射频电路基础知识

1、射频电路基础知识射频电路基础知识 RF Circuit Basic Knowledge FCT Technician Training Material 射频电路基础知识 射频电路的应用和分类 (Application For RF Circuit) 射频电路的基本理论和参数定义 (Basic Theory and Parameter Define) 射频电路中的常用元件和功能 (General Components and Their Function) 射频测试中的常用仪器介绍 (General Instruments In RF Test) 1.1 射频电路应用和分类(a) 目前, 射频

2、(RF)电路主要用于通信系统中,如:手机(Cell Phone),无线局域网 (Wireless LAN),无线广播系统(电视和收音机)等;但也有其它方面的应用: 如雷达探测系统用远距离探测试,微波炉利用微波功率来加热食物. Line ( Coaxial Cable ) Digital Radio Satellite 1.2 射频电路应用和分类(b) 在RF通信系统中按照通信终端间是否有射频电缆连 接又可分为有线射频通信系统和无线射频通信系统 有线射频通信系统有:有线电视(CATV),通过有线电视线连接数 字连接的Cable Modem,通过电话线传输的数字用户回路(DSL), 包括ADSL,

3、HDSL,VDSL等. 1.无线射频通信系统的:无线电话(手机),无线传输的电视和收音机 广播系统,无线局域网(Wireless LAN),蓝牙(Blue Tooth)等 1.3 射频电路应用和分类(c) 按照通信系统中各终端间传输信号是数字信号还是模 拟信号又可分为模拟RF通信系统和数字RF通信系统: 模拟RF通信系统,相对于数字RF通信系统,模拟RF通信系统较为 落后,其抗干扰能力较弱,点用带宽较多,但系统较为简单,主要用 于较早开发的系统中,如:电视(当前制式),音频广播(收音机),第一 代的手机通信系统等. 1.数字RF通信系统,由于其有较多优点,已经广泛使用于多种通信 系统中,如Wi

4、reless LAN,GSM手机,蓝牙系统,卫星通信系统等. 1.4 射频电路应用和分类(d) 对于RF数字通信系统,根据数据速率的不同,可分为宽 带(高速)RF通信系统和窄带(低速)通信系统,一般将通 信速率大于2Mbits的通信系统称为宽带RF通信系统, 低于2Mbits的通信系统称为低速RF通信系统. 常见的宽带通信系统有微波帧中继系统,LMDS(Local Multipoint Distribute Service，本地多点分配业务)以及将来的3G手机系统 等. 1.常见的窄带通信系统有:蓝牙系统,2G手机系统,数字音频广播系 统(DAB),数字无绳电话网(DECT,Digital E

5、nhanced Cordless Telecommunications)等. 1.5 常见RF数字通信系统的速率和距离分布图 2 射频电路的基本理论和参数定义 射频(RF)电路的定义 传输线特性阻抗Z0 RF功率定义和计算 不连续端口的功率分布 双端口网络和S参数 信号调制方法 2.1 射频(RF)电路的定义 RF: Radio Frequency,本身没有严格的定义,目前一般 将在空间传播的频率从3k到300G的电磁波称为射频. 射频电路: 处理信号的电磁波长与电路或器件尺处于同 一数量级的电路可以认为是射频(RF)电路,此时由于器 件尺寸和导线尺寸的关系,电路需要用分布参数的相关 理论来处

6、理,这类电路都可以认为是射频电路,对其频率 没的严格的要求,如长距离传输的交流输电线(50或 60Hz)有时也要用RF的相关理论来处理. 2.2 传输线的特性阻抗Z0 RF传输线上的电压与电流比称为传输线的特性阻抗,由 于电压和电流都是矢量,所以特性阻抗Z0是一个与信号 频率相关的复数,它主要由传输线自身的分布参数决定: Z0=SQRT(R+jL)/(G+jC) 当传输线的损耗很小时,可以认为R=G=0,信号频率对特 性阻抗值影响很小,此时可以认为Z0为与频率无关的实 数: Z0=SQRT(L/C) 其中L和C为分布电感和分布电容. 目有多数测试系统传输线特性阻抗均设置为50. 2.3 RF功

7、率定义和计算 由于RF电路功率变化范围很大,传统的结性单位定义 很不方便,故使用对数单位.定义线路中功率为1mW时 为0dBm,由如下公式可以对对数功率和线性功率进行 互相转换: A=10 x(log10(B/1mW)=10 x(log10B)+30 (其中A为对数功率,B为线性功率) 线性功率为1W时, 对数功率为30dBm 线性功率为1uW时,对数功率为-30dBm 1.dBm为绝对功率,dB用来计算相对功率,主要用来计算 功率的改变量,如增益和损耗的单位. 2.4 不连续端口的功率分布(a) RF功率沿传输线经过阻抗不连续端口时,有与光通过不连续介面的 情况类似,入射功率会分成两部分:端

8、口吸收功率和反射功率. 定性的分析:当传输线阻抗与端口阻抗相差越大时反射功率越大,端 口吸收功率越小;反之当二者阻抗相差越小时,反射功率越小,端口 吸收功率越大. 考虑两种极限情况:输入端口阻抗为0或为无穷大时,端口完全无法 吸收功率,此时反射功率与入射功率相等,而端口吸收为0;当端口的 输入阻抗与传输线阻抗完全相同时,输入功率完全被端口吸收,反射 功率为0,此时我们称之为匹配(Match),实际电路中,为了让RF信号 沿着设计的路径通过,所有端口间应尽可能匹配! 2.4 不连续端口的功率分布(b) 反射系数:传输线上一点Z(端口)处反射信号电压(或电流)与入射信 号电压(或电流)之比定义为电

9、压(或电流)反射系数z,该参数由传输 线阻抗(Z0)和输入端口(Zi)阻抗决定: z=(Zi-Z0)/(Zi+Z0) 驻波比(VSWR):传输线上波腹点电压振幅与波节点电压振幅之比 为电压驻波比,或称为驻波系数. =|U|MAX/|U|MIN=(1+ |z|)/(1-| z|) 当反射系数为0时,驻波比为1,当反射系数接近1(实际情况下不可能 为1)时,驻波比取值接近无穷大 2.5 双端口网络和S参数(a) 我们可以将很多常用的RF电路简化为上图的双端口 网络模型,其中: 端口1为输入端口,端口2为输入端口; Zs为输入信号源阻抗,ZL为负载阻抗; a1为端口1输入功率,b1为端口1输出功率(

10、包括反射) 1.a2为端口1输入功率,b2为端口1输出功率(包括反射) 2.5 双端口网络和S参数(b) 定义: a1=S11a1+S21a2 b2=S12a1+S22a2 a2=0时: S11=b1/a1 S21=b2/a1 a1=0时: S22=b2/a2 S12=b1/a2 2.5 双端口网络和S参数(c) 双端口网络: S11=b1/a1,可以认为是双端口网络输出端匹配时输入 端口的反射系数. 双端口网络: S21=b2/a1,可以认为是双端口网络输出端匹配时的增 益(Gain,此时双端口网络为功率放大器)或插入损耗(Insertion Loss, 此时双端口网络为衰减器). 双端口网

11、络: S22=b2/a2,可以认为是双端口网络在输入端接上匹配 负载后输出端的反射系数. 双端口网络: S12=b1/a2,可以认为是双端口网络在输入端接上匹配 负载后的反向增益或反向插入损耗. 2.6 信号调制方法(a) 什么叫调制? 调制是将需要传输的信息编码和处理,使其适合传输的过程.一 般的调制过程是指将基带信号搬移到更高的频带内. 为什么需要调制? 基带信号一般不适合直接传输,需要将其移至适合在传输媒介传 输和频带范围内. 提高频率利用效率. 利用较高的频带传输信号可有效降低接收和发送天线的尺寸(如 语音信号不加以调制, 其最小波长(F=20KHz时)为15Km) 1.可让多个使用者

12、同时复用一个频段. 2.6 信号调制方法(b) Baseband Signal (Information: Data, Voice, Video) Analog InformationDigital Information CW Carrier AMFMPMASKFSKPSK Combination (QAM,CAP,) Analog ModulationDigital Modulation 2.6 信号调制方法(c) 模拟调制:被调制信号为模拟信号. 分为: 幅度调制(AM),频率调制(FM)和相位调制(PM) 数字调制:被调制信号为数字信号. 分为:振幅键控(ASK),频移键控(FSK),

13、相移键控(QSK), 开关键控调制(OOK)以及ASK与PSK的组合调制如 (DPSK,QPSK,8PSK等) 2.6 信号调制方法(d) 模拟调制: AM FM PM PM其实也是频率调制,只是调制时对频率的 控制精度更高,调制电路也较为复杂. 2.6 信号调制方法(e) 数字调制: ASK FSK PSK 1.OOK 2.6 信号调制方法(f)IQ调制 在ASK与PSK组合调制时,信号幅值和相位以极坐标表示(以原点为极 点)即可得出下图,其水平方向分量称为I,垂直方向分量称为Q. f f Magnitude Phase Vi Vq Q I 2.6 信号调制方法(g)BPSK Q I 0 S

14、tate 1 State BPSK Constellation Diagram 星座图 2.6 信号调制方法(g)QPSK Vi Vq Q I 0001 1011 4 Possible States 星座图 2.6 信号调制方法(g)8QAM Three bits per baud QAM (8QAM)Possible States and the Resulting Bit Stream for 8QAM 星座图 3 射频电路中的常用元件和功能 分路器(Splitter) 耦合器(Coupler) 衰减器(Attenuator) 终端(Terminator) 功率放大器(Power Ampl

15、ifier) 隔离器(Isolator) 3.1 RF分路器 分路器: 将一路输入信号分为两路或多路的无源RF器件, 多数情况下所有输出信号功率相等,特殊情况也有N:1分 路器,输入大功率信号时该器件称为功分器. 下图为Wilkinson分路器模型: 3.2 RF耦合器 耦合器: 将两路或多路RF信号耦合到一路信号中的器件, 该器件主要作于增加信号功率. RF电路中较常使用的一类既可用作分路器也可用作耦 合器的器件, 称为Hybrid,该器件用作分配器时除了分配 功率外还可改变输出信号的相位,但是用作耦合器时也 要将输入信号的相位错开. 3.3 RF衰减器(a) 衰减器:衰减器是一类无源双端口

16、器件,信号从一个端口进入,当信 号从另一端口输出时信号幅值会有一定的衰减,我们将输入信号与 输出信号的功率的差值(对数)称为衰减值,单位为dB(相对值) 衰减器另一重要的参数为输入信号功率,由于RF信号功率绝大多数 都会转化为热功率,因此较大功率的衰减器都会有散热片,并且功率 越大,体积越大. 3.3 RF衰减器(b) RF电路上常用的衰减器结构有T型和型两种,结构如下图所示: 衰减值计算: 定义:Rins 为输出短路时的输入电阻,Rino 为输出开路时的输入电阻. Ro=SQRT(Rins*Rino) m=R2/R1 A=(1+m+SQRT(1+2m)/m Atten.(dB)=20Log(

17、a) 3.3 RF衰减器(c) 步进衰减器和电可调衰减器 步进衰减器:如上图电路,将多个不同衰减器串连起来,通过开关有切换可 以得到不同的衰减值,这样的衰减器即为步进衰减器. 电可调衰减器:将上图的电路集成到芯片内部,再利用逻辑电路对和开关 进行控制,即可得到电可调衰减器,其衰减值可在线编程设定. 3.4 RF终端 终端(Terminator)是一个RF负载,无源器件,特性阻抗应 于RF电路的特性阻抗相同(一般为50),主要用来消耗 无用的RF功率,将其转化为热能. 与衰减器类似,由于散热方面的原因,较大功率的终端表 面布满散热片,并且额定输入功率越大,体积越大. 正常工作的终端表面温度较高,

18、使用时应注意以防烫伤. 3.5 RF功率放大器(a) 功率放大器是一类将RF信号幅值放大的有源器件,低频电路中的放 大电路使用方法类似,但使用时应注意输入输出阻抗匹配. 增益(Gain):在工作范围内,功率放大器输出信号与输入信号功率的(对 数)差值. 1dB压缩点:由于放大器本身特性和工作环境,随着功率放大器输入功 率增加到一定范围,放大器增益开始减小,当增益减小1dB时,此时的输入功 率称为1dB压缩点.该参数定义了放大器的工作范围. 噪声系数(Noise Figure):放大器输出信号的信噪比(信号与噪声的比 值)与输入信号信噪比的差值.由于放大器本身的噪声和环境噪声,输出信号 的信噪比

19、一定会比输入信号的信噪比差. 3.5 RF功率放大器(b) 功率放大器电路: 3.6 RF隔离器 隔离器是一种铁氧体磁性元件,是利用铁氧体材料的旋磁效应制成 的,其内部的射频信号只会沿一个特性的方向流动,即从端口1进去 的信号只会从端口2出来,端口2进去的信号只会从端口3出来,端口 3进出的信号只会从端口1出来. 使用如图所示的连接后, 端口1的功率会流到端口2,从 端口2反向流进的功率会在 端口3被电阻(终端)消耗,而不 会流到端口1,故实现信号的 单向流动,称为“隔离”.这 样有利于保护输出功率器件 (一般为放大器)被外界信号 破坏. 4 RF测试中的常用仪器 功率计(Power Mete

20、r) 信号发生器(Signal Generator) 频谱分析仪(Spectrum Analyzer) 网络分析仪(Network Analyzer) 4.1 功率计(a) 功率计是一种检测RF信号功率的仪表,因为RF信号有 Cable中会有较大的损耗,为了保证测试精度,功率计 分为两部分,一部分为机身,另一部分为探头. 实际使用中探头应尽可能靠近待测信号源. 常用RF功率探头有三种类型: 热敏电阻(Thermistor)传感器 热电偶(Thermocouple)传感器 1.二极管(Diode)传感器 4.1 功率计(b) 热敏电阻型功率传感器的优点是测试量精度度,但是动态范围窄,为-20dBm到+10dBm,此类传 感器不常被使用; 热电偶型传感器具有上述传感器的优点,并且具有较宽的动态范围,为-30 dBm 到+20dBm. 二极管型传感器的优点是灵敏度极高,可达到-70dBm,但检测功率超过-20dBm时,输出电压与输 入功率不再是线性相关的,需要使用其它方法配合才可测试更高的RF功率. 4.2 信号发生器 信号发生器是一类可以产生多种RF信号的仪器,在RF电 路测试中作为信号源来使用,我们可以设置信号发生器 输出