《射频电路第2次课-14~16解读》由会员分享，可在线阅读，更多相关《射频电路第2次课-14~16解读（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1.4 射频电路的特点 当传输线尺寸与信号波长差不多时，传输线上的电压、电流和阻抗分布不再是均匀的，出现了波动性。下图是信号经过一个周期时间传输后，在一段长度等于波长的传输线上的电压分布情况。,l=0.25lV=-1,l=0.01lV=-0.04,1.4.1 低频电路理论是射频电路理论的特例 下图是终端短路的两条传输线，根据低频电路理论，它们输入端之间的电阻都是零，即 Rin=0。,但是，根据射频电路理论，在距离输入端l (m) 处短路时的输入阻抗应为： Zin=j Z0tan( 2l /) 式中,Z0为常数, Z0的取值范围在几十到几百之间。输入阻抗Zin随l与信号波长的比值l /变化。 如
2、图,l =2.5cm，输入信号波长=10cm,计算得到， Zin =j Zotan(/2)= 传输线等效开路。 只有当l =5cm或10cm时，2l /=p或2p，才得到Zin = 0。,可以看出，对射频电路分别用射频电路理论和低频电路理论进行分析时得出的结论不同。低频电路理论在分析射频电路时不再适用。 我们现在用射频电路理论来分析另一个图。当输入信号波长=100 km 时,即使l的长度为几十米，其长度仍然比波长小很多，由同样的公式计算得到， Zin =j Zotan(2l /105 )0 即传输线是短路的。这个结论与低频电路理论相符。 由此可以看出，对于电路尺寸远远小于波长的低频电路来说，射
3、频电路理论完全适用, 低频电路理论是射频电路理论的特例。,1.4.2 传输线的分布参数 在分析射频电路中的传输线时，还必须考虑分布电感和分布电容的影响。在低频时不用考虑它们的存在，如图(a)所示，传输线在电路图中用两条导线表示就可以了。 但是，对于射频来说,传输线的分布电感，以及两根导线间的分布电容不可忽略, 传输线的等效电路如图(b)所示。因此，射频电路也称为分布参数电路。,现在我们来看看极小的1nH分布电感和1pF分布电容在低频和射频情况下的不同感抗XL和容抗Xc。 在正弦交流电路中,电感L的感抗XL和电容C的容抗Xc均与频率有关, XL =L Xc =1/(C) 式中= 2f 为信号的角
4、频率。 当 f = 100 Hz 时， XL = 210010-9 = 6.2810-7 （） 0 XC = 1/(210010-12)1.59109 （） ,也就是说，当低频信号频率为100Hz时，1nH电感相当于短路, 1pF电容相当于开路。 当 f = 3 GHz 时， XL = 23109 10-9 18.8 （） XC = 1/(23109 10-12)0.05 （） 显然，当射频信号频率为3GHz时，1nH电感和1pF电容对电路工作的影响必须考虑。 在射频电路中，传输线以及电阻器、电感器和电容器引线的分布电感很容易达到nH量级。例如，一段长300mm,直径0.25mm导线的分布电感
5、高达365nH。,1.4.3 传输线的趋肤效应 在射频电路中,不仅需要考虑传输线上分布电感和分布电容的影响,还需要考虑传输线趋肤效应引起的射频电阻对射频电路的影响，射频电阻使得电路损耗急剧增加。 所谓趋肤效应是指当频率升高时, 电流集中在导体的表面, 导体内部的电流密度非常小。趋肤效应减小了导线的有效导电横截面积,使电阻增加。,趋肤效应如图所示,趋肤效应的剧烈程度用距离导体表面的趋肤深度描述。趋肤深度d处的电流是表面电流的1/e=1/2.7182=0.368，导体内的电流主要集中在导体表面下小于d的有限深度内。 趋肤深度d由下式计算， 式中，f为频率(Hz)；为导体的电导率(S/m)，是电阻率
6、r的倒数(W/m)；m为导体的绝对导磁率(H/m)，是真空导磁率m0与导体相对导磁率mr的乘积。,铜的绝对导磁率=410-7 H/m; 电导率=5.8107S/m 。 计算得到不同频率下铜的趋肤深度分别为： f=50Hz, =9.34mm ； f=1MHz，=0.0661mm ； f=1GHz，=0.00209mm 。 比较上面的数字可以看出，随着频率的升高趋肤深度不断减小。当f=1GHz时，电流主要集中在铜表面下0.00209mm的深度内。,对于很长的圆柱形导体，比如导线来说，如果它的直径D 比d大很多的话，它对于交流电的电阻将会相当于一个中空的厚度为d的圆柱导体对直流电的电阻。 其中：L=
7、导线的长度D=导线直径,对于半径为d的圆柱形导体来说，可以用趋肤深度和直流电阻来计算射频电阻。 当频率f500MHz时，射频电阻RFC与直流电阻RDC有如下近似关系， 例如，当射频频率f =1GHz时，铜的趋肤深度=0.00209mm。如果导体半径d=0.5 mm，导体的射频电阻为239RDC，即射频电阻达到直流电阻的239倍。当直流电阻已知时，就可以计算出射频电阻。,1.4.4 无源器件的寄生参数 分布参数的存在会改变无源器件的电特性，使电阻器、电感器和电容器的等效电路变得复杂。例如，一些在低频电路中表现为纯电阻的电阻器在射频电路中会表现出电感和电容特性，除具有电阻外还具有电抗。 为减小寄生
8、电阻、电感和电容的影响, 射频电路常使用小尺寸的片状电阻或片状电容,使得元器件的尺寸尽可能小于射频信号波长。 低频电路中使用的器件一般不适于射频电路。 为了防止混淆，生产厂商会给出元器件的使用频段。,1.4.5 射频向外辐射和电路内部互相耦合 射频电路中的信号很容易在电路内部元器件之间互相耦合，也很容易从电路向外辐射。因此，射频电路元器件之间以及电路与环境之间的耦合效应非常严重。射频电路中的耦合干扰会产生一些奇怪现象，这在直流电路中是不存在的，在低频电路中也是被忽略的。 由于射频电路的这些特点,在元器件、传输线的选用和对它们的布局上都与低频电路不同。普遍采用尺寸小的元器件；采用同轴线、平行线、
9、带状线、微带线和镀银铜线作为传输线；以及需要将一些元器件，甚至整个电路屏蔽起来。,1.5 射频系统的基本电路 射频电路主要应用在无线通信领域,各种射频无线通信系统有类似的结构。下面以移动通信为例介绍射频系统的基本组成。,图中所示的方框图包含了发射机电路、接收机电路和天线。天线接收到的信号通过双工器进入接收通道, 然后通过带通滤波器进入低噪声放大器。滤波的目的是保证只让频带内的信号通过,抑制频带外的噪声。放大的目的是提高功率，放大接收到的微弱信号。射频信号在混频器中与本振信号混频生成中频信号,中频信号的频率为本振信号频率与射频的差值。中频信号的频率比射频信号的频率低很多。上述处理过程属于射频电路
10、的范畴。中频信号经过模数转换送入数字电路进行处理。发射的过程与接收的过程相反,在发射通道中，首先利用混频器将中频信号与本振信号混频, 生成射频信号,然后将射频信号放大，最后经过双工器由天线辐射出去。,下表列出了GSM移动通信系统的发射频率。表中上行频带是指手机发射的频率范围,下行频带是指手机接收的频率范围。,为了使图中的射频系统正常工作，就需要按照要求对射频电路进行设计，其中包括滤波器的设计、放大器的设计、混频器的设计及振荡器的设计等,这些电路都是射频电路的基本组成部分, 需要使用射频电路的设计方法。 以放大器为例,低频电路放大器的设计只关心增益。射频电路放大器的设计不仅需考虑增益,还需考虑阻
11、抗匹配、稳定性、交直流隔离、低噪声等多方面的因素。 1、射频放大器的输入输出端需要阻抗匹配,以便消除射频反射，保证最大功率输出。,2、需要对放大器进行稳定性设计。如果放大器不稳定,将出现振荡倾向,甚至成为振荡器。传输线的分布参数和元器件的寄生参数，以及射频反射都可能使放大器工作不稳定。 3、射频放大器交直流电路之间需要隔离。防止射频放大器交流信号对保障射频电路正常工作的直流偏置电路的干扰。 4、接收机电路的前置放大器应该是低噪声放大器。这样可以避免天线接收的微弱射频信号受到干扰。 不仅射频放大器的设计较低频电路复杂, 射频滤波器、振荡器的设计也比相应的低频电路复杂得多。,1.6 射频电路的布局
12、和构造 1.6.1 印刷电路板 由于分布参数和寄生参数对射频电路工作的影响很大，所以射频电路中对元器件的布局十分讲究，希望尽量降低这些参数的影响。例如，一个由100pF电容器和1H电感器组成的调谐电路，理论调谐频率是15.92MHz。但是，如果电路的元件布局不合理就会产生25pF的额外电容量。该电容量与100pF电容器并联，总电容量为125pF，调谐电路的谐振频率降低到只有14.24MHz。在这种情况下，除了产生额外的电容量，还会产生额外的电感量。 降低导线分布参数对射频电路影响的有效办法是采用印刷电路板，如p.7图1.3所示。印刷电路板的特点是印刷线路很薄，这样可以减少分布电感和趋肤效应。,
13、除印刷电路板外，射频电路也可以安装到打孔板上，如p.89的图1.4图1.7所示。打孔板的制作方法就是用钻头在绝缘板上有规则地打上小孔，然后在每个小孔上都铆上铜铆钉，以便焊接元器件。还有一种打孔板是用印刷电路板制作的，它的背面没有印刷电路，只有规则排列的一个个相互隔离的铜皮印刷圆点，在每个印刷圆点的中心都打有一个小孔，用于焊接元器件。 1.6.2 机壳和机箱 射频电路最好屏蔽在密封的金属壳内。这样可以防止射频信号辐射出去产生对其它设备的干扰；也可以避免外部信号对射频电路的干扰。为了达到屏蔽效果需要使屏蔽金属壳完全密封并且接地良好。 p.1011的图1.8图1.11是几种射频电路的机壳。,1.6.
14、3 阻抗匹配 对于低频电压放大器来说，为了获得足够大的电压放大倍数，要求负载的输入阻抗远大于放大器的输出阻抗。 对于射频电路来说，情况就不一样了。如果后级电路的输入阻抗与前级电路的输出阻抗不匹配，前级输出到后级的信号就将反射回前级，使前级出现自激，破坏电路的稳定。阻抗匹配对于确保电路工作稳定是必须的。在传输大功率时阻抗失配还可能导致发生击穿。 为了使传输线向负载有最大的功率转移，负载阻抗也应与传输线的特性阻抗相匹配。,如果负载阻抗与传输线的特性阻抗不匹配，就需要在传输线的输出端与负载之间接入阻抗变换器，使后者的输入阻抗作为等效负载而与传输线的特性阻抗相等。阻抗变换器的作用实质上是人为地产生一种反射波，使之与实际负载的反射波相抵消。 不仅如此，还需要考虑传输线输入端与信号源之间的阻抗匹配。 由于阻抗匹配对射频电路很重要，国际上对射频电路的阻抗做了统一规定，只允许有50、75 、300和600几种阻抗值。这样有利于射频电路的互连互通和阻抗匹配。其中50应用最为广泛。,
