第一章 射频电路导论

第一章射频电路导论1.1射频电路的应用1.2射频电路的非线性特点1.3本书的主要内容、组织结构和学习要求本章小结思考题和习题“射频”一词的英文为“radiofrequency”，即无线电频率。为了实现无线电远程传输信息、无线电探测和测距、无线电近距离组网和数据传输以及无线电无接触识别等功能，人们先后发明和发展了无线电远程通信、雷达、蓝牙和射频识别等技术设备。包含晶体管、场效应管等有源器件的电路称为电子线路。实现无线电的发射、接收以及信息的加载和提取的电子线路称为射频电路。

表1.1列出了目前常用的无线电频率的划分和使用情况。射频可分为以下三类：

（1）低于300kHz的为低频范围，包括极低频、超低频、特低频、甚低频和低频五个频段；

（2）300kHz～300MHz为高频范围，包括中频、高频和甚高频三个频段；

（3）频率高于300MHz的范围为微波范围，包括特高频、超高频和极高频三个频段。射频可分为以下三类：

（1）低于300kHz的为低频范围，包括极低频、超低频、特低频、甚低频和低频五个频段；

（2）300kHz～300MHz为高频范围，包括中频、高频和甚高频三个频段；

（3）频率高于300MHz的范围为微波范围，包括特高频、超高频和极高频三个频段。1.1射频电路的应用

虽然射频电路系统的具体设备多种多样，组成和复杂程度不同，但系统的最基本结构相同，如图1.1.1所示，包括发射机和接收机两个主要部分。图1.1.1射频电路系统的最基本结构图1.1.1中，信道即无线电波的传输媒质，如空气、真空、海水、地表。

发射机的作用是把发射端用户要发送的信息经过输入变换器，变换为电信号，如话筒的语音、摄像头的图像和各种传感器的感应信号读数，都要变换为电压或电流，这样的电信号称为基带信号。接下来，为了适合在信道传输，发射机需要根据信道的特点（如信道对各种频率的无线电波的反射和衰减），把基带信号经过发射变换器，生成适合信道传输的频带信号。接收机和发射机的功能与工作顺序正好相反。首先，置于信道中的天线从无线电感应出频带信号，再通过接收变换器，从频带信号中恢复基带信号，基带信号最后经过输出变换器，产生语音、图像和传感器的感应信号读数，分别通过扬声器、显示器、液晶面板提供给接收端用户。1.1.1无线电远程通信

无线电远程通信起始于意大利人马可尼从1895年开始的室外电磁波通信实验，最初的目的是实现无线电报。经过100多年的发展，无线电远程通信从无线电报发展到无线电广播、

电视、移动通信等，逐步覆盖了陆地、海洋和太空，从固定通信发展到移动通信，从模拟通信发展到数字通信。无线电广播、电视和移动通信使用的无线电频率为300kHz~3000MHz。图1.1.2给出了无线电广播和电视系统的基本结构。图1.1.2无线电广播和电视系统的基本结构(a)发射机；(b)接收机发射机中，语音和图像经过输入变换器，如话筒和摄像机，转换为基带信号，又经过低频放大器，获得足够的功率，成为调制信号。振荡器产生频率稳定度较好的信号，经过倍频器后，获得符合信道传输要求的高频信号，再经过高频放大器，得到足够的功率，成为载波。接下来，调制器用调制信号改变载波的参数，如振幅、频率或相位，使输出信号参数反映调制信号的变化规律，从而携带了调制信号的信息，成为高频已调波。最后，高频已调波经过功率放大器，获得足够的功率，送上天线发射。接收机中，天线的感应电流首先经过输入回路，输入回路从诸多信号中选择输出需要接收的高频已调波，经过高频放大器提高其功率。本地振荡器产生一个本振信号。混频器输出的中频已调波的频率等于本振信号的频率和高频已调波的频率之差，但是中频已调波的参数变化规律和高频已调波一样，仍然携带了调制信号的信息。接收不同频率的高频已调波时，本振信号的频率随之调整，以保证中频已调波的频率不变，这样中频放大器的工作频率和增益就不需要随时调整，便于电路性能的优化，这种接收方式称为超外差接收。1.1.2雷达

根据其使用的无线电的波长，雷达分为米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和毫米波雷达，频率

范围为3MHz~300GHz。

图1.1.3给出了脉冲雷达系统的基本结构。

图1.1.3脉冲雷达系统的基本结构脉冲雷达系统中，振荡器产生频率精确且稳定度很高的基准信号。定时器根据基准信号产生系统的各种同步脉冲和时钟信号。频率合成器根据基准信号产生调制脉冲信号、本振信号和相位参考信号。在发射阶段，调制脉冲信号经过功率放大器获得足够的功率，通过收发开关送上天线发射。此时，收发开关关闭接收机，避免大功率的调制脉冲信号泄漏到接收机。在接收阶段，收发开关打开接收机，高频目标回波进入高频放大器提高其功率，再输入混频器中与本振信号混频，输出中频目标回波，经过相参检波器，得到反映运动目标多普勒频移的正交信号I、Q，送入目标数据处理器。1.1.3蓝牙

蓝牙工作在全球通用的2.4GHz工业、科学和医学(ISM)

频段，采用高斯频移键控（GFSK）调制，利用时分双工传输方案，最大数据传输速率为1Mb/s，最大传输距离为10m,支持点对点及点对多点通信，通过采用跳频、短数据包和自适应发射功率来进行调节以提高抗干扰能力，系统最大跳频速率为1600跳/s，在2.402~2.480GHz之间采用79个间隔1MHz的频点。图1.1.4给出了一种蓝牙无线电单元的基本结构。蓝牙无线电单元包括基带处理器和无线电收发器。基带处理器用来实现系统同步时钟，发射数据和接收数据的准备和处理，无线电收发器的控制（如发射功率调节和跳频选择）以及与蓝牙主机的数据交换等。图1.1.4一种蓝牙无线电单元的基本结构无线电收发器中，鉴相器、环路低通滤波器和压控振荡器构成频率合成器，生成跳频载波。在发射阶段，发射数据经过高斯低通滤波器，改变压控振荡器的振荡频率，生成GFSK信号，即已调波，经过功率放大器和平衡-不平衡转换器后，收发开关接到发射端，GFSK信号送上天线发射。在接收阶段，收发开关接到接收端，GFSK信号经过不平衡-平衡转换器和低噪声放大器，用频率合成器提供的本振信号对GFSK信号解调，再经过检测判决器，生成接收数据，并与系统时钟同步。1.1.4射频识别

图1.1.5是一种电感耦合RFID系统阅读器和电子标签的基本结构，阅读器和电子标签都包括基带处理器和无线电收发器。基带处理器负责发射数据的编码和加密，以及接收数据

的解码和解密，阅读器的基带处理器还需要负责数据协议处理和与应用系统软件的数据交换，电子标签的基带处理器还需要完成数据存储和读取。图1.1.5电感耦合RFID系统阅读器和电子标签的基本结构当数据从阅读器向电子标签传输时，阅读器的无线电收发器通过振荡器产生载波，调制器用发射数据生成振幅键控（ASK）信号，经过功率放大器，送到线圈1。线圈1和电子标签的线圈2可以分别看做一个变压器的原边和副边，线圈2上通过电感耦合得到的ASK信号经过ASK解调和检测判决器，获得接收数据。当数据从电子标签向阅读器传输时，阅读器在线圈1上提供载波电流，电子标签的发射数据通过负载电阻调制器，改变电子标签的等效负载电阻，经过变压器阻抗变换，改变线圈1上的反射电阻，从而改变了载波电压振幅，生成ASK信号，经过带通滤波器和高频放大器后，ASK解调和检测判决器给出接收数据。为了实现阅读器线圈和电子标签线圈之间的电感耦合工作原理，两个线圈之间的距离必须远小于工作频率对应的波长，所以电感耦合RFID系统的工作频率较低，典型频率有125kHz、225kHz和13.56MHz，作用距离较小，典型距离在10~20cm以内。电磁反向耦合RFID系统利用阅读器和电子标签之间电磁波的发射、接收和反射实现数据传输，所以工作频率较高，典型频率有433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz，作用距离较大，典型距离在4~6m以上。图1.1.6是一种电磁反向耦合RFID系统阅读器和电子标签的基本结构，为了提高数据传输的频带利用率和抗干扰能力，采用了正交振幅调制（QAM）信号取代ASK信号。阅读

器通过频率合成器和功率分配器分别为调制和解调提供载波和本振信号。当数据从电子标签向阅读器传输时，电子标签通过负载阻抗调制器改变电子标签的阻抗（包括振幅和相位），

对阅读器发射的载波进行正交振幅调制，调制后的QAM信号反射回阅读器，携带了电子标签的数据。图1.1.6电磁反向耦合RFID系统阅读器和电子标签的基本结构1.2射频电路的非线性特点

图1.2.1(a)和图(b)给出了晶体管的转移特性。直流偏置电压UBEQ作为横坐标，确定了转移特性曲线上直流静态工作点

Q的位置，Q的纵坐标是晶体管没有交流输入电压时输出的静态电流ICQ。图1.2.1中对比了输入交流电压后小信号和大信号两种情况下，线性放大和非线性放大输出的集电极电流iC的

波形。小信号线性放大时，iC与输入电压uBE波形一致，而大信号非线性放大时，iC和uBE的波形有明显差别。图1.2.1基于晶体管转移特性的信号放大(a)线性放大；(b)非线性放大现在给晶体管提供两个交流输入电压u1=U1mcosω1t

和u2=U2mcosω2t。小信号工作(即振幅U1m和U2m都很小)时，工作点只在Q附近很小的范围内沿转移特性曲线运动，可以近似认为这个范围内转移特性曲线是一段直线，电路是线性电路。集电极电流iC的解析表达式可以写为

iC=a0+a1(u1+u2)上式是转移特性曲线以Q为中心，在Q附近的一阶泰勒级数展开式。其中，a0是ICQ，a1是晶体管在Q处的交流跨导gm。上式可写为

其中,a1u1和a1u2是u1和u2分别输入时输出的交流电流，相加得到它们同时输入时产生的输出，所以，以上线性电路适用叠加定理，而且iC的交流成分中只存在和输入信号频率相同

的频率分量，即a1U1mcosω1t和a1U2mcosω2t。如果增大U1m和U2m，使电路进入大信号状态工作，则工作点的运动范围扩大，在这个大范围内，转移特性曲线不再近似为直线，电路变成了非线性电路。为了体现这个非线性关系，集电极电流iC至少应该用转移特性曲线在Q附近的二阶泰勒级数展开，即其中,a1u1+a2u21和a1u2+a2u22是u1和u2分别输入时输出的交流电流。可以发现，u1和u2同时输入时，输出的交流电流除了a1u1+a2u21和a1u2+a2u22外，还有2a2u1u2，这一项的出现说明叠加定理不适用于非线性电路。从频域上看，利用三角函数的降幂公式和积化和差公式，整理iC得到：结果中除了和输入信号频率相同的频率分量外，还出现了包括ω1+ω2和ω1－ω2等新的频率分量。时域上不满足叠加定理，频域上输出新的频率分量，这是非线性电路区别于线性电路的显著特征。在线性电路中，一旦出现了这些新的频率分量，就说明电路有非线性失真，应该尽量减小和消除，而非线性电路利用的正是这些新的频率分量。以上分析结果中，如果采用滤波器输出a2U1mU2mcos(ω1+ω2)t和a2U1mU2mcos(ω1－ω2)t，则得到了u1和u2相乘的结果2a2u1u2，这样用晶体管放大器就实现了乘法器，而乘法器是射频电路中调制、混频和解调的关键电路。1.3本书的主要内容、组织结构和学习要求

本书的组织结构和简要内容如下：

(1)谐振功率放大器。这部分介绍谐振功放的工作原理、工作状态、功率和效率的计算，以及电路设计。

(2)正弦波振荡器。这部分介绍正弦波振荡器的振荡条件以及各种类型正弦波振荡器中振荡条件的实现，计算振荡频率，推导振幅起振条件，分析正弦波振荡器的频率稳定度。(3)噪声与小信号放大器。这部分介绍射频电路噪声的来源与特性、各种主要元器件的噪声等效电路模型、噪声系数和等效噪声温度的计算方法，并分析散射参数和各类射频小信号放大器的特点和设计方法。

(4)振幅调制与解调。这部分介绍振幅调制信号的分类、参数、频谱和功率分布，各种振幅调制和解调的原理，以及各种典型实现电路和相关计算。(5)混频。这部分介绍混频的原理、各种典型实现电路和相关计算，并分析混频的各种干扰。

(6)角度调制与解调。这部分介绍调频信号和调相信号的时域参数、频谱和功率分布，各种频率调制和相位调制的原理，变容二极管调频和调相电路，以及调频信号和调相信号解调的各种原理和实现电路。(7)数字调制与解调。这部分介绍二进制和多进制振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）与相移键控（PSK）调制与解调的原理，分析各种解调方法的误码率，并介绍正交振幅（QAM）调制、偏移QPSK（OQPSK）调制和最小频移键控（MSK）调制的原理。

(8)反馈与控制。这部分介绍自动增益控制电路、自动频率控制电路和自动相位控制（锁相环）电路的特点、结构和应用。(9)数字频率合成。这部分介绍数字频率合成的实现技术及其应用、主流的数字锁相频率合成技术和直接数字频率合成技术。

虽然非线性电路在射频电路中可以完成多种功能，但是都是基于非线性器件的传输特性设计的，所以不同的非线性电路在工作原理和电路结构上有很多共性，对它们的分析过程也有相似的规律性，学习本书需要从共性上认识各种非线性电路，从规律性上掌握分析过程。非线性电路用非线性代数方程和非线性微积分方程进行数学描述，模型的精确求解，尤其是解析结果的获得比较困难，所以需要采用工程近似方法，根据实际情况对元器件的性能和电路的工作条件进行合理近似，以此为基础，用简单的模型获得有实用意义的结果，如定性分析电路功能，并在一定误差范围内给出定量的计算结果。除了学习各种典型的非线性电路外，近似处理在工程分析过程中的合理应用是通过学习本书要掌握的重要思想方法。本章小结

本章讲述了射频电路的定义、频谱范围、应用及特点

（1）射频电路用来实现无线电的产生、接收以及信息的加载和提取。根据无线电的频率，射频电路分为低频电子线路、高频电子线路和微波电子线路三类。（2）射频电路包括发射机和接收机两个主要部分。在不同的应用中，发射机和接收机的具体构成有所不同，但基本上，发射机包括振荡器、倍频器、高频