射頻微電子學之RF基本概念課件

1、射頻微電子學RF基本概念射頻常用計算單位簡介射頻常用概念辨析射頻常用計算單位簡介第一節(jié) 功率單位簡介第二節(jié) 天線傳播相關單位簡介 第三節(jié) 其他 功率單位簡介絕對功率的dB表示射頻信號的絕對功率常用dBm、dBW表示，它與mW、W的換算關系如下：例如信號功率為x W，利用dBm表示時其大小為：例如：1W等于30dBm，等于0dBW。功率單位簡介相對功率的dB表示射頻信號的相對功率常用dB和dBc兩種形式表示，其區(qū)別在于：dB是任意兩個功率的比值的對數(shù)表示形式，而dBc是某一頻點輸出功率和載頻輸出功率的比值的對數(shù)表示形式。第二章 射頻常用計算單位簡介第一節(jié) 功率單位簡介第二節(jié) 天線傳播相關單位簡介

2、 第三節(jié) 其他 天線傳播相關單位簡介天線和天線增益天線增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天線相對于無方向天線的功率能量密度之比，dBd是指相對于半波振子Dipole 的功率能量密度之比，半波振子的增益為2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。第二章 射頻常用計算單位簡介第一節(jié) 功率單位簡介第二節(jié) 天線傳播相關單位簡介 第三節(jié) 其他 其他電阻：阻擋電流通過的物體或物質，從而把電能轉化為熱能或其它形式的能量，單位：歐姆，電壓：電位或電位差，單位：伏特，V電流：單位時間內通過電路上某一確定點的電荷數(shù)，單位：安培，A電感：線圈環(huán)繞著的東西，通常是導線，由于電磁感應的原因，線圈可產(chǎn)生電動勢能

3、，單位：亨利，H電容：一個充電的絕緣導電物體潛在具有的最大電荷率，單位：法拉，F(xiàn)思考題絕對功率的單位有哪幾種常用的表達形式？他們之間的換算關系為？相對功率的單位有哪幾種常用的表達形式？其區(qū)別為？天線的增益單位有哪幾種常用的表達形式?電壓、電流、電阻、電感、電容的單位分別為？解答絕對功率可以用dBm和W兩種形式表達，其換算關系為：相對功率可以用dB和dBc兩種形式表示，兩者的區(qū)別在于：dB是任意兩個功率比值的對數(shù)表示形式，而dBc是某一頻點輸出功率和載頻輸出功率比值的對數(shù)表示形式。解答天線增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天線相對于無方向天線的功率能量密度之比，dBd是指相對于半波振子Di

4、pole 的功率能量密度之比，半波振子的增益為2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。電壓單位為：伏特/V，電流單位為：安培/A，電阻單位為：歐姆/，電感單位為：亨利/H，電容單位為：法拉/F。RF基本概念射頻常用計算單位簡介射頻常用概念辨析第三章 射頻基本概念辨析第一節(jié) 功率相關概念第二節(jié) 噪聲相關概念第三節(jié) 線性相關概念第四節(jié) 傳輸線相關概念第五節(jié) 下行通道射頻指標第六節(jié) 上行通道射頻指標 功率相關概念信號的峰值功率、平均功率和峰均比PAR解釋：很多信號從時域觀測并不是恒定包絡，而是如下面圖形所示。峰值功率即是指以某種概率出現(xiàn)的肩峰的瞬態(tài)功率。通常概率取為0.01%。功率相關概念功率

5、相關概念信號的峰值功率、平均功率和峰均比PAR解釋：平均功率是系統(tǒng)輸出的實際功率。在某個概率下峰值功率跟平均功率的比就稱為在某個概率下的峰均比，如PAR=9.10.1%,各種概率下的峰均比就形成了CCDF曲線（互補累積分布函數(shù)）。在概率為0.01%處的PAR，一般稱為CREST因子。功率相關概念思考題峰均比的定義？解答峰值功率即是指以某種概率出現(xiàn)的肩峰的瞬態(tài)功率。通常概率取為0.01%。平均功率是系統(tǒng)輸出的實際功率。在某個概率下峰值功率跟平均功率的比就稱為在某個概率下的峰均比，如PAR=9.10.1%,各種概率下的峰均比就形成了CCDF曲線（互補累積分布函數(shù)）。在概率為0.01%處的PAR，一

6、般稱為CREST因子第三章 射頻基本概念辨析第一節(jié) 功率相關概念第二節(jié) 噪聲相關概念第三節(jié) 線性相關概念第四節(jié) 傳輸線相關概念第五節(jié) 下行通道射頻指標第六節(jié) 上行通道射頻指標 噪聲相關概念噪聲定義噪聲是指在信號處理過程中遇到的無法確切預測的干擾信號（各類點頻干擾不是算噪聲）。常見的噪聲有來自外部的天電噪聲，汽車的點火噪聲，來自系統(tǒng)內部的熱噪聲，晶體管等在工作時產(chǎn)生的散粒噪聲，信號與噪聲的互調產(chǎn)物。噪聲相關概念相位噪聲相位噪聲是用來衡量本振等單音信號頻譜純度的一個指標，在時域表現(xiàn)為信號過零點的抖動。理想的單音信號，在頻域應為一脈沖，而實際的單音總有一定的頻譜寬度，如下面所示。一般的本振信號可以認

7、為是隨機過程對單音調相的過程，因此信號所具有的邊帶信號被稱為相位噪聲。相位噪聲在頻域的可以這樣定量描述：偏離中心頻率多少Hz處，單位帶寬內的功率與總信號功率相比。噪聲相關概念例如晶體的相位噪聲可以這樣描述：噪聲相關概念噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)是用來衡量射頻部件對小信號的處理能力，通常這樣定義：單元輸入信噪比除輸出信噪比，如下圖：對于線性單元，不會產(chǎn)生信號與噪聲的互調產(chǎn)物及信號的失真，這時噪聲系數(shù)可以用下式表示：Pno表示輸出噪聲功率，Pni表示輸入噪聲功率，G為單元增益。噪聲相關概念級聯(lián)網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)公式：思考題噪聲系數(shù)定義？寫出噪聲系數(shù)的級聯(lián)計算公式？解答噪聲系數(shù)是用來衡量射頻部件對小信號的處理能力

8、，通常定義為：單元的輸入信噪比除輸出信噪比級聯(lián)網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)公式：Pno表示輸出噪聲功率，Pni表示輸入噪聲功率，G為單元增益。第三章 射頻基本概念辨析第一節(jié) 功率相關概念第二節(jié) 噪聲相關概念第三節(jié) 線性相關概念第四節(jié) 傳輸線相關概念第五節(jié) 下行通道射頻指標第六節(jié) 上行通道射頻指標線性相關概念信號在通過射頻通道（這里所謂的射頻通道是指射頻收發(fā)信機通道，不包括空間段衰落信道）時會有一定程度的失真，失真可以分為線性失真和非線性失真。產(chǎn)生線性失真的主要有一些濾波器等無源器件，產(chǎn)生非線性失真的主要有一些放大器、混頻器等有源器件。另外射頻通道還會有一些加性噪聲和乘性噪聲的引入。線性相關概念線性失真線性失

9、真又可以分成線性幅度失真和線性相位失真，從頻域可以很方便表示這些失真，如下圖：幅頻特性相頻特性線性相關概念非線性失真非線性失真與線性失真相似，可以分成非線性幅度失真和非線性相位失真，圖形表示如下：線性相關概念非線性幅度失真非線性幅度失真常用1dB壓縮點、三階交調、三階截止點等指標衡量，下面分別討論這三個指標。1dB壓縮點例如一個射頻放大器，當輸入信號較小時，其輸出與輸入可以保證線關系，輸入電平增加1dB，輸出相應增加1dB，增益保持不變，隨著輸入信號電平的增加，輸入電平增加1dB，輸出將增加不到1dB，增益開始壓縮，增益壓縮1dB時的輸入信號電平稱為輸入1dB壓縮點，這時輸出信號電平稱為輸出1

10、dB壓縮點。如下圖：線性相關概念線性相關概念三階交調三階交調（雙音三階交調）是用來衡量非線性的一個重要指標，在這里仍以放大器為例來說明三階交調指標。用兩個相隔f，且電平相等的單音信號同時輸入一個射頻放大器，則放大器的輸出頻譜大致如下：三階交調常用dBc表示，即交調產(chǎn)物與主輸出信號的比。線性相關概念三階截止點任一微波單元電路，輸入雙音信號同時增加1dB，輸出三階交調產(chǎn)物將增加3dB，而主輸出信號僅增加1dB（不考慮壓縮），這樣輸入信號電平增加到一定值時，輸出三階交調產(chǎn)物與主輸出信號相等，這一點稱為三階截止點，對應的輸入信號電平稱為輸入三階截止點，對應的輸出信號電平稱為輸出三階截止點。注意：三階截

11、止點信號電平是不可能達到的，因為在這時早已超過微波單元電路的承受能力。線性相關概念思考題信號通過射頻通道時會產(chǎn)生哪些失真？非線性幅度失真主要用那些指標來衡量？解答信號在通過射頻通道（這里所謂的射頻通道是指射頻收發(fā)信機通道，不包括空間段衰落信道）時會有一定程度的失真，失真可以分為線性失真和非線性失真。產(chǎn)生線性失真的主要有一些濾波器等無源器件，產(chǎn)生非線性失真的主要有一些放大器、混頻器等有源器件。另外射頻通道還會有一些加性噪聲和乘性噪聲的引入。非線性幅度失真常用1dB壓縮點、三階交調、三階截止點等指標衡量。第三章 射頻基本概念辨析第一節(jié) 功率相關概念第二節(jié) 噪聲相關概念第三節(jié) 線性相關概念第四節(jié) 傳

12、輸線相關概念第五節(jié) 下行通道射頻指標第六節(jié) 上行通道射頻指標 傳輸線相關概念特征阻抗解釋：特征阻抗是微波傳輸線的固有特性，它等于模式電壓與模式電流之比。無耗傳輸線的特征阻抗為實數(shù)，有耗傳輸線的特征阻抗為復數(shù)。在做射頻PCB板設計時，一定要考慮匹配問題，考慮信號線的特征阻抗是否等于所連接前后級部件的阻抗。當不相等時則會產(chǎn)生反射，造成失真和功率損失。反射系數(shù)(此處指電壓反射系數(shù))可以由下式計算得出：傳輸線相關概念在目前世界上的微波通訊系統(tǒng)一般分為兩種特性阻抗，一種是50歐姆系統(tǒng)，如軍用的微波、毫米波通訊系統(tǒng)，雷達，我們目前開發(fā)的蜂窩通訊系統(tǒng)GSM、WCDMA等；另一種是75歐姆系統(tǒng)，這種系統(tǒng)相對比

13、較少，如我們目前使用的有線電視系統(tǒng)。傳輸線相關概念駐波比解釋：駐波系數(shù)式衡量負載匹配程度的一個指標，它在數(shù)值上等于：由反射系數(shù)的定義我們知道，反射系數(shù)的取值范圍是01，而駐波系數(shù)的取值范圍是1正無窮大。射頻很多接口的駐波系數(shù)指標規(guī)定小于2.0。駐波比惡化意味著信號反射比較厲害，也就是說負載和傳輸線的匹配效果比較差。所以在一個系統(tǒng)中，如果駐波比很差，可能會使信號傳輸效果變差，通道增益下降。一個比較典型的例子就是靈敏度問題。傳輸線相關概念回波損耗回波損耗也是射頻上用得比較多得一個名詞，它和前面得反射系數(shù)、駐波比都是用來反映端口得匹配狀況的。回波損耗表示端口的反射波的功率與入射波功率之比?；夭〒p耗與

14、反射系數(shù)的關系為： 回波損耗20log（）由公式可以計算：回波損耗為26dB時，對應的反射系數(shù)為0.05，駐波比為1.1。由此也可以估計一下，駐波為2時的回波損耗是多少（9.5dB），也就可以理解對于功放后級的駐波要求為何嚴格。思考題目前世界上的微波通訊系統(tǒng)一般分為哪兩種特性阻抗？由反射系數(shù)的定義，反射系數(shù)的取值范圍是？而駐波系數(shù)的取值范圍是？射頻很多接口的駐波系數(shù)指標規(guī)定小于多少？回波損耗定義？寫出回波損耗與反射系統(tǒng)的關系式方程。解答在目前世界上的微波通訊系統(tǒng)一般分為兩種特性阻抗，一種是50歐姆系統(tǒng)，另一種是75歐姆系統(tǒng)。由反射系數(shù)的定義我們知道，反射系數(shù)的取值范圍是01，而駐波系數(shù)的取值范

15、圍是1正無窮大。射頻很多接口的駐波系數(shù)指標規(guī)定小于2.0?；夭〒p耗表示端口的反射波的功率與入射波功率之比。回波損耗與反射系數(shù)的關系為：回波損耗20log（反射系數(shù)）第三章 射頻基本概念辨析第一節(jié) 功率相關概念第二節(jié) 噪聲相關概念第三節(jié) 線性相關概念第四節(jié) 傳輸線相關概念第五節(jié) 下行通道射頻指標第六節(jié) 上行通道射頻指標 下行通道射頻指標鄰道泄漏（ACLR）鄰道泄漏指標是用來衡量發(fā)射機的帶外輻射特性，定義：鄰道功率與主信道功率之比，通常用dBc表示，如下圖：射機的領道泄漏必然回對其他小區(qū)造成干擾，為了減小這種干擾，領道泄漏必須盡可能的小，WCDMA的要求是：第一鄰道（偏離載頻5MHz）的ACLR4

16、5dBC ；第二鄰道（偏離載頻10MHz）的ACLR 50dBC 。 下行通道射頻指標頻譜發(fā)射模板對于WCDMA而言，頻譜發(fā)射模板用于限制偏離發(fā)射載波中心頻率2.5MHz12.5MHz頻段內的雜散發(fā)射功率，下面以WCDMA協(xié)議3GPP TS 25.141 V3.6.0 (2001-06) 中規(guī)定的NodeB發(fā)射機的頻譜發(fā)射模板指標要求為例來說明：下行通道射頻指標下行通道射頻指標雜散輻射雜散輻射是指發(fā)信機在頻譜發(fā)射模板規(guī)定的頻率范圍之外的頻段內發(fā)射的、信號之外的其他信號，它包括諧波分量、寄生輻射、交調產(chǎn)物、發(fā)射機互調產(chǎn)物等。這些雜散輻射都會對其他的無線通信系統(tǒng)造成干擾，對該指標的規(guī)定是為了提高系

17、統(tǒng)的電磁兼容性能，以便與其他系統(tǒng)（如GSM）共存，當然這也保證了系統(tǒng)自身的正常運行，下面以WCDMA協(xié)議3GPP TS 25.141 V3.6.0 (2001-06) 中規(guī)定的NodeB發(fā)射機的雜散輻射模板指標要求之一為例來說明：下行通道射頻指標下行通道射頻指標思考題下行通道的鄰道泄漏定義？WCDMA系統(tǒng)的ACLR指標是如何定義的?對于WCDMA而言，頻譜發(fā)射模板用于限制偏離發(fā)射載波中心頻率多少MHz頻段內的雜散發(fā)射功率？雜散輻射的定義？定義該項指標的意義？解答鄰道泄漏指標是用來衡量發(fā)射機的帶外輻射特性，定義：鄰道功率與主信道功率之比，通常用dBc表示射機的領道泄漏必然會對其他小區(qū)造成干擾，為

18、了減小這種干擾，領道泄漏必須盡可能的小，WCDMA的要求是：第一鄰道（偏離載頻5MHz）的ACLR45dBC ；第二鄰道（偏離載頻10MHz）的ACLR 50dBC 。對于WCDMA而言，頻譜發(fā)射模板用于限制偏離發(fā)射載波中心頻率2.5MHz12.5MHz頻段內的雜散發(fā)射功率解答雜散輻射是指發(fā)信機在頻譜發(fā)射模板規(guī)定的頻率范圍之外的頻段內發(fā)射的、信號之外的其他信號，它包括諧波分量、寄生輻射、交調產(chǎn)物、發(fā)射機互調產(chǎn)物等。這些雜散輻射都會對其他的無線通信系統(tǒng)造成干擾，對該指標的規(guī)定是為了提高系統(tǒng)的電磁兼容性能，以便與其他系統(tǒng)（如GSM）共存，當然這也保證了系統(tǒng)自身的正常運行。第三章 射頻基本概念辨析第

19、一節(jié) 功率相關概念第二節(jié) 噪聲相關概念第三節(jié) 線性相關概念第四節(jié) 傳輸線相關概念第五節(jié) 下行通道射頻指標第六節(jié) 上行通道射頻指標 上行通道射頻指標接收靈敏度用功率表示Smin=10log（KTB）+ NF +（S/N），單位：dBmK是波爾茲曼常數(shù)，單位：J/K(焦耳/K)T表示絕對溫度，單位：KB表示信號帶寬，單位：HzNF表示系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，單位：dB（S/N）表示解調所需信噪比，單位：dB當B1Hz時，10log（KTB）-174dBm/Hz上行通道射頻指標雜散響應雜散響應也稱為寄生響應、寄生靈敏度。無線環(huán)境中存在多干擾信號，這些信號本身可以被系統(tǒng)濾波器慮掉，但是由于現(xiàn)在系統(tǒng)采用的接收機大都是超外差接收機，接收機接收到的能夠與本振組合產(chǎn)生中頻的信號很多，這樣的中頻信號和系統(tǒng)接收的中頻信號是同一頻率，系統(tǒng)的后級中頻濾波器是無法慮掉這些干擾的。其中除主接收信號外的其他頻點稱為寄生波道，該頻點產(chǎn)生的響應稱為寄生響應。左式中，當m=n=1，假設取負號時，fr為所要信號，則m、n的其他組合所得到的fr為寄生波道。上行通道射頻指標雜散響應的對系統(tǒng)的影響表現(xiàn)為：雖然系統(tǒng)工作