooth)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):1.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),第一代的手機通信系統(tǒng)等.2.數(shù)字RF通信系統(tǒng),由于其有較多優(yōu)點,已經(jīng)廣泛使用于多種通信系統(tǒng)中,如Wireless LAN,GSM手機,藍

4、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).1.常見的寬帶通信系統(tǒng)有微波幀中繼系統(tǒng),LMDS(Local Multipoint Distribute Service，本地多點分配業(yè)務(wù))以及將來的3G手機系統(tǒng)等.2.常見的窄帶通信系統(tǒng)有:藍牙系統(tǒng),2G手機系統(tǒng),數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)(DAB),數(shù)字無繩電話網(wǎng)(DECT,Digital Enhanced Cordless Telecomm

5、unications)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1.射頻(RF)電路的定義2.傳輸線特性阻抗Z03.RF功率定義和計算4.不連續(xù)端口的功率分布5.雙端口網(wǎng)絡(luò)和S參數(shù)6.信號調(diào)制方法2.1 射頻(RF)電路的定義RF: Radio Frequency,本身沒有嚴格的定義,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)量級的電路可以認為是射頻(RF)電路,此時由于器件尺寸和導(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,這類電路都可以認為是射頻電路,對其頻率沒的嚴格的要求

6、,如長距離傳輸?shù)慕涣鬏旊娋€(50或60Hz)有時也要用RF的相關(guān)理論來處理.2.2 傳輸線的特性阻抗Z0RF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+jL)/(G+jC)當(dāng)傳輸線的損耗很小時,可以認為R=G=0,信號頻率對特性阻抗值影響很小,此時可以認為Z0為與頻率無關(guān)的實數(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50.2.3 RF功率定義和計算由于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

7、位.定義線路中功率為1mW時為0dBm,由如下公式可以對對數(shù)功率和線性功率進行互相轉(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)1.線性功率為1W時, 對數(shù)功率為30dBm2.線性功率為1uW時,對數(shù)功率為-30dBmdBm為絕對功率,dB用來計算相對功率,主要用來計算功率的改變量,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,有與光通過不連續(xù)介面的情況類似,入射功率會分成兩部分: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反射功率越大,端口吸收功率越小;反之當(dāng)

8、二者阻抗相差越小時,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或為無窮大時,端口完全無法吸收功率,此時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,輸入功率完全被端口吸收,反射功率為0,此時我們稱之為匹配(Match),實際電路中,為了讓RF信號沿著設(shè)計的路徑通過,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(VSW

9、R):傳輸線上波腹點電壓振幅與波節(jié)點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,駐波比為1,當(dāng)反射系數(shù)接近1(實際情況下不可能為1)時,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:1.端口1為輸入端口,端口2為輸入端口;2.Zs為輸入信號源阻抗,ZL為負載阻抗;3.a1為端口1輸入功率,b1為端口1輸出功率(包括反射)4.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+S21a2

10、b2=S12a1+S22a2a2=0時: S11=b1/a1 S21=b2/a1a1=0時: S22=b2/a2 S12=b1/a22.5 雙端口網(wǎng)絡(luò)和S參數(shù)(c)雙端口網(wǎng)絡(luò): S11=b1/a1,可以認為是雙端口網(wǎng)絡(luò)輸出端匹配時輸入端口的反射系數(shù).雙端口網(wǎng)絡(luò): S21=b2/a1,可以認為是雙端口網(wǎng)絡(luò)輸出端匹配時的增益(Gain,此時雙端口網(wǎng)絡(luò)為功率放大器)或插入損耗(Insertion Loss,此時雙端口網(wǎng)絡(luò)為衰減器).雙端口網(wǎng)絡(luò): S22=b2/a2,可以認為是雙端口網(wǎng)絡(luò)在輸入端接上匹配負載后輸出端的反射系數(shù).雙端口網(wǎng)絡(luò): S12=b1/a2,可以認為是雙端口網(wǎng)絡(luò)在輸入端接上匹配負載后

11、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?1.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).2.提高頻率利用效率.3.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)為15Km)4.可讓多個使用者同時復(fù)用一個頻段.2.6 信號調(diào)制方法(b)Baseband Signal(Information: Data, Voice, Video)Analog InformationD

12、igital InformationCW CarrierAMFMPMASKFSKPSKCombination(QAM,CAP,)Analog ModulationDigital Modulation2.6 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:1.AM2.FM3.PM PM其實也是頻率調(diào)制,只是調(diào)制時對頻率

13、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:1.ASK2.FSK3.PSK4.OOK2.6 信號調(diào)制方法(f)IQ調(diào)制在ASK與PSK組合調(diào)制時,信號幅值和相位以極坐標(biāo)表示(以原點為極點)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.f fMagnitudePhaseViVqQI2.6 信號調(diào)制方法(g)BPSKQI0 State1 StateBPSKConstellationDiagram星座圖2.6 信號調(diào)制方法(g)QPSKViVqQI000110114 Possible States星座圖2.6 信號調(diào)制方法(g)8QAMThree bits pe

14、r baud QAM (8QAM)Possible States and the Resulting Bit Stream for 8QAM星座圖3 射頻電路中的常用元件和功能1.分路器(Splitter)2.耦合器(Coupler)3.衰減器(Attenuator)4.終端(Terminator)5.功率放大器(Power Amplifier)6.隔離器(Isolator)3.1 RF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,輸入大功率信號時該器件稱為功分器.下圖為Wilkinson分路器模型:3.2 RF耦合器耦合

15、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,但是用作耦合器時也要將輸入信號的相位錯開.3.3 RF衰減器(a)衰減器:衰減器是一類無源雙端口器件,信號從一個端口進入,當(dāng)信號從另一端口輸出時信號幅值會有一定的衰減,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)都會轉(zhuǎn)化為熱功率,因此較大功率的衰減器都會有散熱片,并且功率越大,體積越大.3.3

16、 RF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:衰減值計算:定義:Rins 為輸出短路時的輸入電阻,Rino 為輸出開路時的輸入電阻.Ro=SQRT(Rins*Rino)m=R2/R1A=(1+m+SQRT(1+2m)/mAtten.(dB)=20Log(a)3.3 RF衰減器(c)步進衰減器和電可調(diào)衰減器步進衰減器:如上圖電路,將多個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.3.4 RF終端終端(Term

17、inator)是一個RF負載,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,使用時應(yīng)注意以防燙傷.3.5 RF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: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

18、減小,當(dāng)增益減小1dB時,此時的輸入功率稱為1dB壓縮點.該參數(shù)定義了放大器的工作范圍. 噪聲系數(shù)(Noise Figure):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比輸入信號的信噪比差.3.5 RF功率放大器(b)功率放大器電路:3.6 RF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)部的射頻信號只會沿一個特性的方向流動,即從端口1進去的信號只會從端口2出來,端口2進去的信號只會從端口3出來,端口3進出的信號只會從端口1出來. 使用如圖所示的連接后,端口1的功率會流到端口2,從端口2

19、反向流進的功率會在端口3被電阻(終端)消耗,而不會流到端口1,故實現(xiàn)信號的單向流動,稱為“隔離”.這樣有利于保護輸出功率器件(一般為放大器)被外界信號破壞.4 RF測試中的常用儀器1.功率計(Power Meter)2.信號發(fā)生器(Signal Generator)3.頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)4.網(wǎng)絡(luò)分析儀(Network Analyzer)4.1 功率計(a)功率計是一種檢測RF信號功率的儀表,因為RF信號有Cable中會有較大的損耗,為了保證測試精度,功率計分為兩部分,一部分為機身,另一部分為探頭.實際使用中探頭應(yīng)盡可能靠近待測信號源.常用RF功率探頭有三種類型:1

20、.熱敏電阻(Thermistor)傳感器2.熱電偶(Thermocouple)傳感器 3.二極管(Diode)傳感器 4.1 功率計(b)熱敏電阻型功率傳感器的優(yōu)點是測試量精度度,但是動態(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,并且具有較寬的動態(tài)范圍,為-30 dBm 到+20dBm.二極管型傳感器的優(yōu)點是靈敏度極高,可達到-70dBm,但檢測功率超過-20dBm時,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