射频微波设计概论

1、1典型的GSM移动通信系统 2任何无线通信系统都包括发射机和接收机两个基本部分。发射机的功能是将信号调制到载波上，并由天线辐射出去。接收机的功能则相反，将天线接收到的加载在载波上的信号恢复出来。发射机和接收机由调制器、功率放大器、频率合成器、低噪声放大器、解调器、天线以及相关的滤波器、耦合器等有源、无源基本射频与微波电路单元构成。正确理解接收机、发射机电气特性的有关参数，对射频与微波电路设计十分重要。它是我们对各类有源、无源射频与微波电路提出要求的依据。3滤波器1限制输入信号的通带以减少互调干扰以及本振通过天线的辐射。低噪声放大器放大的信号与第一本振输出的信号同时加到混频器1，其输出的高中频信

2、号经高中频滤波器1滤波后被高中频放大器1放大。被放大的高中频信号与第二本振输出的信号经混频器2再次混频后，得到的低中频信号通过低中频滤波器2滤波后，最后送到检波器恢复出基带信号。 41灵敏度（Sensitivity）：接收机灵敏度衡量接收机检测微弱信号的能力，对于模拟接收机用信噪比（SNR）量度，对数字接收机则用误码率（BER）表示。2选择性（Selectivity）：接收机的选择性衡量接收机抗拒接收相邻信道信号的能力。要实现70-90dB选择性是很困难的。3Spurious response rejection: the ability of reject undesirable chann

3、el responses is important in reducing interference. This can be accomplished by properly choosing the IF and using various filters. Rejection of 70-80 dB is possible.4Intermodulation rejection: the receiver has the tendency to generate its own on-channel interference from one or more RF signals. Tho

4、se interference signals are called intermodulation (IM) products. Greater than 70 dB rejection is normally desirable.5频率稳定性（frequency stability）：本振的频率稳定性对于降低频率调制，相位噪声十分重要。常用的频率稳定技术有介质谐振器、锁相环、频率综合器等。6辐射（radiation emission）：本振信号经过混频器泄漏到天线并经天线辐射到自由空间引起的干扰务必低于FCC规定的电平。5接收机动态范围是指接收机可检测的最小信号与在失真允许情况下能接收的最

5、大信号的范围。最小可检测信号受限于接收机噪声在失真允许情况下最大接收信号取决于接收机的饱和输出特性。如果输入功率低于动态范围的下限，噪声将占主导地位。如果输入功率超过动态范围的上限，输出开始饱和。接收机动态范围是设计射频与微波电路的重要依据之一。实际系统（混频器、放大器）1dB压缩点 6接收机噪声来自两个方面，一是天线接收到的噪声，二是接收机自身产生的噪声。天线接收到的噪声包括天空噪声（sky noise），大气噪声（atmospheric noise），地球噪声（earth noise）、银河噪声（galactic noise）和人工噪声（man-made noise）。天空噪声的噪声功率可

6、表示为式中B是带宽，k = 1.381023 J/K，是波尔兹曼常数。TA是天线噪声温度。大气噪声源于闪电等因素，在10KHz附近最强，频率超过20MHz一般可忽略。银河噪声来自遥远的天体，其最大值在20MHz附近，到500MHz可忽略。人工噪声源多种多样。任何电路断开与合上时，在电路上产生的瞬时脉冲都是人工噪声源，从通信、广播、电视、雷达、系统以至输电线的电磁辐射被天线接收后都可看作对有用信号的干扰。接收机自身产生的噪声包括放大器、滤波器、混频器、检波器各级产生的噪声。接收机内部噪声限制了接收机检测的最小信号。信号强度必须大于噪声一定强度才能被检测到。BkTNA71热噪声（Thermal,

7、Johnson, or Nyquist noise）：电阻热噪声源于束缚电荷的随机起伏。在通带B范围内热电阻噪声电压的均方值为式中k为波尔兹曼常数；T是电阻器的绝对温度，单位K；B是带宽，单位为Hz；R是电阻，单位为。热噪声分布与频率无关，也叫做白噪声。2闪粒噪声（shot noise）：闪粒噪声源于真空电子管、固态器件发射电子的起伏。31/f噪声（Flicker or 1/f噪声）：顾名思义，1/f噪声与频率成反比，从1Hz到100MHz范围内1/f噪声才是重要的。超过100MHz热噪声起主要作用。kTBRVn428接收机输出信号的质量可用信噪比（Signal-to-noise ratio,

8、 SNR）表示（1.1）信号可检测，要求信噪比大于3dB。对于移动电话，S/N要求大于15dB。对于固定电话要30dB，电视要40dB，而对于高保真音乐则要60dB。对于雷达系统，高的信噪比就相当于高的检测概率低的虚警概率。如果信噪比达到16dB，检测概率可达到99.99%而虚警概率低于106。无用的噪声功率电平有用信号功率电平NS9接收机可用一个二端口网络表示。对于任何一个二端口网络，噪声系数F的定义是噪声系数常用分贝表示，记为NF。对于增益为G的二端口网络输出噪声No应为N0 = GNi +网络产生的噪声Nn。网络产生的噪声Nn为 （W） 故所以 （W）故以分贝表示的输出噪声等于输入噪声N

9、o(dB)加上噪声系数F(dB)和增益G(dB)。Ni = kTBFGNnNoSoSiooiiNSNSF/输出端信噪功率比输入端信噪功率比ioGSS ionGNNNiooiiiGNNNGSNSF/ioFGNN10噪声系数要只反映器件本身噪声性能，而与输入噪声无关，故噪声系数的定义应基于标准噪声源Ni。 （W）式中k是波尔兹曼常数，T = 290K（室温），B是带宽。因此噪声系数F成为Ni = kTBFGNnNoSoSikTBNiGkTBNFo11对于N个二端口网络级连组成的系统，其总的噪声系数为 N个网络的级连由此可见，第一级的增益、噪声系数对总链路的噪声系数起决定作用。注意式中G、F是功率比

10、。对损耗为L（以功率比表示）的无源器件，G = 1/L，F = L。121213121111nnGGGFGGFGFFFF1G1F2G2F3G3Fn1Gn1FnGn12例题：计算如图1-5所示两级放大器的总噪声系数。 级连放大器解：F1 = 3dB = 2，F2 = 5dB = 3.162，G1 = 20dB = 100，G2 = 20dB = 100， dB注意FF1，因为第一级放大器有较高增益。(需要换算为dB) !F1 = 3 dBG1 = 20 dBF2 = 5 dBG2 = 20 dB06. 31001162. 321121GFFF13等效噪声温度定义为式中To = 290K，F以功率

11、比表示，所以因此级连放大器的等效噪声温度可表示成Ten是n级以K表示的等效噪声温度。oeTFT1oeTTF1121213121neneeeeGGGTGGTGTTT14混频器、放大器以至整个接收机通常工作于线性区域，即输出功率与输入功率呈线性关系，其比例系数就是转换损耗或转换增益。线性工作时，输入功率的变化范 围 ， 称 为 动 态 范 围（dynamic range, DR）。如果输入功率超过动态范围的上限，输出开始饱和；如果输入功率低于动态范围的下限，噪声将占主导地位。实际系统（混频器、放大器）1dB压缩点 动态范围定义为1dB压缩点（1dB compression point）和最小可检测

12、信号（Minimum Detectable Signal, MDS）之间的区域。既可用输入功率表示，也可用输出功率表示。15匹配电阻负载的噪声电平为如果假定T为室温（290K），带宽为1MHz，则最小可检测信号（MDS）定义为比噪声功率高3dB的电平，故MDS = 114dBm + 3dB = 111dBm所以在室温及1MHz带宽条件下最小可检测信号（MDS）为111dBm (9.741012mw)kTBNidBmmwkTBNi114104log10log1012实际系统（混频器、放大器）1dB压缩点 16对于转换损耗为Lc的混频器注意式中PD、Pout都以dBm表示，而G、Lc以dB表示。P

13、out是1dB压缩点输出功率，PD则是1dB压缩点对应的输入功率。dBGPPoutD1dBLPPcoutD1当中频输出功率与线性时相比减小1dB，或转换损耗增加1dB的点就叫做1dB压缩点。此1dB压缩点就定义为动态范围的上限。对于增益为G的放大器或接收机在1dB压缩点，以dBm计的输入信号功率或驱动功率（PD）由图可见为：实际系统（混频器、放大器）1dB压缩点17式中IP3为二个信号输入时三阶交截点（Third-order two-tone intercept），将在下节讨论。 MDSPDRDMDSGIPDRsf332实际系统（混频器、放大器）1dB压缩点根据前面定义的1dB压缩点以及增益、

14、带宽、噪声系数，动态范围DR就是1dB压缩点输入信号功率电平与最小可检测输入信号电平之差，即注意，PD和MDS用dBm表示，DR则是dB。当不止一个信号加到输入端时，动态范围定义为“spurious-free region”，如果输入信号电平相等，“spurious-free”动态范围DRsf18当两个频率为f1、f2的信号源或更多频率的信号源加到一个非线性器件时，原则上将会产生多个交调分量（Intermodulation (IM) products），并可分为二阶交调分量 ，三阶交调分量 ，以及更高阶交调分量。 两信号输入时产生的新的频率分量fIF1和fIF2是需要的中频输出信号，fIM1和

15、fIM2是三阶交调信号。两信号输入时三阶交调分量特别受到关注，因为它有可能落在中频带通范围内。Mixer or receiverfLOfIF1fIF2fIM1fIM2f1, f2 , 2 , 1 , 0,21nmnfmf21ff 12212 ,2ffff19产生三阶交调的过程是，输入信号f1和f2混频，再跟本振差拍，得到（1.4）注意频率间隔为这些三阶交调信号幅度相对较大，且又很难用滤波器从中频输出信号（fIF1, fIF1）中滤除，要特别予以重视。1212IMLffffo2122IMLffffo11IFLfffo22IFLfffo22211121IMIFIFIFIFIMfffffffffIM

16、2fIM1fIF2fIF1fLOf2f1FrequencyIF bandwidthRFbandwidth20混频器或接收机对三阶交调信号的抑制程度可用三阶交截点度量。三阶交截点反映了所研究系统线性特性。在线性工作区，如果输入信号功率增加1dB，中频输出信号功率也增加1dB，而IM3增加3dB，即三阶交调线斜率与所要求输出信号线斜率之比为3:1。当多级电路级连时，系统总的三阶交截点计算步骤如下：1把所有交截点转换到系统输入端，转换规则是减去以dB计的增益，加上以dB计的损耗。2交截点功率用dBm表示。3假定所有交截点彼此独立互不相关，则总的IP3input为 mw(1.5)4将以mw表示的IP3

17、input用dBm表示。 nIPIPIPIPinput312311311321计算下图所示射频系统总的IP3。解：将各级交截点转换到输入端射频系统（L损耗，G增益，LC转换损耗）所以系统总的IP3为 mwdBmIPIPIPIPIP93. 207. 493. 2log1095.19198. 311 .25111log104313312311311log103或22发射机一般包括振荡器、调制器、上变频器、滤波器、功率放大器。最简单的发射机可能只有一个振荡器，复杂的发射机还包括锁相环或频率合成器信号对振荡器的调制方式有振幅调制（AM）、相位调制（FM、PM）或数字调制振荡器输出功率也可上变频到更高的

18、频率，功率放大器用来提高高频输出功率。为了减小相位噪声可用锁相环将振荡器相位锁定，或用频率合成器代替一般的振荡器。锁相环、频率合成器都基于高频率稳定度的晶振。InformationPower amplifiersModulatorFilterUpconverterOscillatorFilter23表示振荡器的特征参数有：1输出功率与工作频率（power output and operating frequency）2效率（efficiency）有两种定义，一种是直流到射频（dc-to-RF）转换效率，定义为另一种定义叫做功率附加效率PAE（power added efficiency），其定

19、义为Pout、Pin分别为射频输出、输入功率。3输出功率随频率变化（power output variation）4频率调谐范围（frequency tuning range） 频率调谐可以通过电的也可通过机械的方法实现。5稳定性（stability） 稳定性指当振荡器/发射机经受某种电的或机械扰动后回到原先工作点的能力。%100dcRFPP%100dcinoutPPPInformationPower amplifiersModulatorFilterUpconverterOscillatorFilter246电路品质因数（circuit quality(Q) factor）：指振荡器谐振电路的固有品质因数以及有载品质因数。7噪声（noise）有AM、FM噪声，还有相位噪声。8频率波动（frequency variations）：包括频率跳变