物联网射频识别(RFID)技术与应用-补充

物联网射频识别(RFID)技术与应用-补充第一页，共198页。

与电子通信相关的射频概念1史密斯圆图2S参数3ADS设计与仿真举例4物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映第二页，共198页。

与电子通信相关的射频概念1物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映第三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用1.1射频的概念1、什么是射频

射频广义地说，可以向外辐射电磁信号的频率称为射频；是指该频率的载波功率能通过天线发射出去（反之亦然），以交变的电磁场形式在自由空间以光速传播，碰到不同介质时传播速率发生变化，也会发生电磁波反射、折射、绕射、穿透等，引起各种损耗。在金属线传输时具有趋肤效应现象。该频率在各种无源和有源电路中R、L、C各参数反映出是分布参数。信号采用的传输方式和信号的传输特性主要是由工作频率决定的。点击此处结束放映第四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2、什么是射频电路

在电路设计中，当频率较高、电路的尺寸可以与波长相比拟时，电路可以称为射频电路。一般认为，当频率高于30MHz时电路的设计就需要考虑射频电路理论，而射频电路理论应用的典型频段为几百MHz至4GHz（现已大于4GHz），在这个频率范围内，电路需要考虑分布参数的影响，低频的基尔霍夫电路理论不再适用。点击此处结束放映第五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用50Hz的市电可以采用低频电路理论50Hz的市电属于ELF（极低频），对应的工作波长：6000km这个工作波长比电路的尺寸大得多，对此工作频率完全可以用低频的基尔霍夫电路理论进行电路设计。

2.4GHz无线局域网必须采用射频电路理论

无线局域网的工作频率为2.4GHz，对应的工作波长为：12.5cm这个工作波长比电路的尺寸可以相比拟，在此工作频率下，低频的基尔霍夫电路理论不再适用，而应该用射频电路理论设计。点击此处结束放映第六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用3、长线和短线的概念

图（a）表示的是半波长的波形图，AB是线上的一小段，它比波长小得多。由图可见，线段AB上各点的电流或电压的幅度和相位几乎不变，此时的线段AB是一段“短线”。如果频率很高，虽然线段AB的长度相同，但在某一瞬时线上各点电流或电压的幅度和相位均有很大变化，如图（b）所示，此时的线段AB即应视为“长线”.我们把传输线的几何长度（L)与其上传输电信号的波长（λ）之比L/λ，称为传输线的相对长度或者叫电长度。点击此处结束放映电流电压沿线分布图（a）短线情况（b）长线情况第七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

图1.1终端短路的传输线第八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

图1.1所示的是终端短路传输线，根据射频电路理论会得到距离短路终端l处的阻抗为（1-1）式中Z0为常数，Z0的取值范围一般为几十到几百之间。式（1-1）改变了低频电路理论的观点，因为低频电路理论会认为Zin=0。下面对式（1-1）加以数值分析。点击此处结束放映第九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映集肤效应

在电路中信号是通过导体传输的，导体存在集肤效应。所谓集肤效应是指当频率升高时，电流只集中在导体的表面，导体内部的电流密度非常小。集肤效应使导线的有效导电横截面积减小，交流电阻增加。集肤效应如图1.2所示图1.2

集肤效应第十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映可以用趋肤深度描述集肤效应的程度。趋肤深度δ定义为式中μ为导体的磁导率，σ为导体的电导率，导体内的电流主要集中在导体表面的趋肤深度内。在射频电路中，集肤效应引起电路损耗急剧增加，必须考虑分布电阻对射频电路的影响。射频电路主要应用在无线通信领域。第十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映低频和射频的关系低频电路理论只适用于低频电路设计，射频电路理论有更大的适用范围，低频电路理论是射频电路理论的特例。低频电路理论称为集总参数电路理论；射频电路理论称为分布参数电路理论，分布参数是射频电路的最大特色。第十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

射频电路的分布参数

从正弦交流（AC）电路分析中可以知道，电感L（1nH）和电容C(1pF)的电抗XL和XC与频率有关。(1)当(2)当结论：低频时1nH电感相当于短路，1pF电容相当于开路；3GHz时它们的影响必须考虑。第十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

传输线上的分布参数低频时什么都不用考虑，当频率达到射频以后，传输线上直导线的电感分布不可忽略，2根直导线之间的电容分布也不可忽略，等效为b图。射频电路认为传输线上到处分布着电感和电容，所以射频电路也称为分布参数电路。由于分布参数的存在，传输线上电压、电流和阻抗的分布与低频电路完全不同，射频传输线上信号出现了波动性，并导致反射产生，因此需要建立射频电路理论体系。图1.3

一段传输线第十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映均匀传输线方程传输线方程是研究传输线上电压、电流的变化规律，以及它们之间相互关系的方程。对于均匀传输线，由于分布参数是沿线均匀分布的，所以只考虑线元dz的情况。

图1.4

传输线上电压和电流的定义及其等效电路第十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映第十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映线元dz可以看成集总参数电路，则线元dz上的电压和电流有如下关系：对右上节点列KCL：第十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映带入上页方程组，然后略去二阶无穷小量和dz后得：（1-2） 式（1-2）称为均匀传输线方程，又称为电报方程。

第十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映研究均匀传输线在始端电源角频率为的正弦时间函数时电路的稳态分析：式（1-2）可以写成：第十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映其中：由于，仅为距离z的函数，所以对u,i的偏导数可以写成全导数。所以偏微分方程组就成了上面的全微分方程组。上式再对z取一次导数得：第二十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映将一阶微分式代入二阶微分式得：二阶齐次线性微分方程的解为：令第二十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

传播常数 传播常数γ是描述传输线上入射波和反射波的衰减和相位变化的参数。传播常数的一般公式为由于讨论限于射频波段，而且传输线一般不长，可以把传输线当成无耗传输线来处理。对于无耗传输线

对于射频低耗传输线

第二十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映上述均匀无耗传输线方程是常系数二阶线性微分方程，它们的通解具有下列形式：

（1-3）A1e－jβz表示向+z方向传播的行波，A2ejβz表示向-z方向传播的行波，传输线上电压的解呈现出波动性。第二十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映传输线的二种边界条件图1.4

传输线的边界条件第二十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映1.已知传输线终端电压V2和终端电流I2这是最常用的情况。将带入（1-3）式得

代回（1-3）式得上式中，上式变换成正弦函数形式，得到：（1-5）（1-4）第二十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映2.已知传输线始端电压V1和始端电流I1始端带入（1-3）式得

（1-6）第二十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映1、反射系数

传输线上的波一般为入射波与反射波的叠加。波的反射现象是传输线上最基本的物理现象，传输线的工作状态也主要决定于反射的情况。为了表示传输线的反射特性，引入反射系数Γ。第二十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

反射系数Γ的定义及表示式

反射系数是指传输线上某点的反射电压与入射电压之比。反射系数为

（1-7）第二十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映对于式（1-4），令式（1-4）简化为：（1-8）第二十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映终端反射系数为:距离终端处的传输线上的反射系数为：第三十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

综上所述，可以得到如下结论：（1）反射系数随传输线位置变化。（2）反射系数为复数，这反映出反射波与入射波之间有相位差异。（3）无耗传输线上任一点反射系数的模值是相同的，说明无耗传输线上任一点反射波与入射波振幅之比为常数。（4）反射系数是周期性函数，周期为

。第三十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

2.反射系数与终端负载的关系 传输线终端负载ZL决定着终端反射系数ΓL。由于无耗传输线上任意点的反射系数模值是相同的，所以终端负载ZL决定着无耗传输线上反射波的振幅。按照终端负载ZL的性质，传输线上将有3种不同的工作状态。（1）当ZL=Z0时，ΓL=0，传输线上无反射波，只有入射波，称为行波状态。（2）当ZL=0（终端短路）时，ΓL=－1；当ZL=∞（终端开路）时，ΓL=1；当ZL=±jXL（终端接纯电抗负载）时，|ΓL|=1。这3种状态为全反射，称为驻波状态。第三十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映（3）当ZL=RL±XL时，0<|ΓL|<1，入射波能量部分被负载吸收，部分被反射，称为部分反射工作状态，为行驻波状态。3.驻波系数和行波系数 由上面的结果可以看出，反射系数是复数，且随传输线的位置而改变。为更方便地表示传输线的反射特性，工程上引入驻波系数的概念。第三十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映特性阻抗传输线上入射电压与入射电流之比（也即行波电压与行波电流之比），称为传输线的特性阻抗，特性阻抗用Z0表示。传输线特性阻抗的一般公式为

对于射频传输线特性阻抗近似为 可见,在射频情况下可以认为传输线的特性阻抗为纯电阻。第三十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

输入阻抗 传输线上任意一点电压V（z）与电流I（z）之比称为传输线的输入阻抗。输入阻抗为

（1-9）将式（1-5）代入式（1-9）分子分母同除以得：（1-10）第三十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映例1：求终端短路的λ/4传输线的输入阻抗。解：对于终端短路的λ/4传输线，有由式（1-10）知即终端短路的传输线过λ/4后等效为开路。第三十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映将式（1-8）代入式（1-9）得：在终端为：第三十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

驻波系数（也称为电压驻波比）定义为传输线上电压最大点与电压最小点的电压振幅之比，用ρ或VSWR表示，即行波系数第三十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

（1-11）

（1-12）可以得到下面的结论:（1）当|ΓL|=0，也即行波状态时，驻波系数ρ=1，行波系数K=1。

（2）当|ΓL|=1，也即驻波状态时，驻波系数ρ=∞，行波系数K=0。

（3）当0<|ΓL|<1，也即行驻波状态时，驻波比1<ρ<∞，行波系数0<K<1。

第三十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

在不同反射系数Γ下传输线的电压驻波分布Γ=-1全反射终端短路Γ=+1全反射终端开路Γ=0无反射终端匹配0〈|Γ|〈1局部反射终端不完全匹配第四十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

4.电压和电流的最大值和最小值电压的振幅为最大值、电流的振幅为最小值，分别为（1-13）电压的振幅为最小值、电流的振幅为最大值，分别为（1-14）第四十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

由式（1-13）和式（1-14）还可以得出

（1-15）

综上所述，得到如下结论：（1）传输线上电压最大值所在点，电流为最小值。（2）传输线上电压最小值所在点，电流为最大值。（3）传输线上电压最大值与电流最大值之比等于特性阻抗。（4）传输线上电压最小值与电流最小值之比等于特性阻抗。第四十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

衰减常数

衰减常数表示单位长度行波振幅的变化，这种变化惯以用相对电平和绝对电平两种方式来表示。相对电平常用分贝（dB）和奈培（Np）这两个单位表示，绝对电平常用分贝毫瓦（dBm）和分贝瓦（dBW）这两个。（1）传输线上两点之间相对电平的表示 ①dB 若传输线有衰减，可以将传输线上两点功率电平P1和P2的比值用dB表示。（dB）第四十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

②Np 传输线中的衰减也常用Np表示。（NP）

dB与Np的关系为 1Np=8.686dB 1dB=0.115Np

第四十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

传输电路中某点绝对电平的表示 ①dBm dBm的定义是功率电平对1mW的比，即功率（dBm）=0dBm=1毫瓦

②dBW dBW的定义是功率电平对1W的比，即功率（dBW）=第四十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映移动通信系统使用频段第四十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

史密斯圆图2点击此处结束放映第四十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

在传输线问题的计算中，经常涉及输入阻抗、负载阻抗、反射系数和驻波系数等量，以及这些量之间的相互关系，这些量利用前面给出的公式进行计算，并不困难，但比较繁琐。为简化计算，P.H.Smith开发了图解方法，可以在一个图中简单、直观地显示传输线上各点阻抗与反射系数的关系，该图解称为史密斯圆图。点击此处结束放映第四十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.1复平面上反射系数的表示方法反射系数可以用以了解传输线上的工作状态。反射系数也描述了负载阻抗与特性阻抗的失配度。史密斯圆图是在反射系数的复平面上建立起来的，为此，首先介绍复平面上反射系数的表示方法。点击此处结束放映第四十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用无耗传输线上距离终端为z′处的反射系数为上式表明，反射系数是复数，可以在复平面上表示Γ（z′），不同的反射系数Γ（z′）对应复平面上不同的点。点击此处结束放映第五十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用例2.1在反射系数的复平面上给出下列点的位置。

（1）传输线的特性阻抗Z0=50Ω，终端短路。距终端分别为z'=0和z'=λ/8的点。当z'=0，当z'=λ/8，点击此处结束放映第五十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（2）传输线的特性阻抗Z0=50Ω，终端开路。距终端分别为z'=0和z'=λ/8的点。当z'=0，当z'=λ/8，点击此处结束放映第五十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（3）传输线的特性阻抗Z0=50Ω，终端负载阻抗为ZL=50Ω。距终端分别为z'=0和z'=λ/8的点。当z'=0，当z'=λ/8，这是负载匹配的情况，负载匹配时传输线上所有点的输入阻抗Zin（z′）都等于特性阻抗Z0。点击此处结束放映第五十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（4）传输线的特性阻抗Z0=50Ω，终端负载阻抗为ZL=（16.67-j16.67）Ω。距终端分别为z'=0和z'=λ/8的点。当z'=0，当z'=λ/8，点击此处结束放映第五十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（5）传输线的特性阻抗Z0=50Ω，终端负载阻抗为ZL=（50+j50）Ω。距终端分别为z'=0和z'=λ/8的点。

当z'=0，当z'=λ/8，由（4）、（5）知当负载ZL≠Z0时，输入阻抗Zin（z′）随传输线的位置z′而变，输入阻抗Zin（z′）与负载阻抗ZL不相等。点击此处结束放映第五十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用1.等反射系数圆

在Γ（z′）=Γr+jΓi的复平面上，同一条传输线上各点的反射系数在同一个圆上，这个圆称为等反射系数圆。等反射系数圆的轨迹是以坐标原点为圆心、|ΓL|为半径的圆。因为0≤|ΓL|≤1，所以所有传输线的等反射系数圆都位于半径为1的圆内，这个半径为1的圆称为单位反射圆。又因为反射系数的模值与驻波系数一一对应，所以等反射系数圆族又称为等驻波系数圆族。等反射系数圆族有下面3个特点。点击此处结束放映第五十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

（1）当等反射系数圆的半径为0，即在坐标原点处时，反射系数的模值|ΓL|=0，驻波系数ρ=1。所以，反射系数复平面上的坐标原点为匹配点。（2）当等反射系数圆的半径为1时，为单位反射圆，单位反射圆上反射系数的模值|ΓL|=1，驻波系数ρ=∞。所以，反射系数复平面上的单位反射圆对应着终端开路、终端短路和终端接纯电抗负载时传输线上各点的反射系数。（3）所有等反射系数圆均在单位反射圆内，圆的半径随负载阻抗与特性阻抗失配度的不同而不同，同一条传输线上各点的反射系数在同一个圆上。点击此处结束放映第五十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映图2.1等反射系数圆第五十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

2.电刻度圆可以在单位反射圆的外面画两个同心圆分别标明反射系数相角的变化，其中一个圆用来标明传输线电长度一周变化λ/2；另一个圆用来标明反射系数相角一周变化360°。电刻度圆和相角变化的情况如图2.2所示。点击此处结束放映图2.2反射系数的相角和电刻度圆第五十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用3.史密斯阻抗圆图

将等电阻圆和等电抗圆画在反射系数的复平面上，就构成了史密斯阻抗圆图。史密斯阻抗圆图用来显示传输线上各点输入阻抗与反射系数的关系。

传输线上任意一点的反射系数都与该点的归一化输入阻抗有关，将归一化输入阻抗用归一化电阻和归一化电抗表示。在反射系数的复平面上，归一化电阻为常数的曲线称为等电阻曲线；归一化电抗为常数的曲线称为等电抗曲线。点击此处结束放映第六十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用归一化输入阻抗简称为归一化阻抗，定义为：将代入上式得点击此处结束放映第六十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用设r为归一化电阻，x为归一化电抗，则：为等电阻圆方程，圆心坐标为，半径为等电阻圆族在复平面的点（1，0）处相切。为等电抗圆方程，圆心坐标为，半径为等电抗圆族在复平面的点（1，0）处与实轴相切。点击此处结束放映第六十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

点击此处结束放映（a）等电阻圆（b）等电抗圆图2.3等电阻圆和等电抗圆第六十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映由（a）图等电阻圆可以看出，归一化电阻r相等得点在同一个圆上，r越大，等电阻圆越小。当r=0时，等电阻圆与单位反射圆重合；当r=∞时，等电阻圆半径为0，成为一个点。由（b）图等电抗圆可以看出，归一化电抗x相等得点在同一个圆上，x越大，等电抗圆越小。当x>0时，等电抗圆在实数轴的上方；当x<0时，等电抗圆在实数轴的下方；当x=0时，等电抗圆与实数轴重合；当x=∞时，等电抗圆半径为0，成为一个点。第六十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用4.史密斯阻抗圆图将等反射系数圆、反射系数相角和电刻度圆、等电阻圆和等电抗圆都绘在一起，就构成了史密斯阻抗圆图。

点击此处结束放映第六十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映史密斯阻抗圆图第六十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用史密斯阻抗圆图由上面圆图坐标（Γr，jΓi）的构成可以知道，史密斯阻抗圆图有如下特点。（1）圆图旋转1周为λ/2，而非λ。（2）圆图上有3个特殊的点。匹配点。坐标为（0，0），此处对应于r=1、x=0、|Γ|=0、ρ=1。

短路点。坐标为（－1，0），此处对应于r=0、x=0、|Γ|=1、ρ=∞、φ=180°。开路点。坐标为（1，0），此处对应于r=∞、x=∞、|Γ|=1、ρ=∞、φ=0°。点击此处结束放映第六十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映（3）圆图上有3条特殊的线。右半实数轴线。线上x=0、r>1，为电压波腹点的轨迹；线上r的读数也为驻波系数的读数。左半实数轴线。线上x=0、r<1，为电压波谷点的轨迹；线上r的读数也为行波系数的读数。单位反射系数圆。线上r=0，为纯电抗轨迹，反射系数的模值为1。第六十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映（4）圆图上有2个特殊的面。实轴以上的上半平面是感性阻抗的轨迹。实轴以下的下半平面是容性阻抗的轨迹。（5）圆图上有2个旋转方向。传输线上的点向电源方向移动时，在圆图上沿等反射系数圆顺时针旋转。传输线上的点向负载方向移动时，在圆图上沿等反射系数圆逆时针旋转。（6）由圆图上的点可以得到4个参量，其为r、x、|Γ|、φ。第六十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映史密斯阻抗圆图的应用

1.负载的阻抗变换

对射频电路设计来说，经常需要确定电路的阻抗响应。没有对阻抗性质的详细了解，就不能恰当地预言射频系统的性能。用史密斯阻抗圆图可以计算输入阻抗。第七十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映例2.2已知传输线的特性阻抗Z0=60Ω，负载阻抗ZL=（120-j36Ω），传输线长l=0.3λ，求输入阻抗。例2.2用图第七十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映解：用史密斯圆图求解的示意图如上图所示。（1）计算归一化负载阻抗（2）在阻抗圆图上找出r=2的等电阻圆和x=-0.6的等电抗圆，两圆的交点A即为负载阻抗在圆图上的位置，点A对应的电刻度是0.278.（3）以原点为圆心，原点与点A的连线为半径，自点A沿等反射系数圆顺时针旋转0.3λ至点B，点B对应的电刻度是0.078.（4）由点B读得归一化输入阻抗为：（5）传输线的输入阻抗为第七十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映2.反射系数和驻波系数的计算

使用圆图可以求出驻波系数和反射系数。过zL点的等反射系数圆与圆图右半实数轴交点的归一化电阻读数即为驻波系数。驻波系数与反射系数模值之间的关系为第七十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映例2.3已知传输线的特性阻抗Z0=50Ω，终端负载阻抗为ZL=50Ω和ZL=(30+j40)Ω两种情况，分别求终端的反射系数、传输线上的驻波系数及回波损耗。例2.3用图第七十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映解：用史密斯阻抗圆图求解的示意图如上图所示（1）ZL=50Ω时，计算得到归一化负载阻抗zL=1，zL=1的点在圆图的原点位置，在圆图上可以读出:。计算得到回波损耗RL=∞dB（回波损耗为-10lg[(反射功率)/(入射功率)]）（2）ZL=(30+j40)Ω时，计算得到归一化负载阻抗，在阻抗圆图上找出r=0.6的等电阻圆和x=0.8的等电抗圆，两圆的交点A即为负载阻抗在圆图上的位置，过点A的等反射系数圆与圆图右半实轴交点的归一化电阻读数为3，故传输线上驻波系数由可以得到，计算得到回波损耗为RL=6.02dB；圆图上点A与圆心的连线与右半实轴的夹角因此得终端反射系数第七十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

3.传输线上行驻波电压最大点和最小点位置的计算

用圆图可以找到传输线上行驻波电压的最大点和最小点。在射频电路中，如果在传输线的电压最大点或电压最小点插入λ/4阻抗变换器，可以达到阻抗匹配。第七十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映例2.4用图例2.4

已知传输线的特性阻抗Z0=50Ω，终端负载阻抗为ZL=(32.5-j20)Ω，求传输线上的电压最大点和电压最小点距终端负载的长度。第七十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映解：用史密斯圆图求解的示意图如上图所示。（1）计算归一化负载阻抗（2）在阻抗圆图上找出r=0.65的等电阻圆和x=-0.4的等电抗圆，两圆的交点A即为负载阻抗在圆图上的位置，点A对应的电刻度是0.412。（3）阻抗圆图上电压最小点在左半实数轴上，左半实数轴电刻度的读数为0.5。由点A沿等反射系数圆顺时针旋转到左半实数轴，就是电压最小点距终端负载的长度，长度为由于电压振幅有λ/2的重复性，电压最小点距终端负载的长度可以为第七十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映（4）电压最大点在右半实数轴上，距电压最小点为0.25λ，在圆图上由电压最小点沿等反射系数圆继续顺时针旋转0.25λ交于右半实数轴，得到电压最大点距终端负载的长度可以为由于电压振幅有λ/2的重复性，电压最大点距终端负载的长度可以为第七十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映例2.5用图例2.5

已知传输线的特性阻抗Z0=50Ω，终端电压反射系数。求：（1）电压波腹点及电压波谷点的输入阻抗；（2）终端负载阻抗；第八十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映解：用史密斯阻抗圆图求解的示意图如上图所示（1）由，计算可以得出,电压波腹点及电压波谷点的输入阻抗为纯电阻，电阻值为：电压波腹点归一化阻抗，而正实轴r读数即为，所以输入阻抗,电压波谷点在负实轴，而负实轴r读数即为，则输入阻抗为（2）表明，传输线的等反射系数圆与圆图右半实轴交点A的归一化电阻读数为1.5，由交点A沿等反射系数圆逆时针旋转50o,得到原图上的负载阻抗点B，读出点B的归一化阻抗为，故终端负载阻抗为第八十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

4.传输线终端短路和终端开路时的阻抗变换

终端短路的传输线和终端开路的传输线可以等效为电感和电容。在给定频率下，依据传输线长度和终端条件，可以产生感性和容性两种阻抗，这种用分布电路技术实现集总元件参数的方法有很大的实用价值。第八十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映例2.6用一段终端短路的传输线等效集总参数元件。已知工作频率为2GHz，传输线的特性阻抗为50Ω，求形成5pF电容和9.4nH电感的传输线电长度。例2.6用图第八十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映解：用史密斯阻抗圆图求解的示意图如上图所示（1）2GHz时，5pF电容和9.4nH电感的电抗分别为：相应的归一化阻抗为(2)传输线的终端短路点在圆图的最左端。由圆图的最左端沿单位反射圆顺时针旋转到x=-0.32处，该处的电刻度为0.451，由电刻度可以求得传输线的电长度为0.451λ-0λ=0.451λ，即5pF的电容可以有长度为0.451λ（6.765cm，因为λ=15cm）的终端短路传输线代替。第八十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映（3）由圆图的最左端沿单位反射圆顺时针旋转到x=2.36处，该处的电刻度为0.187，由电刻度可以求得传输线的电长度为0.187λ-0λ=0.187λ即9.4nH的电感可以有长度为0.187λ（2.8cm，因为λ=15cm）的终端短路传输线代替。第八十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映例2.7用图例2.7

用一段终端开路的传输线等效集总参数元件。已知工作频率为3GHz，传输线的特性阻抗为50Ω，相速度为光速的77%，求形成2pF电容和5.3nH电感的传输线长度。第八十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映解：用史密斯阻抗圆图求解的示意图如上图所示（1）3GHz时，2pF电容和5.3nH电感的电抗分别为：相应的归一化阻抗为(2)工作波长为传输线的终端开路点在圆图的最右端。由圆图的最右端沿单位反射圆顺时针旋转到x=-0.53处，该处的电刻度为0.422，由电刻度可以求得传输线的电长度和长度为0.422λ-0.25λ=0.172λ，0.172λ=0.172x7.7≈1.32cm，即2pF的电容可以由长度为0.32cm的终端开路传输线代替。第八十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映（3）由圆图的最右端沿单位反射圆顺时针旋转到x=2处，该处的电刻度为0.176，由电刻度可以求得传输线的电长度和长度为0.176λ+（0.5λ-0.25λ）=0.426λ，0.426λ=0.426x7.7≈3.28cm，即5.3nH的电感可以由长度为3.28cm的终端开路传输线代替。第八十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映总结在高频时，因为开路线周围湿度、温度和介质其他参量的改变，保持理想的开路条件是困难的，所以在实际应用中短路条件是更可取的。然而在很高频率或者当用短路通孔连接在印制电路板上时，即使是短路线也会引起附加寄生电感而出问题。此外，假如要求电路尺寸为最小，只能采用开路线来实现电容器，采用短路线来实现电感器。第八十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

5.串联终端短路传输线

为了将负载阻抗调节到某一个预期值，可以在距负载一段距离处串联一终端短路的传输线。第九十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映例2.8已知传输线的特性阻抗Z0=50Ω，终端负载阻抗为ZL=100Ω，在距负载0.25λ处串接一个长度为0.125λ的终端短路传输线，计算输入阻抗。例2.8电路第九十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映解：用史密斯圆图求解的示意图如上图所示。（1）首先求长度为0.125λ的终端短路传输线的归一化输入阻抗zsc。在圆图上最左端（终端短路点）沿等反射系数圆顺时针旋转0.125λ至点A，点A的读数为zsc=j1（2）计算归一化负载阻抗zL点在圆图上的位置为点B。（3）由点B沿等反射系数圆顺时针旋转0.25λ得到归一化输入阻抗读数为zin（0.25λ）=0.5，zin（0.25λ）点在圆图上的位置为点C。（3）由zin（0.25λ）和zsc串联，可以得到所求的归一化输入阻抗为第九十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映（在圆图上由点C沿等电阻圆顺时针转到x=j1的点即为zin，zin在圆图上为点D。与zin对应的输入阻抗为）例2.7用图第九十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映史密斯导纳圆图

第九十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映史密斯导纳圆图有如下2个特点。（1）电导g越小，等电导圆越大。当g<1时，等电导圆与实数轴的交点在右半实数轴上；当g=1时，等电导圆过原点；当g>1时，等电导圆与实数轴的交点在左半实数轴上。（2）当b<0时，等电纳圆在实数轴以上的上半平面，是感性；当b>0时，等电纳圆在实数轴以下的下半平面，是容性。|b|越小，等电纳圆的半径越大第九十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映史密斯阻抗-导纳圆图

在实际应用中，电路中经常会同时出现阻抗和导纳的值，通常将史密斯阻抗圆图和史密斯导纳圆图同时使用，构成史密斯阻抗-导纳圆图。第九十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映第九十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用S参数3点击此处结束放映第九十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映3.1二端口低频网络参量

对一个线性网络特征的描述，可以采用网络参量的形式给出。描述低频线性网络输入和输出的物理量是电压和电流，低频网络的网络参量通过电压和电流的关系给出。常用的网络参量有4种，分别称为阻抗参量、导纳参量、混合参量和转移参量，视具体应用场合，可选择一种最适合电路特性的网络参量。图3.1二端口网络的电压和电流第九十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映3.2二端口射频网络参量

在射频频段，用散射参量［S］描述网络的网络参量。［S］参量是在各端口匹配时用入射电压和反射电压之间的关系得到的，射频电路利用［S］参量就可以避开不现实的终端条件，同时使参数易于测量。［S］参量可以表征射频器件的特征，在绝大多数涉及射频系统的技术资料和设计手册中，网络参数都由［S］参量表示。第一百页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

1散射参量

在射频频段内，网络端口与外界连接的是各类传输线，端口上的场量由入射波和反射波叠加而成，散射参量采用入射行波和反射行波的归一化电压表征各网络端口的相互关系。下面讨论散射参量的特性。1.归一化参量图3.2

归一化入射电压和归一化反射电压的定义第一百零一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映归一化参量定义如图3.2所示，对于二端口网络，端口1的归一化入射电压和归一化反射电压定义为端口2的归一化入射电压和归一化反射电压定义为其中Z01和Z02分别为输入、输出端口传输线的特性阻抗。（3-1）（3-2）第一百零二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映端口1的总电压和总电流与归一化入射电压和归一化反射电压的关系为端口2的总电压和总电流与归一化入射电压和归一化反射电压的关系为（3-4）（3-3）第一百零三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

2.散射参量的定义二端口网络中归一化入射电压和归一化反射电压的关系用方程表示为写成矩阵形式，为上式可以简写成式中，［S］称为散射矩阵或散射参量。上述散射参量用于射频频段有许多优点，简述如下。（3-7）（3-6）（3-5）第一百零四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映（3-8）表示端口2接匹配负载时，端口1的电压反射系数。（3-9）表示端口1接匹配负载时，端口2至端口1的反向电压传输系数。。（3-10）表示端口2接匹配负载时，端口1至端口2的正向电压传输系数。（3-11）表示端口1接匹配负载时，端口2的电压反射系数。第一百零五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

（1）散射参量用来表示网络的反射系数和传输特性非常方便，而且它给出了一个网络端口之外的完整特性描述。（2）散射参量没有使用开路或短路描述方式。在射频电路中如果出现短路或开路的情况，将引起强烈的反射，会导致振荡的产生，并引起晶体管元件的损坏。（3）散射参量要求各端口使用匹配负载，因匹配负载可以吸收全部的入射功率，从而消除了过强的能量反射，降低了对源和设备损伤的可能性。第一百零六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

例3.1已知二端口网络的散射矩阵[S]及负载反射系数，如下图所示，求其输入端的反射系数和归一化输入阻抗。

图3.3

第一百零七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

解：二端口网络的散射矩阵方程为：

考虑到，并代入上式，有

解此方程组，得到

故得输入端反射系数为

输入端归一化输入阻抗为

第一百零八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

3.S12和S21的物理意义首先讨论散射参量S21的物理意义。S21是在端口2匹配的情况下确定的，此时a2=0，由式（3-3）得到。图3.4S21的物理意义第一百零九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映上式中由于所以说明端口2的电压与信号源的电压有直接关系，S21表示网络的正向电压增益，同理，S12表示网络的反向电压增益第一百一十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用ADS设计与仿真举例4点击此处结束放映第一百一十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用4.1LC滤波器的ADS设计与仿真

1.滤波器的基本原理

射频滤波器在无线通信系统中至关重要，起到选择频带和信道的作用，并且能滤除谐波，抑制杂散。在射频电路设计时，经常会用滤波器从各种电信号中提取出想要的频谱信号。滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，从而实现信号频率过滤功能。点击此处结束放映第一百一十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（1）通过原理图设计1.新建一个工程名为Step_Filter的工程，同时在ADS（main）主窗口中设置长度单位为millimeter。

点击此处结束放映→→第一百一十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

2.建立低通滤波器设计单击建立原理图，命名为lpf，选择元器件建立如图4.1的原理图；设置S_PARAMETERS，“Step-size”选项改为500MHz，其他默认，如图4.2

点击此处结束放映图4.1图4.2第一百一十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

3仿真点击进行仿真，仿真成功后添加S（2，1），选择dB为单位，如下图所示→点击此处结束放映第一百一十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

最后结果如图3点击此处结束放映图3第一百一十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

在lpf原理图中，点击，弹出“TuneParameters”对话框，如图4点击此处结束放映图4第一百一十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

然后单击lpf原理图中的C1原件，勾选“C1”选项，如图5，同样的方法添加C2，L1，就会和上面图4一样了。点击此处结束放映图5第一百一十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

接着设置调谐值范围，在“TuneParameters”对话框中可以改变调谐器件的参数范围。其中，改变Min、Max中的值可以调整调谐范围；改变Step中的值可以调整调谐的步进。拖动“TuneParameters”对话框中的滑块，调节参数，观察S21参数的变化，如图6。调谐得到满意结果后，单击【UpdataSchematic】按钮把调谐好的值更新到原理图。单机【Close】结束调谐点击此处结束放映图6第一百一十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（2）通过滤波器设计向导设计1.滤波器设计指标设计一个4GHz的低通滤波器，指标如下A.具有最平坦响应，通带内纹波系数小于2B.截止频率为4GHzC.在8GHz处的插入损耗必须大于15dBD.输入/输出阻抗为502.滤波器电路生成（1）.在Step_Filter工程中建立一个名为Filter_micro_lpf的原理图，执行菜单命令【】→【】，弹出如图7对话框。点击此处结束放映第一百二十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

点击此处结束放映图7第一百二十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用选择【】，单击ok，弹出如图8对话框点击此处结束放映图8第一百二十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

(2).单击图标，在刚建立的‘Filter_micro_lpf’原理图中出现元器件列表，如图9点击此处结束放映图9第一百二十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用选择双端口低通滤波器模型，弹出的对话框中单击ok，并将双端口低通滤波器添加到原理图中。(3).重新回到图8，打开【】标签页，在【】下拉列表中选择“MaximallyFlat”(巴特沃兹响应)。(4).输入滤波器参数A.Ap（dB）=2：滤波器的纹波系数为2B.Fp=4GHz：滤波器的通带截止频率为4GHzC.Fs=8GHz：滤波器的阻带截止频率为8GHzD.As(dB)=15:滤波器截止频率处损耗大于15dBE.FirstElement选择为“Series”：第一个元器件是串联元器件。点击此处结束放映第一百二十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

（5）.设置好后，单击【Redraw】（刷新）按钮，即可看到刷新后的巴特沃兹响应曲线，如图10。点击此处结束放映图10第一百二十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

然后单击【Design】，返回原理图，双击滤波器元器件模型【】查看滤波器参数，如图11点击此处结束放映图11第一百二十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（6）.单击【】，选中【】，单击ok，勾选【】选项，单击【】，单击ok，所有参数都在原理图窗口显示出来（7）单击【】，然后单击【】，就可以得到滤波器的子电路，如图12点击此处结束放映图12第一百二十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（8）.再次回到图8，选择【

】，进行滤波器仿真设置，”start”设置0MHz，”stop”设置10GHz，”step”设置20MHz如图13点击此处结束放映图13第一百二十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用单击【】仿真，仿真结果如图14点击此处结束放映图14第一百二十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用此时一个集总参数滤波器设计完成。由于上述滤波器电路工作频率高，不宜采用集总元件，需要把集总元件转化为分布参数元件，这里采用Richards变换和Kuroda等效来实现。（9）.Kuroda转换法：单击【】即图8菜单栏上的【】，打开滤波器转换助手对话框，如图15点击此处结束放映图15第一百三十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（10）.选则‘LCtoTLine’选项，单击集总参数元件形式【】选中串联电感，将会出现图16电感转换页面

点击此处结束放映图16第一百三十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用单击【】，然后单击【AddAll】，单击【Transform】，接着单击【】返回，单击并联电容【】，出现图17对话框点击此处结束放映图17第一百三十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

单击【】，单击【Add】，添加C1，单击【Transform】把电容转换成并联开路传输线。转换后电路如图18单击【】返回滤波器转换助手对话框，选中【】，开始进行Kuroda转换（11）.单击‘AddTransmissionLines’中的【】按钮在输入端口添加一个单元器件,同样单击【】按钮在输出端口添加一个单元器件。添加后的原理图如图19

点击此处结束放映图18第一百三十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（12）.单击【】，然后单击【Add】添加这对转换，单击【Transform】按钮，进行Kuroda转换，同样选择【】，单击【Add】，在单击【Transform】，转换后如图20点击此处结束放映图19图20第一百三十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（13）.仍在【】（转换助手）中选中【】，单击短截线【】，然后单击【AddAll】添加所有短截线到微带线转换，同时设置基片厚度【】和基片介电常数【】如图21点击此处结束放映第一百三十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用单击【Transform】把短截线转换为微带线，单击【ok】完成转换，转换后的滤波器子电路如图22点击此处结束放映图22第一百三十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映图23单击【】回到原理图，在原理图中添加【】和【】，设置S参数，‘Start’为0GHz，‘STop’为10GHz，‘Step’为0.02GHz，如图23第一百三十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用单击【】仿真，在数据显示窗口添加S21参数观察，如图24从图中得，滤波器在4GHz处插入损耗为1.368dB，基本满足设计要求。点击此处结束放映图24第一百三十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用4.2锁相环ADS设计与仿真

1.锁相环技术基础

在通信系统中，产生可变的本振信号（LO）或电路时钟的方法有倍频/混频、直接数字频率合成（DDS）和锁相环技术（PLL）。其中，倍频/混频方法杂散较大，谐波难以抑制，DDS器件工作频率较低且功耗较大，而PLL技术相对来说具有应用方便灵活与频率范围宽等优点，是现阶段主流的频率合成技术。

目前，PLL半导体芯片的供应商主要包括模拟器件公司（ADI）、美国国家半导体公司（NS）和德州仪器（TI）等，市场上的主要型号包括ADF4111(ADI)、LMX2346(NS)和TRF3750(TI)。点击此处结束放映第一百三十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用4.2.1反馈控制电路简介在无线电技术中，为了改善电子设备的性能，广泛采用各种的反馈控制电路。常用的有自动相位控制（APC）电路，也称为锁相环路（PLL-PhaseLockedLoop），自动增益控（AGC）电路以及自动频率控制（AFC）电路。它们所起的作用不同，电路构成也不同，但它们同属于反馈控制系统，其基本工作原理和分析方法是类似的。点击此处结束放映第一百四十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用1.自动增益控制电路（AGC）

自动增益控制电路是某些电子设备特别是接收设备的重要辅助电路之一，其主要作用是使设备的输出电平保持一定的数值。所以也叫自动电平控制（ALC）电路。自动增益控制电路是一种反馈控制电路，当输入信号电平变化时，用改变增益的方法，维持输出信号电平基本不变的一种反馈控制系统。点击此处结束放映第一百四十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用AGC电路接收方框图如图4.1所示。

点击此处结束放映图4.1AGC电路的接收方框图第一百四十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

工作原理:它的工作过程是输入信号经放大、变频、再放大后，到中频输出信号，然后把此输出电压经检波和滤波，产生控制电压，反馈回到中频、高频放大器，对他们的增益进行控制。所以这种增益的自动调整主要由两步来完成：第一，产生一个随输入信号而变化的直流控制电压(叫AGC电压)；第二，利用AGC电压去控制某些部件的增益,使接收机的总增益按照一定规律而变化。

点击此处结束放映第一百四十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

产生控制信号的简单的AGC电路如图4.2所示。

图4.2简单的AGC电路第一百四十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用工作原理：

图4.2是简单AGC电路,这是一种常用的电路。是中频放大管，中频输出信号经检波后，除了得到音频信号外，还有一个平均分量（直流），它的大小和中频输出载波幅度成正比，经滤波器，把检波后的音频分量滤掉，使控制电压不受音频电压的影响，然后把此电压（AGC控制电压）加到的基极，对放大器进行增益控制。点击此处结束放映第一百四十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.自动频率控制（AFC）电路

AFC电路也是一种反馈控制电路。他控制的对象是信号的频率，其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。例如，在调频发射机中如果振荡频率漂移，则利用AFC反馈控制作用，可以适当减少频率变化，可以提高频率稳定度。又如在超外差接收机中，依靠AFC系统的反馈调整作用，可以自动控制本振频率，使其与外来信号频率之差值维持在接近中频得数值。点击此处结束放映第一百四十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.自动频率控制（AFC）电路

AFC电路也是一种反馈控制电路。他控制的对象是信号的频率，其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。例如，在调频发射机中如果振荡频率漂移，则利用AFC反馈控制作用，可以适当减少频率变化，可以提高频率稳定度。又如在超外差接收机中，依靠AFC系统的反馈调整作用，可以自动控制本振频率，使其与外来信号频率之差值维持在接近中频得数值。点击此处结束放映第一百四十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映自动频率控制(AFC)的原理框图

图4.3AFC的原理方框图第一百四十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用工作原理:

图4.3是AFC的原理框图。被稳定的振荡器频率f0

与标准频率fr在频率比较器中进行比较。当f0

=fr时，频率比较器无输出，控制元件不受影响；当f0

≠fr时，频率比较器有误差电压输出，该电压大小与|f0-fr

|成正比。此时，控制元件的参数即受到控制而发生变化，从而使发生变化，直到使频率误差减小到某一定值Δf，自动频率微调过程停止，被稳定的振荡器就稳定在f0=f0±Δf的频率上。点击此处结束放映第一百四十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路,由于它的基本原理利用频率误差电压去消除频率误差,这样,当电路达到平衡时,必然有剩余的频率误差存在,无法达到现代通信中对高精度频率同步(频差为0)和相位跟踪的广泛要求.要实现频率和相位的跟踪,必须采用自动相位控制电路,即锁相环(PLL:PraseLockedLoop)点击此处结束放映第一百五十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用3.锁相环路(PLL)锁相环路是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目的。

点击此处结束放映

参考信号输出信号图4.4锁相环系统框图鉴相器环路滤波器压控振荡器第一百五十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

在锁相频率合成器中，锁相环路具有稳频作用，能够完成频率的加、减、乘、除等运算，可以作为频率的加减器、倍频器、分频器等使用。锁相环路应用锁相接收机微波锁相振荡源锁相调频器锁相鉴频器定时提取（滤波）锁相频率合成器……第一百五十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

锁相环的基本原理

锁相环是一个相位负反馈控制系统。它由鉴相器(PhaseDetector,缩写为PD)、环路滤波器(LoopFilter,缩写为LF)和电压控制振荡器(VoltageControlledOscillator,缩写为VCO)三个基本部件组成,如图所示。图4.5锁相环的基本构成第一百五十三页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映设参考信号为若参考信号是未调载波时,则θr(t)=θr=常数。设输出信号为两信号之间的瞬时相差为由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为（1）（2）（3）（4）第一百五十四页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即（5）

此时,输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率ω0(控制电压uc(t)=0时的频率),其偏移量由式(4)和(5)得到为

(6)这时输出信号的工作频率已变为(7)第一百五十五页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映1.鉴相器(PhaseDetector,PD)鉴相器（PD）又称为相位比较器,它是用来比较两个输入信号之间的相位差θe(t)。鉴相器输出的误差信号ud(t)是相差θe(t)的函数,即基本环路方程图4.6

乘法器作为鉴相器是正弦鉴相器模型第一百五十六页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映图4.7

线性鉴相器的频域数学模型第一百五十七页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

若以压控振荡器的载波相位ω0t作为参考,将输出信号uo(t)与参考信号uruo(t)=Uocos［ω0t+θ2(t)］(8)

ur(t)=Ursin［ωrt+θr(t)］=Ursin［ω0t+θ1(t)］

(9)式中，θ2(t)=θ0(t),

θ1(t)=(ωr-ω0)t+θr(t)=Δω0t+θr(t)(10)将uo(t)与ur(t)相乘,滤除2ω0分量,可得ud(t)=Udsin［θ1(t)-θ2(t)］=Udsinθe(t)(11)第一百五十八页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映图4.8正弦鉴相器的鉴相特性第一百五十九页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

说明：在上面的推导中，将两个输入信号分别表示为正弦和余弦形式，目的是得到正弦鉴相特性。实际上两者同时都用正弦或余弦表示也可以，只不过得到的将是余弦鉴相特性。而环路的稳定工作区不管是正弦还是余弦特性，总是处于特性的线性区域内，显然是用正弦特性（线性区在坐标原点左右对称）比较方便。第一百六十页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

(a)时域模型(b)频域模型图4.9

环路滤波器的模型2.环路滤波器(LoopFilter,缩写为LF)第一百六十一页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映环路滤波器(LF)是一个线性低通滤波器,用来滤除误差电压ud(t)中的高频分量和噪声,更重要的是它对环路参数调整起到决定性的作用。1)RC积分滤波器这是最简单的低通滤波器,电路如图所示,其传递函数为(12)第一百六十二页，共198页。物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映

(a)组成

(b)频率特性图4.10RC积分滤波器的组成与频率特性第一百六十三页，共198页。物联网射频识别（RFID