第13章-射頻微波系統(tǒng)

第13章

射頻/微波系統(tǒng)

13.1射頻發(fā)射機的基本知識

13.2射頻接收機的基本知識

13.3全雙工系統(tǒng)

13.4雷達基本原理

13.5通信基本原理

13.1射頻發(fā)射機的基本知識 13.1.1發(fā)射機基本參數(shù) 發(fā)射機的基本參數(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、溫度頻率穩(wěn)定度、時間頻率穩(wěn)定性、頻率負載牽引變化、壓控調(diào)諧范圍等,相關(guān)單位為MHz、GHz、ppm、MHz/V等。 (2)功率:與功率有關(guān)的指標有最大輸出功率、頻帶功率波動范圍、功率可調(diào)范圍、功率的時間和溫度穩(wěn)定性,相關(guān)單位為mW、dBm、W、dBW等。 (3)效率:供電電源到輸出功率的轉(zhuǎn)換效率。這一參數(shù)對于電池供電系統(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。工程實際中,基波與諧波兩個功率dBm的差為dBc。 (6)雜波抑制:除基波和諧波外的任何信號與基波信號的大小比較。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。 13.1.2發(fā)射機基本結(jié)構(gòu) 要發(fā)射的低頻信號（模擬、數(shù)字、圖像等）與射頻/微波信號的調(diào)制方式有三種可能形式： (1)直接產(chǎn)生發(fā)射機輸出的微波信號頻率,再調(diào)制待發(fā)射信號。在雷達系統(tǒng)中常用脈沖調(diào)制微波信號的幅度,即幅度鍵控。調(diào)制電路就是PIN開關(guān)。調(diào)制后信號經(jīng)功放、濾波輸出到天線。 (2)將待發(fā)射的低頻信號調(diào)制到發(fā)射中頻（如70MHz）上,與發(fā)射本振（微波/射頻）混頻得到發(fā)射機輸出頻率,再經(jīng)功放、濾波輸出到天線。在通信系統(tǒng)中常用此方案。 圖像通信中,一般先將圖像信號先做基帶處理（6.5MHz）,再進行調(diào)制。

(3)將待發(fā)射的低頻信號調(diào)制到發(fā)射中頻（如70MHz）上,經(jīng)過多次倍頻得到發(fā)射機頻率,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)射機典型電路如圖13-1所示,可分成九個部分: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。圖13-1基本射頻前端發(fā)射機電路 這些電路單元在前面均有介紹。放大器的基本原理與設(shè)計方法可參考第8章,濾波器的基本原理與設(shè)計方法可參考第7章,振蕩器可參考第9章和第10章,天線在第12章有詳細描述。在電路單元中還會用到耦合器、隔離器、匹配電路或衰減器等。一個發(fā)射機系統(tǒng)就是前面所學知識的組合。

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是中頻信號的振幅,fIF為中頻信號的頻率,ULO是載波信號的振幅,fLO是載波信號的頻率。

（13-1）

圖13-2發(fā)射混頻器的基本電路

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頻率應是載波與IF頻率的和或差,即fRF=fLO±fIF。根據(jù)發(fā)射機指標和系統(tǒng)參數(shù)取和頻或差頻,利用射頻輸出端的濾波器實現(xiàn)端口間的隔離。主要的噪聲信號有:鏡頻信號fim=fLO+2fIF;載波信號的諧波nfLO,n為正整數(shù);邊帶諧波信號

fsb=fLO±m(xù)fIF

這些噪聲需要特別加以抑制處理。

2.上變頻器的主要技術(shù)參數(shù)的定義和測量 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,單位為dBm;PRF為混波器RF輸入端的輸入信號功率,單位為dBm;Lc是混波器輸入信號頻率fRF=fLO+fIF時的變頻損耗,單位為dB;B是混波器輸入信號頻率fRF=fLO+0.5fIF時輸出端頻率為2fIF的信號功率,單位為dBm混頻器的IP2測量電路與頻譜示意圖如圖13-3(a)、(b)所示。（13-3）

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,Pin是混頻器輸入端的輸入信號的功率,Δ是混頻器輸出信號與內(nèi)調(diào)制信號的功率差(dB)。 混頻器的IP3測量圖及頻譜示意圖如圖13-4(a)、(b)所示。 圖13-3混頻器的IP2測量電路與頻譜(a)混頻器的IP2測量電路；(b)混頻器的IP2頻譜圖圖13-4混頻器的IP3測量電路與頻譜(a)混頻器的IP3測量電路；(b)混頻器的IP3頻譜圖 4)1dB壓縮功率P1dB 功率放大器的1dB壓縮功率是發(fā)射機最大發(fā)射功率的主要參數(shù)。對于放大器,P1dB是線性放大的最大輸出功率,其定義如圖13-5(a)、(b)所示。圖13-51dB壓縮和線性動態(tài)范圍(a)放大器的PSAT,P1dB和1dB功率壓縮點；(b)放大器的1dB壓縮和線性LDR關(guān)系圖13.2射頻接收機的基本知識 13.2.1射頻接收機基本參數(shù) 射頻接收機的基本參數(shù)介紹如下： (1)接收靈敏度: 描述接收機對小信號的反應能力。對于模擬接收機,滿足一定信噪比時的輸入信號功率;對于數(shù)字接收機,滿足一定誤碼率時的輸入功率。一般情況下接收靈敏度在－85dBm以下。

(2)選擇性: 描述接收機對鄰近信道頻率的抑制能力。不允許同時有兩個信號進入接收機。一般地,隔離指標在60dB以上。 (3)交調(diào)抑制: 接收機會有雙頻交調(diào)失真。在發(fā)射機和功率放大器中,大信號時會出現(xiàn)三階互調(diào)失真。一般要求交調(diào)抑制在60dB以上。 (4)頻率穩(wěn)定度:描述接收機的本振信號的頻率穩(wěn)定度,影響接收機的中頻信號的質(zhì)量。 (5)本振輻射:由于混頻器的隔離不好,本振信號進入接收信號通路,通過天線輻射,引起系統(tǒng)的三階交調(diào)失真加重。 13.2.2接收機基本結(jié)構(gòu) 接收機幾乎都是超外差形式,即本振信號與接收信號進行混頻,得到中頻信號,經(jīng)放大處理后解調(diào)信號。 1.基本電路 基本射頻前端接收機基本電路構(gòu)成如圖13-6所示。

圖13-6基本射頻前端接收機基本電路 天線接收空間信號,射頻濾波器通過預定波道頻率阻止鄰近波道信號。高頻放大器是小信號低噪聲放大器,其性能影響整機噪聲系數(shù)和接收靈敏度。本振信號有足夠的功率以驅(qū)動混頻器,一般地,本振功率在7dBm以上。中頻放大器的靈敏度一般在－60dBm以下,這是一個節(jié)點。接收機的調(diào)試要分段進行,每一大段都是對的,才能保證接收機工作正常。 2.其他形式的接收機 為了提高接收機的接收靈敏度,現(xiàn)代接收機采用二次混頻方案,如圖13-7所示。圖13-7二次混頻接收機 13.2.3接收機靈敏度 接收機靈敏度的定義為 （13-6）式中,K＝1.38×10-23J/°K,是波爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度;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)(13-8)(13-9)(13-10)

公式中變量說明如下: Fi為第i級的噪聲系數(shù)；Gj為第i級的增益;Fi為鏡像頻率下的單級噪聲系數(shù);Gj

為鏡像下的單級增益,G0=1；N為接收機的總級數(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為邊帶頻率的總個數(shù)；N為包含混頻器在內(nèi)從接收端至混頻器的總級數(shù)。

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)計所要的部分解調(diào)出有用信號。 13.2.4接收機靈敏度計算實例 某接收系統(tǒng)各級增益及噪聲系數(shù)列于表13-1中。

表13-1接收機指標分配實例

其他相關(guān)指標特性如下：RF-BPF2鏡像衰減量為10dB,等效噪聲頻寬為Bw=12kHz,LO輸出功率為PLO=23.5dBm,LO單邊帶相位噪聲為WNsb=-165dBc/Hz,帶通濾波器響應參數(shù)為0.0dB@fLO±fIF、10.0dB@2fLO±fIF、20.0dB@3fLO±fIF，混頻噪聲均衡比(MixerNoiseBalance)為30.0dB@fLO±fIF、25.0dB@2fLO±fIF、20.0dB@3fLO±fIF,系統(tǒng)的實測信噪比為SNR=6dB(3.981)。計算過程如下： 步驟一：求Fin1。由上述公式可計算出表13-2所列結(jié)果。表13-2

Fin1的計算

故可得： 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)。表13-3Fin2的計算1表13-4

Fin2的計算2

故可得

步驟三：

求Fin3

(見表13-5)。

表13-5

Fin3的計算

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:FＴ=Fin1+Fin2+Fin3=8.418+0.63+5.62=14.668

步驟五：

求接收靈敏度: 13.2.5接收機的選擇性 接收選擇性亦稱為鄰信道選擇度ACS,是用來量化接收機對相鄰近信道的接收能力。當今,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)計中的重要性。這個參數(shù)經(jīng)常限制系統(tǒng)的接收性能。 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對應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Δ與鄰信道頻率的差值,單位為Hz；Sp為本地振蕩信號與出現(xiàn)在頻率為fLO+Δ處的鄰信道噪聲的功率比，單位為dBc;PNSSB

(dBc/Hz)是本地振蕩信號在差頻Δ處的相位噪聲,單位為dBc/Hz,如圖13-8所示。

(13-11)圖13-8本地振蕩的頻譜 13.2.6接收雜波響應 從中頻端觀察,所有非設(shè)計所需的雜波信號皆為噪聲信號,而大部分的接收噪聲信號來源于RF與LO的諧波混頻。在實際應用中,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、LO與IF三端頻率的相互關(guān)系為

較常出現(xiàn)的接收雜波響應有下列三項:鏡頻fRF±2fIF、半中頻fRF±(fIF/2)、中頻fIF,如圖13-9所示。(13-12)圖13-9常見的接收雜波響應 在雙工收發(fā)機中,即發(fā)射與接收同時作用時,還會再多出現(xiàn)兩項雜波,如圖13-10所示。

圖13-10雙工接收的雜波 13.2.7接收互調(diào)截止點 互調(diào)截止點是射頻/微波電路或系統(tǒng)線性度的評價指標,由此可推算出輸入信號是否會造成失真度或互調(diào)產(chǎn)物。接收機的互調(diào)定義與功放或發(fā)射機的互調(diào)定義類似,如圖13-11所示。

圖13-11n階互調(diào)截止點 1.二階互調(diào)截止點IP2 IP2是用來判斷混頻器對半中頻噪聲的抑制能力的主要參數(shù)。對于一個接收系統(tǒng)中混頻器的輸入二階互調(diào)截止點IP2INPUT的計算方式為(13-13) 計算實例： 計算如圖13-12所示接收系統(tǒng)的IP2。已知參數(shù)見表13-6。

圖13-12接收系統(tǒng)的IP2計算實例表13-6已知條件 由式(13-13)可得 IP2INPUT=40-(-2+10-3)+2×(10+0+15)=85dBm 2.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接收機的混頻器IP2INPUT=50dBm,系統(tǒng)的接收靈敏度S

=-115dBm,同信道抑止率CR=5dB,由式(13-14)可計算出此接收器的半中頻雜波抑制度為

(13-14) 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)會降低混頻器的雜波抑制度,降低的值為

其中n為雜波響應的階數(shù)(n>1)。對半中頻而言,n=2。

4.三階互調(diào)截止點IP3 IP3是用來決定接收系統(tǒng)抵御內(nèi)調(diào)制失真的能力,計算步驟如下： (1)繪出系統(tǒng)的電路方塊圖,并標明各級的增益(單位為dB)、三階互調(diào)截止點(單位為dBm)。對于濾波器和衰減器,IP3=∞。 (2)換算出各級的等效輸入互調(diào)截止點,公式如下: 式中,IPn是第n級的等效輸入三階互調(diào)截止點,單位為dBm；IP3n是第n級的三階互調(diào)截止點,單位為dBm；Gi是各級的增益,單位為dB。 (3)將各級的等效輸入互調(diào)截止點(IPi)的單位從dBm換算成mW： IPn(mW)=10IPn(dBm)/10 (4)假設(shè)各級的輸入互調(diào)截止點皆獨立不相關(guān),則系統(tǒng)輸入三階互調(diào)截止點為各級的輸入互調(diào)截止點的并聯(lián)值,即 (5)將系統(tǒng)輸入三階互調(diào)截止點(IP3INPUT)的單位從mW換算成dBm: IP3INPUT（dBm）=10lg(IP3INPUT（mW）) 計算實例： 以圖13-13為例,計算系統(tǒng)輸入三階互調(diào)截止點IP3INPUT。已知條件見表13-7。

圖13-13接收系統(tǒng)的IP3計算實例表13-7已知條件 依據(jù)式(13-16),計算得 IP3INPUT=8.02mW=9.04dBm 5.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,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。

(13-17) 計算實例： 假設(shè)前例接收系統(tǒng)的S=-115dBm,CR=5dB,則其內(nèi)調(diào)制抑制率為 IMR=(2×9.04-2×(-115)-5)=81dB13.3全雙工系統(tǒng) 在現(xiàn)代發(fā)射機和接收機系統(tǒng)中,通常使用一個天線工作。發(fā)射信號和接收信號靠雙工器分開,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,兩個濾波器的中心頻率不同,同時工作,互不影響,這個電路就是移動通信手機的工作方式。圖13-14兩個雙工系統(tǒng)13.4雷達基本原理 雷達用于無線電探測與測距。其基本原理是發(fā)射電磁波,檢測由目標反射回來的回波信號,判斷目標的位置或形狀、運動特征。雷達的基本構(gòu)成是發(fā)射機、接收機和天線。距離由回波時間確定,方位由回波方向確定,運動速度由回波的多普勒頻移確定。 實際的雷達系統(tǒng)要復雜得多。要針對不同用途,設(shè)計某些特定指標和功能。通常雷達的波束窄,頻帶窄,功率大。雷達分類如下： (1)按安裝位置分：機載、地面、艦載、空間、導彈等。 (2)按功能分：搜索、跟蹤、搜索和跟蹤。 (3)按應用分：交通管理、氣象、避讓、防撞、導航、警戒、遙感、武器制導、速度測量等。 (4)按波形分：脈沖、脈沖壓縮、連續(xù)波、調(diào)頻連續(xù)波等。 13.4.1雷達方程 圖13-15所示的雷達的基本結(jié)構(gòu)由發(fā)射機、接收機、天線和目標組成。發(fā)射功率為Gt,回波為Gr,天線增益為G＝Gt＝Gr,天線有效面積為Ae＝Aet＝Aer,目標散射截面為σ,則回波功率為 這就是雷達方程。它給出了目標距離與雷達發(fā)射功率,天線性能和目標特性之間的關(guān)系。(13-18)圖13-15雷達基本原理 如果給定最小可檢測功率Si,

min,就可得到雷達的最大作用距離為 接收靈敏度Si,

min與接收機噪聲系數(shù)有關(guān),即(13-19)(13-20) 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(13-21)(13-21) 計算實例: 已知35GHz脈沖雷達指標如下,計算最大作用距離。(目標直徑為1cm。) Pt=2000kW,T=290K,G=66dB,（S0/N0）min=10dBB=250MHz,Lsys=10dB,F=5dB,n=10 已知條件換算成雷達方程內(nèi)所用形式為 Pt=2×106W,T=290K,G=66dB＝3.98×106（S0/N0）min=10dB=10,B=2.5×108HzLsys=10dB=10,F=5dB=3.16,n=10 σ＝4.45×10-5m2,

k=1.38×10-23J/K

代入式(13-22),可算得Rmax=35.8km。 從式(13-22)中可以看出,回波功率隨距離按4次方變化,目標越近,回波功率急劇增大。回波還與天線、系統(tǒng)損耗和目標散射截面有關(guān)。 13.4.2雷達散射截面σ（RCS） 不同目標形狀對不同頻率的信號的回波特性不同。考慮圖13-16所示兩種形狀的目標,從電磁波的幾何特性就可估計到回波功率不同。

圖13-16雷達散射截面 目標的雷達散射截面與工作頻率和目標結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過Maxwell方程在給定邊界結(jié)構(gòu)下的嚴格求解可以得到目標的RCS。對于簡單結(jié)構(gòu)可以較為嚴格地求解,大部分情況下要進行數(shù)值計算,結(jié)合測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。表13-8人體在不同頻率下的RCS 在厘米波段,常見物體的RCS的近似值如表13-9所示。表13-9厘米波段常見物體的RCS近似值 雷達散射截面RCS還可以用dBSm表示,即散射截面相對于1m2的dB值,如10m2就是10dBSm。 13.4.3脈沖雷達 脈沖雷達在測距方面用途很廣。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)射脈沖之間的時間差tR與距離和光速c的關(guān)系為(12-23)(12-24) 可以想象,tR必須小于Tp,也就是說最大可測距離