射频电路专题实验

射频电路设计专题实验

----基础知识部分张安学Email:Anxuezhang@Telffice:西一楼C361第一章、绪论常用无线电频段及其应用射频微波主要应用领域为什么要学射频电路专题实验课程射频、微波与低频电路的区别射频电路分析方法射频铁三角射频设计五大要素实验说明一、常用无线电频段及其应用频段名称频率范围波长(λ=c/f)传播特性或应用ELF（极低频）30-300Hz10-1000km传播损耗小，通信距离远，信号稳定可靠，渗入地层、海水能力强VH(音频）300-3000Hz1000-100kmVLF（甚低频）3-30kHz100-10kmLF（低频）30-300kHz10-1km导航、长距离通信、无线电授时，长波（1000m-2000m）MF（中频）300-3000kHz10-0.1km广播、传播通信、飞行通信，中波0.2m-0.6mHF（高频）3-30MHz100-10m广播、中远距离通信，BBC：6090kHzVHF（甚高频）30-300MHz10-1m广播、移动通信、电视、雷达、导航，西安音乐台：93.1MHzUHF（特高频）300-3000MHz100-10cm与VHF雷同，还用于散射通信、卫星通信SHF（超高频）3-30GHz10-1cmEHF（极高频）30-300GHz1-0.1cmMWband普通RF到MW的过渡有时用特定的字母来代表微波中的某一波段，这些字母代号起源于早期雷达研究保密的需要.字母PLLsSCXcX频率0.3-1.121.12-1.71.7-2.62.6-3.953.95-5.855.85-8.28.2-12.4波段m23cm15cm10cm6.5cm4.5cm3cm字母KuKKaUEFG、R频率12.4-18.018.0-26.526.5-4040-6060-9090-140140-325波段2cm1.4cm9.5mm6.2mm4.2mm2.7mm1.5mm二、射频微波主要应用领域卫星通信：C波段：上行6GHz，下行4GHzKu波段：上行15GHz，下行12GHz卫星间通信：36GHz个人通信：移动GSM900:905-909MHz,950-954MHz移动GSM1800:1710-1720MHz,1805-1815MHz联通GSM900:909-915MHz,954-960MHz；联通GSM1800:1745-1755MHz,1840-1850MHz计算机无线网络：2.5GHz，5.8GHz，36GHz全球定位系统：1227.60MHz,1575.42MHz雷达远程警戒：P、L、S、C精确制导：X、Ka无线通讯系统

射频发、收机电路方块图降频器RF滤波器前置

放大器IF带通滤波器RF滤波器LNAIF滤波器IF放大器接收天线功率分配器发射天线功率放大器升频器IF放大器BaseProcessorUnit(BPU)GainControllerPADPADPLLVCO连续波多普勒雷达结构示意图三、为什么要学射频电路专题实验课程射频/微波电路是构成通信系统、雷达系统和微波应用系统中的发射机和接收机的关键部件；新型半导体制造技术的不断发展使得高速数字系统和高频模拟系统的应用领域不断扩张。计算机的运算次数进入十亿次，其频率也是微波频率。超高速集成电路的互耦也是微波互耦问题。微波的研究已进入集成电路和计算机领域。射频/微波电路给人们的印象是抽象的概念和繁琐的公式，射频/微波电路实验可以通过直观的系统实验让学生了解所学何用。四、射频、微波与低频电路的区别1.在直流和低频领域，一般认为金属导线就是一根连接线,不存在电阻、电感和电容等寄生参数。而在射频/微波领域，金属导线不仅具有自身的电阻和电感或电容,而且还是频率的函数。寄生参数对电路工作性能的影响十分明显,必须仔细考虑,谨慎设计,才能得到良好的结果。传输线等效电路i(z)i(z+u(z)u(z+zz+zz)z)LzRzCzGz2.射频条件下的电路存在趋肤效应。在直流情况下，电流在整个导体中流动。而在高频条件下电流只在导体表面流动。高频的交流电阻要大于直流电阻；直流电流均匀分布集肤效应带来的直接效果是：导体柱内部几乎物，并无能量传输。微波传输线与低频传输线有着本质的不同：功率是通过导线之间的空间传输的。导线（GuideLine）只是起到引导的作用，而实际上传输的是周围空间(Space)。微波集肤效应

l=3cm、r0=2mm导线线损耗R：直流：2.07Ohm10GHz：2.07*1515OhmTE10TE01模矩形波导：圆波导：同轴线：带线：微带线：3.随着频率的增加，当波长与电路尺寸相比拟时，电路会变为一个辐射体。这时，在电路之间、电路和外部环境之间会产生各种耦合效应，因而引出许多干扰问题;4.由于频率高的特性，许多在中、低频不会发生的现象纷纷出现，其中因阻抗不匹配所产生的反射尤为重要，其次线路板上一条线上的两点间不能再视为“同电位”了，这条线已由“短路线”变为“传输线”。五、射频电路分析方法“场”的分析方法：从麦克斯韦方程出发,在特定边界条件下解电磁波动方程,求得场量的时空变化规律,分析电磁波沿传输线的各种传输特性；“路”的分析方法：将传输线作为分布参数电路处理,用基尔霍夫定律建立传输线方程,求得传输线上电压和电流的时空变化规律,分析电压和电流的各种传输特性。到底是用“场”的方法还是用“路”的方法,应由研究的方便程度来决定。LzRzCzGzi(z)i(z+u(z)u(z+zz+zz)z)场的方法路的方法六、射频铁三角由于频率、阻抗和功率是贯穿射频/微波工程设计的三大核心指标,故将其称为射频铁三角。它能够形象地反映射频/微波设计的基本内容。这三方面既有独立特性,又相互影响。频率功率阻抗滤波器(LPF,BPF,…)振荡器压控振荡器(VCO)倍频/混频/分频器衰减器(PADs)功率分配器耦合器放大器(LNA,PA)阻抗转换器匹配网络天线七、射频/微波电路训练五大要素设计理论

设计方法电路仿真布线、制板电路测量设计工具仿真软件布线软件雕刻机测试设备RFDesign八、课程说明参考书：《射频/微波电路导论》雷振亚，西安电子科技大学出版社《ADS2008射频电路设计与仿真实例》徐兴福，电子工业出版社实验内容：1.匹配网络设计；2.衰减器设计；3.功率分配器/合成器设计；4.微波/射频带通滤波器；5.低噪声放大器设计；6.微带天线设计；7.通信系统链路仿真；考核方式：现场验收、实验报告第二章、射频电路基础集总参数元件的射频特性传输线理论Smith圆图微波网络理论回波损耗和插入损耗关于分贝的几个概念一、集总参数元件的射频特性1.金属导线

在直流和低频领域,一般认为金属导线就是一根连接线,不存在电阻、电感和电容等寄生参数。实际上,在低频情况下,这些寄生参数很小,可以忽略不计。当工作频率进入射频/微波范围内时,情况就大不相同。金属导线不仅具有自身的电阻和电感或电容,而且还是频率的函数。寄生参数对电路工作性能的影响十分明显,必须仔细考虑,谨慎设计,才能得到良好的结果。2.电阻物质的体电阻Ca：电阻引脚的极板间等效电容；Cb：引线间电容;L：引线电感电阻的阻抗绝对值与频率的关系3.电容L：引线电感；Rs：引线导体损耗Re：介质损耗电阻4.电感Cs：寄生旁路电容Rs：引线导体损耗L：导线电感二、传输线理论 微波传输线是用以传输微波信息和能量的各种形式的传输系统的总称,它的作用是引导电磁波沿一定方向传输,因此又称为导波系统。其所导引的电磁波被称为导行波。将截面尺寸、形状、媒质分布及边界条件均不变的导波系统称为规则导波系统,又称为均匀传输线。1、常见微波传输线的类型同轴线微带线带线共面波导槽线悬式微带线矩形波导圆波导加脊波导LzRzCzGzi(z)i(z+u(z)u(z+zz+zz)z)2、基本传输线理论传输线波动方程：无耗传输线：2、终端带负载的传输线分析0z反射系数：负载反射系数：［性质］反射系数是针对传输线上的某一截面处的反射系数而言的；反射系数的模是无耗传输线系统的不变量，在传输线上处处相等；反射系数呈二分之一波长周期性；0z归一化阻抗归一化导纳归一化阻抗、导纳和传输线的特性阻抗无关，即和传输线的形式无关，本性质为Smith阻抗圆图与导纳圆图的基础。0z（1）终端接匹配负载（2）短路负载（3）开路负载三、Smith圆图

阻抗与反射系数是传输线上两个重要的电特性参数。数学公式上的联系可以简化为图解法。史密斯圆图是将归一化阻抗（z=r+jx）的复数半平面（r>0）变换到反射系数为1的单位圆（|Γ|=1）内。已知一点的阻抗或反射系数,用史密斯圆图能方便地算出另一点的归一化阻抗值和对应的反射系数。史密斯圆图概念清晰,使用方便,广泛用于阻抗匹配电路的设计中。随着近年来电子版圆图的普及,使得史密斯圆图得到了大量应用。1.Smith圆图的特点匹配点：中心点开路点：右端点短路点：左端点3点：纯电阻线：实轴1线：纯电抗圆：反射系数为1的圆等电阻圆、等电抗圆等电导圆、等电纳圆等驻波系数圆：以圆心为原点的圆4圆：感性半圆：上半圆