第4章RFID的射頻前端

1、1第4章 RFID的射頻前端 從能量和信息傳輸?shù)幕驹韥碚f，射頻識別技術(shù)在工作頻率為13.56 MHz和小于135kHz時，基于電感耦合方式，在更高頻段基于雷達探測目標的反向散射耦合方式。電感耦合方式的基礎(chǔ)是電感電容諧振回路和電感線圈產(chǎn)生的交變磁場，是射頻卡工作的基本原理。反向散射耦合方式的理論基礎(chǔ)是電磁波傳播和反射的形成，用于微波電子標簽。這兩種耦合方式的差異在于所使用的無線電射頻的頻率不同和作用距離的遠近，但相同的都是采用無線電射頻技術(shù)。實現(xiàn)射頻能量和信息傳輸?shù)碾娐贩Q為射頻前端電路，簡稱為射頻前端。24.1閱讀器天線電路4.1.1閱讀器天線電路的選擇 下圖所示為3種典型的天線電路。在閱讀

2、器中，由于串聯(lián)諧振回路電路簡單、成本低，激勵可采用低內(nèi)阻的恒壓源，諧振時可獲得最大的回路電流等特點，因而被廣泛采用。344.1.2串聯(lián)諧振回路 1. 電路組成R R1 1是電感線圈是電感線圈L L損耗的等效電阻，損耗的等效電阻，R Rs s是信號源是信號源的內(nèi)阻，的內(nèi)阻，RL是負載電阻，回路總電阻值是負載電阻，回路總電阻值R=R1+Rs+RL5 2. 諧振及諧振條件.=1+jj(-)sssVVVIZRXRLC22221()ZRXRLC1arctan()=arctanLXCRR（）6串聯(lián)回路的諧振條件10XLC由此可以導出回路產(chǎn)生串聯(lián)諧振的角頻率由此可以導出回路產(chǎn)生串聯(lián)諧振的角頻率和頻率分別為和

3、頻率分別為01LC012fLC諧振回路的特性阻抗諧振回路的特性阻抗001LLCC73. 諧振特性 串聯(lián)諧振回路具有如下特性。 （1）諧振時，回路電抗X=0，阻抗Z=R為最小值，且為純阻。 （2）諧振時，回路電流最大，且與電壓同相。 （3）電感與電容兩端電壓的模值相等，且等于外加電壓的Q倍。 諧振時電感L兩端的電壓為.s0000sjjjLVLVILLVRR8.s0ss000111jjjjCVVIVQVCRCCR 電容電容C C兩端的電壓為兩端的電壓為Q Q稱為回路的品質(zhì)因數(shù)，是諧振時的回路感抗值稱為回路的品質(zhì)因數(shù)，是諧振時的回路感抗值（或容抗值）與回路電阻值（或容抗值）與回路電阻值R R的比值的

4、比值00111LLQRCRRCR94. 能量關(guān)系設(shè)諧振時瞬時電流的幅值I0m為 ，則瞬時電流為0sin()miIt222011sin ()22LmwLiLIt222211cost)22CCsmwCvCQ V（2222200211cos ()cos ()22mmLCIRtLItCR電感電感L L、電容電容C C上存儲的瞬時能量上存儲的瞬時能量10電感L和電容C上存儲的能量和為2012LCmwwwLIw w是一個不隨時間變化的常數(shù)，說明回路中存儲是一個不隨時間變化的常數(shù)，說明回路中存儲的能量保持不變，只在線圈和電容器間相互轉(zhuǎn)換。的能量保持不變，只在線圈和電容器間相互轉(zhuǎn)換。從能量的角度看，品質(zhì)因數(shù)從

5、能量的角度看，品質(zhì)因數(shù)Q Q可表示為可表示為2Q 回路儲能每周期耗能115. 諧振曲線和通頻帶 1）諧振曲線 回路中電流幅值與外加電壓頻率之間的關(guān)系曲線，稱為諧振曲線。.000000111+j(-)1j()1j ()IRLIRLQCR22220000111211 ()1()mmIIQQ12 回路Q值越高，諧振曲線越尖銳，回路的選擇性越好。2 2）通頻帶）通頻帶 諧振回路的通頻帶通常用半功率點的兩個邊界頻率之問諧振回路的通頻帶通常用半功率點的兩個邊界頻率之問的間隔表示，半功率點的電流比的間隔表示，半功率點的電流比 為為0.707。 串聯(lián)諧振回路的諧振曲線串聯(lián)諧振回路的諧振曲線串聯(lián)諧振回路的通頻帶

6、串聯(lián)諧振回路的通頻帶13通頻帶BW為200.700212()2BW2222fQQ 由此可見，由此可見，Q Q值越高，通頻帶越窄（選擇性越強）。在值越高，通頻帶越窄（選擇性越強）。在RFID技術(shù)中，為保證通信帶寬在電路設(shè)計時應(yīng)綜合考慮技術(shù)中，為保證通信帶寬在電路設(shè)計時應(yīng)綜合考慮Q Q值的大小。值的大小。144.1.3電感線圈的交變磁場 1. 磁場強度H和磁感應(yīng)強度B 安培定理指出，當電流流過一個導體時，在此導體的周圍會產(chǎn)生磁場，如圖4-5所示。對于直線載流體，在半徑為a的環(huán)行磁力線上，磁場強度H是恒定的，磁場強度H與磁感應(yīng)強度B分別為(A/ m)2iHa0rBH 0為真空磁導率=410-7H/m

7、r為相對磁導率152. 環(huán)形短圓柱形線圈的磁感應(yīng)強度 在電感耦合的RFID系統(tǒng)中，閱讀器天線電路的電感常采用短圓柱形線圈結(jié)構(gòu)，如圖4-6所示。離線圈中心距離為r處P點的磁感應(yīng)強度的大小為20 11022 3/22()zzi N aBHarN1為線圈匝數(shù)r為離線圈中心的距離161）磁感應(yīng)強度B和距離r的關(guān)系110)2zi NBraa（211003)2zzi N aBHrar（上面的關(guān)系可以表述為：從線圈中心到一定距上面的關(guān)系可以表述為：從線圈中心到一定距離磁場強度幾乎是不變的，而后急劇下降，其離磁場強度幾乎是不變的，而后急劇下降，其衰減大約為衰減大約為60 dB/10倍距離。倍距離。172）最佳

8、線圈半徑a設(shè)r為常數(shù)，并簡單地假定線圈中電流不變，討論a和BZ的關(guān)系。240 1122 3/222 32()()zi NaaBkarar2ar上式對上式對a a求導，求求導，求BzBz的極值，可得的極值，可得為最大值結(jié)論：當線圈半徑結(jié)論：當線圈半徑a一定時，在一定時，在r=0.707a處可獲得最大場強處可獲得最大場強183. 矩形線圈的磁感應(yīng)強度 矩形線圈在閱讀器和應(yīng)答器的天線電路中經(jīng)常被采用，在距離線圈為r處的磁感應(yīng)強度B的大小為01222222211( / 2)( / 2)4 ( / 2)( / 2)Ni abBarbrabra、b分別為矩形線圈的邊長194.2應(yīng)答器天線電路4.2.1應(yīng)答

9、器天線電路的連接1）MCRF355和MCRF360芯片的天線電路 MicrochipMicrochip公司的13.56MHz應(yīng)答器（無源射頻卡）芯片MCRF355和MCRF360的天線電路接線示意圖如下圖4-8所示。圖4-820當Ant.B端通過控制開關(guān)與Vss端短接時，諧振回路與工作頻率失諧，此時應(yīng)答器芯片雖然已處于閱讀器的射頻能量場之內(nèi)，但因失諧無法獲得正常工作所需能量，處于休眠狀態(tài)。當Ant.B端開路時，諧振回路諧振在工作頻率（13.56 MHz）上，應(yīng)答器可獲得能量，進入工作狀態(tài)。2）e5550芯片的天線電路e5550是工作頻率為125kHz的無源射頻卡芯片，其天線電路的連接比較簡單，

10、如圖4-9所示，電感線圈和電容器為外接。除此之外，e5550芯片還提供電源（Vdd和Vss）和測試（Testl，Test2，Test3）引腳，供測試時快速編程和校驗，在射頻工作時不用。21從上面兩例可以看到，無源應(yīng)答器的天線電路多采用并聯(lián)從上面兩例可以看到，無源應(yīng)答器的天線電路多采用并聯(lián)諧振回路。從后面并聯(lián)諧振回路的性能分析中可以知道，諧振回路。從后面并聯(lián)諧振回路的性能分析中可以知道，并聯(lián)諧振稱為電流諧振，在諧振時，電感和電容支路中電并聯(lián)諧振稱為電流諧振，在諧振時，電感和電容支路中電流最大，即諧振回路兩端可獲得最大電壓，這對無源應(yīng)答流最大，即諧振回路兩端可獲得最大電壓，這對無源應(yīng)答器的能量獲取

11、是必要的。器的能量獲取是必要的。224.2.2并聯(lián)諧振回路1. 電路組成與諧振條件串聯(lián)諧振回路適用于恒壓源，即信號源內(nèi)阻很小的情況。如果信號源的內(nèi)阻大（采用恒流源），應(yīng)采用并聯(lián)諧振回路。23圖4-10（a）中并聯(lián)回路兩端間的阻抗為111111(j)1jL)111(j)j()j()jLRLCCZRCRRLRLCCCLL（可得另一種形式的并聯(lián)諧振回路，如圖可得另一種形式的并聯(lián)諧振回路，如圖4-104-10（b b）所示。）所示。導納導納Y Y可表示為可表示為111jj()pCRYgbjbCRLL.1/()sPVI LCR當并聯(lián)諧振回路的電納當并聯(lián)諧振回路的電納b b=0=0時（電阻時（電阻= =）

12、，），回路兩端電回路兩端電壓壓24由b=0，可以推得并聯(lián)諧振條件為1PLC12PfLC2. 2. 諧振特性諧振特性 （1 1）并聯(lián)諧振回路諧振時的諧振電阻）并聯(lián)諧振回路諧振時的諧振電阻RpRp為純阻性。為純阻性。 并聯(lián)諧振回路諧振時的諧振電阻并聯(lián)諧振回路諧振時的諧振電阻Rp為為2211PPLLRCRR1111111PPPLLQRRCRCR 品質(zhì)因數(shù)（ 為特性阻抗）251PPPPPRQLQC在諧振時，并聯(lián)諧振回路的諧振電阻等于感抗值（或容抗在諧振時，并聯(lián)諧振回路的諧振電阻等于感抗值（或容抗值）的值）的QpQp倍，且具有純阻性。倍，且具有純阻性。（2 2）諧振時電感和電容中電流的幅值為外加電流）諧

13、振時電感和電容中電流的幅值為外加電流源的源的QpQp倍。倍。 3. 3. 諧振曲線和通頻帶諧振曲線和通頻帶 并聯(lián)諧振回路的電壓并聯(lián)諧振回路的電壓.11j()1j()sspsppppI RIVI ZCQRL26并聯(lián)諧振回路諧振時的回路端電壓.sPVI R.P11j()PPPVVQ211mPmPPPVVQarctanPPPQ 27并聯(lián)諧振回路的通頻帶帶寬為0.70.7BW222PPffQ 4. 4. 加入負載后的并聯(lián)諧振回路加入負載后的并聯(lián)諧振回路1PPPsLQQRRRR284.2.3串、并聯(lián)阻抗等效互換 為了分析電路的方便，經(jīng)常需要用到串、并聯(lián)阻抗等效互換。所謂“等效”就是指在電路的工作頻率為f

14、時，從圖4-12的AB端看進去的阻抗相等。22222222112222222222(j)jjjxRXR XR XZRRXRXRXRX2222122222221/xR XRRRRXRX2222122222221/R XXXRXXR29串聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù)12112xXRQRRX22212212=1xRRXRRQQR（高Q值時）2122111XXXQ2222122222221/xR XRRRRXRX上式中上式中有有22222122222221/R XXXRXXR由由有有30 當應(yīng)答器進入閱讀器產(chǎn)生的交變磁場時，應(yīng)答器的電感線圈上就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當距離足夠近，應(yīng)答器天線電路所截獲的能量可以供應(yīng)答器芯

15、片正常工作時，閱讀器和應(yīng)答器才能進入信息交互階段。4.3閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合314.3.1應(yīng)答器線圈感應(yīng)電壓的計算應(yīng)答器線圈上感應(yīng)電壓的大小和穿過導體所圍面積的總磁通量的變化率成正比。感應(yīng)電壓可表示為22ddddvNtt 2N總磁通量dBS每匝磁通量3220 1122223/222ddddcos dddd2i a NvNNBSNStttar 20121123/222dd=0dd2N N a SiivMttar 當時20123/2222N N a SMar閱讀器線圈和應(yīng)答器線圈之間的耦合像變壓器耦合一樣，閱讀器線圈和應(yīng)答器線圈之間的耦合像變壓器耦合一樣，初級線圈（閱讀器線圈）的電流產(chǎn)生磁

16、通，該磁通在次級初級線圈（閱讀器線圈）的電流產(chǎn)生磁通，該磁通在次級線圈（應(yīng)答器線圈）產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此，也稱電感耦合線圈（應(yīng)答器線圈）產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此，也稱電感耦合方式為變壓器耦合方式。這種耦合的初、次級是獨立可分方式為變壓器耦合方式。這種耦合的初、次級是獨立可分離的，耦合通過空間電磁場實現(xiàn)。離的，耦合通過空間電磁場實現(xiàn)。33 應(yīng)答器線圈上感應(yīng)電壓的大小和互感大小成正比，互感是應(yīng)答器線圈上感應(yīng)電壓的大小和互感大小成正比，互感是兩個線圈參數(shù)的函數(shù)，并且和距離的三次方成反比。因此兩個線圈參數(shù)的函數(shù)，并且和距離的三次方成反比。因此，應(yīng)答器要能從閱讀器獲得正常工作的能量，必須要靠近，應(yīng)答器要能從閱讀

17、器獲得正常工作的能量，必須要靠近閱讀器，其貼近程度是電感耦合方式閱讀器，其貼近程度是電感耦合方式RFIDRFID系統(tǒng)的一項重要系統(tǒng)的一項重要性能指標，也稱為工作距離或讀寫距離（讀距離和寫距離性能指標，也稱為工作距離或讀寫距離（讀距離和寫距離可能會不同，通常讀距離大于寫距離）?？赡軙煌?，通常讀距離大于寫距離）。.2應(yīng)答器諧振回路端電壓的計算應(yīng)答器諧振回路端電壓的計算34由于L2，C2回路的諧振頻率和閱讀器電壓v1的頻率相同，也就是和v2的頻率相同，因此電路處于諧振狀態(tài)，所以有20121223/222dd2N N a Sivv QQtar 11sinmiIt11d /dcosmi

18、tIt20122123/222cos22mzN avQ N SItfN SQBar 20113/222cos2zmN aBItar距離閱讀器電感線圈為距離閱讀器電感線圈為r r處的磁感應(yīng)強度值處的磁感應(yīng)強度值354.3.3應(yīng)答器直流電源電壓的產(chǎn)生1. 1. 整流與濾波整流與濾波 天線電路獲得的耦合電壓經(jīng)整流電路后變換為單極性天線電路獲得的耦合電壓經(jīng)整流電路后變換為單極性的交流信號，再經(jīng)濾波電容的交流信號，再經(jīng)濾波電容C Cp p濾去高頻成分，獲得直流電濾去高頻成分，獲得直流電壓。濾波電容壓。濾波電容C Cp p同時又作為儲能器件，以獲得較強的負載同時又作為儲能器件，以獲得較強的負載能力。能力。

19、362. 穩(wěn)壓電路 濾波電容Cp兩端輸出的直流電壓是不穩(wěn)定的，當應(yīng)答器（卡）與閱讀器的距離變化時，隨應(yīng)答器線圈L2上耦合電壓的變化而變化，而應(yīng)答器內(nèi)的電路需要有較高穩(wěn)定性的直流電源電壓，因此必須采用穩(wěn)壓電路。 穩(wěn)壓電路在眾多書籍中都有介紹，本節(jié)不再贅述。374.3.4負載調(diào)制 在RFID系統(tǒng)中，應(yīng)答器向閱讀器的信息傳輸采用負載調(diào)制技術(shù) 1. 耦合電路模型耦合系數(shù)耦合系數(shù)k k是反映耦合回路耦是反映耦合回路耦合程度的重要參數(shù)合程度的重要參數(shù)12MkL L382. 互感耦合回路的等效阻抗關(guān)系 圖4-19（b）中初級和次級回路的電壓方程可寫為.11121jZ IM IV.2122j0M IZI.11

20、21122VIMZZ.111222211j/MV ZIMZZ392122fMZZ令2211fMZZ11111=+fVIZZ11122222222j/=-=+ffMV ZVIZZZZ40 由于Zf1是互感M和次級回路阻抗Z22的函數(shù)，并出現(xiàn)在初級等效回路中，故Zf1稱為次級回路對初級回路的反射阻抗，它由反射電阻Rf1和反射電抗Xf1兩部分組成，即Zf1=Rf1+jXf1。 類似地，Zf2稱為初級回路對次級回路的反射阻抗，由反射電阻Rf2和反射電抗Xf2組成，即Zf2=Rf2+jXf2。 這樣，初、次級回路之間的影響可以通過反射阻抗的變化來進行分析。3. 電阻負載調(diào)制 負載調(diào)制是應(yīng)答器向閱讀器傳輸

21、數(shù)據(jù)所使用的方法。在電感耦合方式的RFID系統(tǒng)中，負載調(diào)制有電阻負載調(diào)制和電容負載調(diào)制兩種方法。41 電阻負載調(diào)制的原理電路如圖4-21所示，開關(guān)S用于控制負載調(diào)制電阻Rmod的接入與否，開關(guān)S的通斷由二進制數(shù)據(jù)編碼信號控制。二進制數(shù)據(jù)編碼信號用于控制開關(guān)二進制數(shù)據(jù)編碼信號用于控制開關(guān)S。當二進制數(shù)據(jù)編碼信。當二進制數(shù)據(jù)編碼信號為號為1時，設(shè)開關(guān)時，設(shè)開關(guān)S閉合，則此時應(yīng)答器負載電阻為閉合，則此時應(yīng)答器負載電阻為R RL L和和R Rmodmod并聯(lián)；當二進制數(shù)據(jù)編碼信號為并聯(lián)；當二進制數(shù)據(jù)編碼信號為0時，開關(guān)時，開關(guān)S斷開，應(yīng)答器負斷開，應(yīng)答器負載電阻為載電阻為R RL L。所以在電阻負載調(diào)

22、制時，應(yīng)答器的負載電阻值。所以在電阻負載調(diào)制時，應(yīng)答器的負載電阻值有兩個對應(yīng)值，即有兩個對應(yīng)值，即R RL L（S S斷開時）和斷開時）和R RL L與與R Rmodmod的并聯(lián)值的并聯(lián)值R RL L/R Rmodmod（S S閉合時）。顯然，閉合時）。顯然，R RL L/R Rmodmod小于小于R RL L。421 1）次級回路等效電路中的端電壓）次級回路等效電路中的端電壓 設(shè)初級回路處于諧振狀態(tài)，則其反射電抗設(shè)初級回路處于諧振狀態(tài)，則其反射電抗X Xf2f2=0=0.22222222j11jjj1jLmCDLmLmfLmRVCVRRCCRRLRC43.2222211jjfLmVRRLCR

23、R RLmLm為負載電阻為負載電阻R RL L和負載調(diào)制電阻和負載調(diào)制電阻R Rmodmod的并聯(lián)值。當進行負載調(diào)的并聯(lián)值。當進行負載調(diào)制時，制時，R RLmLm R RL L，因此，因此電壓電壓VCD下降。在實際電路中，電壓的變下降。在實際電路中，電壓的變化反映為電感線圈化反映為電感線圈L2兩端可測的電壓變化。兩端可測的電壓變化。 該結(jié)果也可從物理概念上獲得，即次級回路由于該結(jié)果也可從物理概念上獲得，即次級回路由于Rmod的接的接入，負載加重，入，負載加重，Q值降低，諧振回路兩端電壓下降。值降低，諧振回路兩端電壓下降。2 2）初級回路等效電路中的端電壓）初級回路等效電路中的端電壓 44由次級

24、回路的阻抗表達式222221j1/jLmZRLRC得知在負載調(diào)制時得知在負載調(diào)制時Z Z2222下降，可得反射阻抗下降，可得反射阻抗Z Zf1f1上升（在互感上升（在互感M M不變的條件下）。若次級回路調(diào)整于諧振狀態(tài)，其反射電不變的條件下）。若次級回路調(diào)整于諧振狀態(tài)，其反射電抗抗X Xf1f1=0=0，則表現(xiàn)為反射電阻，則表現(xiàn)為反射電阻R Rf1f1的增加。的增加。 R Rf1f1不是一個電阻實體，它的變化體現(xiàn)為電感線圈不是一個電阻實體，它的變化體現(xiàn)為電感線圈L L1 1兩端的兩端的電壓變化，即等效電路中端電壓電壓變化，即等效電路中端電壓V VABAB的變化。在負載調(diào)制時，的變化。在負載調(diào)制時

25、，由于由于Rf1增大，所以增大，所以VAB增大，即電感線圈增大，即電感線圈L1兩端的電壓增兩端的電壓增大。由于大。由于Xf1=0，所以電感線圈兩端電壓的變化表現(xiàn)為幅度，所以電感線圈兩端電壓的變化表現(xiàn)為幅度調(diào)制。調(diào)制。453）電阻負載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)脑硗ㄟ^前面的分析，電阻負載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)倪^程如圖所示。應(yīng)答器的二進制數(shù)據(jù)編碼信號通過電阻負載調(diào)制方法傳送到了閱讀器，電阻負載調(diào)制過程是一個調(diào)幅過程。圖4-2346 4. 電容負載調(diào)制電容負載調(diào)制是用附加的電容器Cmod代替調(diào)制電阻Rmod。其中，R2是電感線圈L2的損耗電阻47 分析次級和初級等效回路的端電壓可知：電容Cmod的接入使應(yīng)答器邊

26、的諧振回路失諧，因而電感線圈L2兩端的電壓下降，電感線圈L1兩端的電壓增加。 電容負載調(diào)制時，數(shù)據(jù)信息的傳輸過程基本同圖4-23所示，只是閱讀器線圈兩端電壓會產(chǎn)生相位調(diào)制的影響，但該相位調(diào)制只要能保持在很小的情況下，就不會對數(shù)據(jù)的正確傳輸產(chǎn)生影響。484.4 射頻濾波器的設(shè)計微波RFID系統(tǒng)基本是采用電磁反向散射方式進行工作，其采用雷達原理模型，發(fā)射電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，屬于遠距離RFID系統(tǒng)。接收通道發(fā)射通道494.4.1濾波器的類型504.4.2低通濾波器原型低通濾波器原型是設(shè)計濾波器的基礎(chǔ)，集總元件低通、高通、帶通、帶阻濾波器以及分布參數(shù)濾波器，可以根據(jù)低通濾波器原型

27、變換而來。一般插入損耗作為考察濾波器的指標，用來討論低通濾波器原型的設(shè)計方法。在插入損耗法中，濾波器的響應(yīng)是用插入損耗來表征的。插入損耗定義為來自源的可用功率與傳送到負載功率的比值，用dB表示的插入損耗定義為 21IL10lg1 |in 511巴特沃斯低通濾波器原型 如果濾波器在通帶內(nèi)的插入損耗隨頻率的變化是最平坦的，這種濾波器稱為巴特沃斯濾波器，也稱為最平坦濾波器。對于低通濾波器，最平坦響應(yīng)的數(shù)學表示式為22IL10lg 1Nck521）濾波器的階數(shù)由式（4-77）可以看出，N值越大，阻帶內(nèi)衰減隨著頻率增大得越快。設(shè)計低通濾波器時，對阻帶內(nèi)的衰減有數(shù)值上的要求，由此可以計算出N值。532）濾

28、波器的結(jié)構(gòu)54552切比雪夫低通濾波器原型 如果濾波器在通帶內(nèi)有等波紋的響應(yīng)，這種濾波器稱為切比雪夫濾波器，也稱為等波紋濾波器。低通等波紋響應(yīng)的數(shù)學表示式為22IL10lg 1Nck T563橢圓函數(shù)低通濾波器原型 最平坦響應(yīng)和等波紋響應(yīng)兩者在阻帶內(nèi)都有單調(diào)上升的衰減。在有些應(yīng)用中需要設(shè)定一個最小阻帶衰減，在這種情況下能獲得較好的截止陡度，這種類型的濾波器稱為橢圓函數(shù)濾波器。橢圓函數(shù)濾波器在通帶和阻帶內(nèi)都有等波紋響應(yīng)，如圖4-33所示。574線性相位低通濾波器原型 前面3種濾波器都是設(shè)定振幅響應(yīng)，但在有些應(yīng)用中，線性的相位響應(yīng)比陡峭的阻帶振幅衰減響應(yīng)更為關(guān)鍵。線性的相位響應(yīng)與陡峭的阻帶振幅衰減

29、響應(yīng)是不兼容的，如果要得到線性相位，相位函數(shù)的群時延必須是最平坦函數(shù)。由于線性的相位響應(yīng)與陡峭的阻帶振幅衰減響應(yīng)相沖突，所以線性相位濾波器在阻帶內(nèi)振幅衰減較平緩。584.4.3濾波器的變換及集總參數(shù)濾波器4.4.2節(jié)討論的低通濾波器原型是假定源阻抗為1歐姆，截止頻率為1的歸一化設(shè)計，為了得到實際的濾波器，必須對前面討論的參數(shù)進行反歸一化設(shè)計，利用低通濾波器原型變換到任意源阻抗和任意頻率的低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。1濾波器的變換濾波器的變換包括阻抗變換和頻率變換兩個過程，以便滿足實際源阻抗和實際工作頻率的要求。 1）阻抗變換 在低通濾波器原型設(shè)計中，除偶數(shù)階切比雪夫濾波器外

30、，其余原型濾波器的源阻抗和負載阻抗均為1。如果源阻抗和負載阻抗不為1，就必須對所有阻抗的表達式做比例變換，這需要用實際源電阻乘低通濾波器原型中的阻抗值。59若源電阻為Rs，令變換后濾波器的元件值用帶撇號的符號表示，則1SSRR SLR L SCCR LSLRR R 2 2）頻率變換頻率變換 將歸一化頻率變換為實際頻率，相當于變換原型將歸一化頻率變換為實際頻率，相當于變換原型中的電感和電容值。通過頻率變換，不僅可以將低中的電感和電容值。通過頻率變換，不僅可以將低通濾波器原型變換為低通濾波器，而且可以將低通通濾波器原型變換為低通濾波器，而且可以將低通濾波器原型變換為高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波

31、器原型變換為高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。濾波器。式中的式中的1為低通濾波器原型的源阻抗為低通濾波器原型的源阻抗602低通濾波器原型變換為低通濾波器 將低通濾波器原型的截止頻率由1改變?yōu)閏,在低通濾波器中需要c61 當頻率和阻抗都變換時，低通濾波器的元件值L和C為ScR LL ScCCR 3低通濾波器原型變換為高通濾波器低通濾波器原型變換為高通濾波器將低通濾波器原型變換為高通濾波器，在高通濾將低通濾波器原型變換為高通濾波器，在高通濾波器中需要波器中需要c62ScRLC 當頻率和阻抗都變換時，高通濾波器的元當頻率和阻抗都變換時，高通濾波器的元件值件值1ScCRL 634低通濾波器原型變換為

32、帶通和帶阻濾波器低通濾波器原型也能變換到帶通和帶阻響應(yīng)的情形。圖4-37所示為低通原型到帶通和帶阻濾波器的頻率變換。644.4.4分布參數(shù)濾波器的設(shè)計 前面討論的濾波器是由集總元件電感和電容構(gòu)成，當頻率不高時，集總元件濾波器工作良好。但當頻率高于500Mz時，濾波器通常由分布參數(shù)元件構(gòu)成，這是由于兩個原因造成的，一是頻率高時電感和電容應(yīng)選的元件值過小，由于寄生參數(shù)的影響，如此小的電感和電容已經(jīng)不能再使用集總參數(shù)元件；二是此時工作波長與濾波器元件的物理尺寸相近，濾波器元件之間的距離不可忽視，需要考慮分布參數(shù)效應(yīng)。 651微帶短截線低通濾波器 分布參數(shù)低通濾波器可以采用微帶短截線實現(xiàn)，其中理查德（

33、Richards）變換用于將集總元件變換為傳輸線段，科洛達（Kuroda）規(guī)則可以將各濾波器元件分隔開。1）理查德變換 通過理查德變換，可以將集總元件的電感和電容用一段終端短路或終端開路的傳輸線等效。終端短路和終端開路傳輸線的輸入阻抗具有純電抗性，利用傳輸線的這一特性，可以實現(xiàn)集總元件到分布參數(shù)元件的變換。662）科洛達規(guī)則 科洛達規(guī)則是利用附加的傳輸線段，得到在實際上更容易實現(xiàn)的濾波器。例如，利用科洛達規(guī)則即可以將串聯(lián)短截線變換為并聯(lián)短截線，又可以將短截線在物理上分開。在科洛達規(guī)則中附加的傳輸線段稱為單位元件，單位元件是一段傳輸線。2階梯阻抗低通濾波器 階梯阻抗低通濾波器也稱為高低阻抗低通濾

34、波器，是一種結(jié)構(gòu)簡潔的電路，由很高和很低特性阻抗的傳輸線段交替排列而成，結(jié)構(gòu)緊湊，便于設(shè)計和實現(xiàn)。673平行耦合微帶線帶通濾波器 平行耦合微帶傳輸線由兩個無屏蔽的平行微帶傳輸線緊靠在一起構(gòu)成，由于兩個傳輸線之間電磁場的相互作用，在兩個傳輸線之間會有功率耦合，這種傳輸線也因此稱為耦合傳輸線。平行耦合微帶線可以構(gòu)成帶通濾波器，這種濾波器由多個l/4波長耦合線段構(gòu)成，是一種常用的分布參數(shù)帶通濾波器。684.5射頻低噪聲放大器的設(shè)計 在射頻接收系統(tǒng)中，接收機前端需要放置低噪聲放大器，本節(jié)介紹低噪聲放大器的設(shè)計方法。在低噪聲放大器的設(shè)計中，需要考慮的因素很多，其中最重要的就是穩(wěn)定性、增益、失配和噪聲，本

35、節(jié)將討論上述問題的特性。694.5.1 放大器的穩(wěn)定性 設(shè)計射頻放大器時，必須考慮電路的穩(wěn)定性，這一點與低頻電路的設(shè)計方法完全不同。由于反射波的存在，射頻放大器在某些工作頻率或終端條件下有產(chǎn)生振蕩的傾向，不再發(fā)揮放大器的作用，因此必須分析射頻放大器的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性是指放大器抑制環(huán)境的變化（如信號頻率、溫度、源和負載等變化時），維持正常工作特性的能力。1放大器穩(wěn)定的定義放大器穩(wěn)定的定義 放大器的二端口網(wǎng)絡(luò)如圖放大器的二端口網(wǎng)絡(luò)如圖4-474-47所示，圖中傳輸線所示，圖中傳輸線上有反射波傳輸，源的反射系數(shù)上有反射波傳輸，源的反射系數(shù)、負載的反射系數(shù)負載的反射系數(shù)、70二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端的反射系數(shù)、

36、二端口網(wǎng)絡(luò)輸出端的反射系數(shù)分別為。71。如果反射系數(shù)的模大于如果反射系數(shù)的模大于1，傳輸線上反射波的，傳輸線上反射波的振幅將比入射波的振幅大，這將導致不穩(wěn)定產(chǎn)生。振幅將比入射波的振幅大，這將導致不穩(wěn)定產(chǎn)生。因此，放大器穩(wěn)定意味著反射系數(shù)的模小于因此，放大器穩(wěn)定意味著反射系數(shù)的模小于1，即即1111SLinout，2. . 放大器穩(wěn)定性判別的圖解法放大器穩(wěn)定性判別的圖解法復平面上討論穩(wěn)定區(qū)域，用圖解的方法給出穩(wěn)定復平面上討論穩(wěn)定區(qū)域，用圖解的方法給出穩(wěn)定區(qū)域。區(qū)域。72733放大器絕對穩(wěn)定判別的解析法 還可以用解析法判別放大器的穩(wěn)定性。111221ssS SS S 22211221221112S

37、SkSS k稱為穩(wěn)定性因子。絕對穩(wěn)定要求：稱為穩(wěn)定性因子。絕對穩(wěn)定要求：1,1k 744.5.2放大器的功率增益 對輸入信號進行放大，是放大器最重要的任務(wù)，因此在低噪聲放大器的設(shè)計中，增益的概念很重要。1轉(zhuǎn)換功率增益 放大器的轉(zhuǎn)換功率增益為2222122221111SLTinSLGsS 2.等增益圓等增益圓754.5.3放大器輸入輸出駐波比 信源與晶體管之間及晶體管與負載之間的失配程度對駐波比有影響，在很多情況下，放大器的輸入和輸出電壓駐波比必須保持在特定指標之下。放大器輸入、輸出電壓駐波比為1VSWR1 764.5.4放大器的噪聲 對放大器來說，噪聲的存在對整個設(shè)計有重要影響，在低噪聲的前提

38、下對信號進行放大 是對放大器的基本要求。下面先介紹噪聲的表示方法和級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性，然后在史密斯圓圖上畫出等噪聲系數(shù)圓。1噪聲系數(shù) （1）在標準室溫下，若僅由輸入端電阻R在放大器輸出端產(chǎn)生熱噪聲，則放大器的噪聲系數(shù)定義為iNoNoPFP77（2）噪聲系數(shù)F還有另一種物理意義：/SiNiSoNoPPFPP（3 3）二端口放大器的噪聲系數(shù)還可以表示二端口放大器的噪聲系數(shù)還可以表示為：為：2minoptnSsRFFYYG782級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù) 先考慮兩個放大器的級連。兩級放大器的總噪聲系數(shù)F為2111AFFFG32111212111nAAAAAAnFFFFFGG GG GG下面考慮下面考慮n n

39、個放大器的級連個放大器的級連793噪聲系數(shù)圓804.6射頻功率放大器的設(shè)計功率放大器是大信號放大器，由于信號幅度比較大，晶體管時常工作于非線性區(qū)域，在這種情況下，小信號S參量本身對大信號放大器通常失效，此時需要求得晶體管大信號時的相應(yīng)參數(shù)，以便得到功率放大器的合理設(shè)計。 功率放大器可以設(shè)計為A類放大器、AB類放大器、B類放大器或C類放大器。當工作頻率大于1GHz時，常使用A類功率放大器。下面討論A類功率放大器的設(shè)計，并討論交調(diào)失真。814.6.1 A類放大器的設(shè)計 A類放大器也稱為甲類放大器，工作于這種狀態(tài)的放大器，晶體管在整個信號的周期內(nèi)均導通。功率放大器的效率是特別需要考慮的，放大器的效率

40、定義為射頻輸出功率與直流輸入功率之比，A類放大器的效率最高 50。1大信號下晶體管的特性參數(shù) 生產(chǎn)廠商在提供大信號下晶體管的各項參數(shù)時，往往會給出1dB增益壓縮點及相應(yīng)參數(shù)： 1dB增益壓縮點 動態(tài)范圍DR 等功率線822A類功率放大器的設(shè)計方法 （1）利用小信號S參量設(shè)計。（2）利用大信號S參量設(shè)計。（3）利用 和 設(shè)計 （4）利用等功率線設(shè)計SPLP.2交調(diào)失真交調(diào)失真在在非線性放大器的輸入端加兩個或兩個以上頻率非線性放大器的輸入端加兩個或兩個以上頻率的正弦信號時，在輸出端會產(chǎn)生附加的正弦信號時，在輸出端會產(chǎn)生附加頻頻率分量，率分量，這會引起輸出信號的失真。這會引起輸出信號

41、的失真。831三階截止點IP在非線性放大器中，假設(shè)輸入信號的頻率為f1和f2，輸入信號可以寫為輸出信號為輸出信號中除有頻率成分f1和f2外，還會產(chǎn)生新的頻率分量2f1、2f2、3f1、3f2、f1f2、2f1f2、2f2f1等。 012cos 2cos 2iv tVf tf t 220010122012cos 2cos 2cos 2cos 2vtaaVf tf ta Vf tf t84新的頻率分量分類為二次諧波為2f1、2f2 三次諧波為3f1、3f2二階交調(diào)為f1f2 三階交調(diào)為2f1f2、2f2f1這些新的頻率分量是非線性系統(tǒng)失真的產(chǎn)物，稱為諧波失真或交調(diào)失真。 與三階交調(diào)2f1f2、2f

42、2f1相關(guān)的輸出電壓按V0三次方增長，與線性產(chǎn)物f1和f2相關(guān)的輸出電壓按V0增長。也就是說，三階交調(diào)的輸出功率按輸入功率的3次方增長，線性產(chǎn)物f1和f2的輸出功率按輸入功率的1次方增長。 852無寄生動態(tài)范圍無寄生動態(tài)范圍1out,mds2DR3ffPP864.7射頻振蕩器的設(shè)計振蕩器是所有射頻系統(tǒng)中最基本的部件之一，可以將直流功率轉(zhuǎn)化成射頻功率，在特定的頻率點建立起穩(wěn)定的正弦振蕩，成為所需的射頻信號源。早期的振蕩器在低頻下使用，考畢茲（Colpitts）、哈特萊（Hartley）等結(jié)構(gòu)都可以構(gòu)成低頻振蕩器，并可以使用晶體諧振器來提高低頻振蕩器的頻率穩(wěn)定性。隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，頻率不斷升

43、高，現(xiàn)代射頻系統(tǒng)的載波常常超過1GHz，需要有與之相適應(yīng)的振蕩器。在較高頻率處可以使用工作于負阻狀態(tài)的二極管和晶體管，并利用腔體、傳輸線或介質(zhì)諧振器來構(gòu)成振蕩器，用這種方法構(gòu)成的振蕩器可以產(chǎn)生高達100GHz的基頻振蕩。874.7.1振蕩器的基本模型從最一般的意義上看，振蕩器是一個非線性電路，將直流（DC）功率轉(zhuǎn)換為交流（AC） 波形。振蕩器的核心是一個能夠在特定頻率上實現(xiàn)正反饋的環(huán)路，圖4-53描述了正弦振蕩器的基本工作原理，具有電壓增益A的放大器輸出電壓為V0，這一輸出電壓通過傳遞函數(shù)為H的反饋網(wǎng)絡(luò)，加到電路的輸入電壓Vi，于是輸出電壓可以表示為 00iVAVHAV88 01iAVVAH用

44、輸入電壓表示的輸出電壓用輸入電壓表示的輸出電壓為為由于振蕩器沒有輸入信號，若要得到非零的輸出電由于振蕩器沒有輸入信號，若要得到非零的輸出電壓，式壓，式（4-124124）的分母必須為零，這稱為巴克豪森的分母必須為零，這稱為巴克豪森準則準則（Barkhausen C Criterion）。振蕩器由起振到穩(wěn)。振蕩器由起振到穩(wěn)態(tài)依賴于不穩(wěn)定電路，這與放大器的設(shè)計不同，放大態(tài)依賴于不穩(wěn)定電路，這與放大器的設(shè)計不同，放大器的設(shè)計要達到最大穩(wěn)定性。器的設(shè)計要達到最大穩(wěn)定性。894.7.2射頻低頻段振蕩器 射頻低頻段振蕩電路有許多可能的形式，它們采用雙極結(jié)射頻低頻段振蕩電路有許多可能的形式，它們采用雙極結(jié)型

45、晶體管（型晶體管（BJTBJT）或場效應(yīng)晶體管（）或場效應(yīng)晶體管（FETFET），可以是共發(fā)射），可以是共發(fā)射極極/ /源極、共基極源極、共基極/ /柵極或共集電極柵極或共集電極/ /漏極結(jié)構(gòu)，并可以采用漏極結(jié)構(gòu)，并可以采用多種形式的反饋網(wǎng)絡(luò)。各種形式的反饋網(wǎng)絡(luò)形成了考畢茲多種形式的反饋網(wǎng)絡(luò)。各種形式的反饋網(wǎng)絡(luò)形成了考畢茲（ColpittsColpitts）電容式三點式、）電容式三點式、哈特萊哈特萊（HartleyHartley）等振蕩電）等振蕩電路路90圖4-54所示為電路4個電壓節(jié)點的方程 13131112223223400-(+)00iiimiomomomoYYGYGYVYGgYYGGg

46、YGVYYYYVgGgGV 1 1使用雙極結(jié)型晶體管的共發(fā)射極振蕩電路使用雙極結(jié)型晶體管的共發(fā)射極振蕩電路 考畢茲振蕩器 哈特萊振蕩器912 2使用場效應(yīng)晶體管的共柵極振蕩電路使用場效應(yīng)晶體管的共柵極振蕩電路 考畢茲振蕩器 哈特萊振蕩器923晶體振蕩器在晶體的工作點，晶在晶體的工作點，晶體可以代替哈特萊或體可以代替哈特萊或考畢茲振蕩器中的電考畢茲振蕩器中的電感，典型的晶體振蕩感，典型的晶體振蕩器電路如圖器電路如圖4-574-57所示，所示，稱為皮爾斯（稱為皮爾斯（PiercePierce）振蕩器振蕩器934.7.3微波振蕩器 當工作頻率接近1GHz時，電壓和電流的波動特性將不能被忽略，需要采用

47、傳輸線理論來描述電路的特性，因此需要討論基于反射系數(shù)和S參量的微波振蕩器。微波振蕩器的內(nèi)部有一個有源固態(tài)器件，該器件與無源網(wǎng)絡(luò)相配合，可以產(chǎn)生所需要的微波信號。由于振蕩器是在無輸入信號的條件下產(chǎn)生振蕩功率，因此其具有負阻效應(yīng)。若一個器件的端電壓與流過該器件的電流之間相位相差180，該器件稱為負阻器件。利用三端口負阻器件可以設(shè)計出微波雙端口振蕩器，利用二端口負阻器件可以設(shè)計出微波單端口振蕩器。941振蕩條件（1）雙端口振蕩器振蕩條件。雙端口振蕩器如圖4-58所示，由晶體管、振蕩器調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)3部分組成。95若使圖4-58所示的雙端口振蕩器產(chǎn)生震蕩，需要滿足如下3個條件。條件1：存在不穩(wěn)定有

48、源條件 條件2：振蕩器左端滿足 條件3：振蕩器右端滿足 1k in1S outT1 96（2）單端口振蕩器振蕩條件。 單端口振蕩器是雙端口振蕩器的特例。晶體管雙端口網(wǎng)絡(luò)配以適當?shù)呢撦d終端，可將其轉(zhuǎn)換為單端口振蕩器，微波二極管也可以構(gòu)成單端口振蕩器。單端口振蕩器如圖4-59所示97若使單端口振蕩器產(chǎn)生振蕩，需要滿足如下條件0inSZZ0inSRR0inSXX（3 3）穩(wěn)定振蕩條件。）穩(wěn)定振蕩條件。振蕩器在起振時，還要求整個電路在某一頻振蕩器在起振時，還要求整個電路在某一頻率下出現(xiàn)不穩(wěn)定，即應(yīng)有率下出現(xiàn)不穩(wěn)定，即應(yīng)有inS,0RIR電路總電阻小于零，振蕩器中將有對應(yīng)頻率下電路總電阻小于零，振蕩器中將有對應(yīng)頻率下持續(xù)增長的電流持續(xù)增長的電流I I流過流過98 對于一個穩(wěn)態(tài)的振蕩來說，還應(yīng)有能力消除由于電流或頻率的擾動所引起的振蕩頻率偏差，也就是說，穩(wěn)態(tài)的振蕩要求電流或頻率的任何擾動都應(yīng)該被阻尼掉，使振蕩器回到原來的狀態(tài)。由高Q諧振電路構(gòu)成調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)可以使振蕩器有高穩(wěn)定性，因此為提高振蕩器的穩(wěn)定性，應(yīng)選擇有高品質(zhì)因數(shù)的調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)。2晶體管振蕩器 晶體管振蕩器