射频知识PPT.

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1、射频电路基础知识 RF Circuit Basic Knowledge * 目录 1. 射频电路的应用和分类 (Application For RF Circuit) 2. 射频电路的基本理论和参数定 义(Basic Theory and Parameter Define) 3. 射频电路中的常用元件和功能 (General Components and Their Function) 4. 射频测试中的常用仪器介绍 (General Instruments In RF Test) 2 1.1 射频电路应用和分类(a) 目前, 射频(RF)电路主要用于通信系统中,如:手机(Cell Phone

2、),无线局域网(Wireless LAN),无线广播系统(电视和收 音机)等;但也有其它方面的应用: 如雷达探测系统用远距离探测 试,微波炉利用微波功率来加热食物. Line ( Coaxial Cable ) Digital Radio Satellite 3 1.2 射频电路应用和分类(b) 在RF通信系统中按照通信终端间是否有射频 电缆连接又可分为有线射频通信系统和无线 射频通信系统 有线射频通信系统有:有线电视(CATV),通过 有线电视线连接数字连接的Cable Modem, 通过电话线传输的数字用户回路(DSL),包括 ADSL,HDSL,VDSL等. 无线射频通信系统的:无线电话

3、(手机),无线传 输的电视和收音机广播系统,无线局域网 (Wireless LAN),蓝牙(BlueTooth)等 4 1.3 射频电路应用和分类(c) 按照通信系统中各终端间传输信号是数 字信号还是模拟信号又可分为模拟RF通 信系统和数字RF通信系统: 模拟RF通信系统,相对于数字RF通信系统,模拟 RF通信系统较为落后,其抗干扰能力较弱,点用 带宽较多,但系统较为简单,主要用于较早开发的 系统中,如:电视(当前制式),音频广播(收音机), 第一代的手机通信系统等. 数字RF通信系统,由于其有较多优点,已经广泛 使用于多种通信系统中,如Wireless LAN,GSM 手机,蓝牙系统,卫星通

4、信系统等. 5 1.4 射频电路应用和分类(d) 对于RF数字通信系统,根据数据速率的不同,可 分为宽带(高速)RF通信系统和窄带(低速)通信 系统,一般将通信速率大于2Mbits的通信系统称 为宽带RF通信系统,低于2Mbits的通信系统称 为低速RF通信系统. 常见的宽带通信系统有微波帧中继系统 ,LMDS(Local Multipoint Distribute Service，本地多点分配业务)以及将来的3G手 机系统等. 常见的窄带通信系统有:蓝牙系统,2G手机系统, 数字音频广播系统(DAB),数字无绳电话网 (DECT,Digital Enhanced Cordless Telec

5、ommunications)等. 6 1.5 常见RF数字通信系统的速率和距离分布图 7 目录 1. 射频电路的应用和分类 (Application For RF Circuit) 2. 射频电路的基本理论和参数定 义(Basic Theory and Parameter Define) 3. 射频电路中的常用元件和功能 (General Components and Their Function) 4. 射频测试中的常用仪器介绍 (General Instruments In RF Test) 8 2 射频电路的基本理论和参数定义 1. 射频(RF)电路的定义 2.传输线特性阻抗Z0 3.R

6、F功率定义和计算 4.不连续端口的功率分布 5.信号调制方法 9 2.1 射频(RF)电路的定义 RF: Radio Frequency,本身没有严格的定义 ,目前一般将在空间传播的频率从3k到300G 的电磁波称为射频. 射频电路: 处理信号的电磁波长与电路或器件 尺处于同一数量级的电路可以认为是射频 (RF)电路,此时由于器件尺寸和导线尺寸的关 系,电路需要用分布参数的相关理论来处理,这 类电路都可以认为是射频电路,对其频率没的 严格的要求,如长距离传输的交流输电线(50 或60Hz)有时也要用RF的相关理论来处理. 10 2.2 传输线的特性阻抗Z0 RF传输线上的电压与电流比称为传输线

7、的特 性阻抗,由于电压和电流都是矢量,所以特性阻 抗Z0是一个与信号频率相关的复数,它主要由 传输线自身的分布参数决定: Z0=SQRT(R+jL)/(G+jC) 当传输线的损耗很小时,可以认为R=G=0,信 号频率对特性阻抗值影响很小,此时可以认为 Z0为与频率无关的实数: Z0=SQRT(L/C) 其中L和C为分布电感和分布电容. 目有多数测试系统传输线特性阻抗均设置为 50. 11 2.3 RF功率定义和计算 由于RF电路功率变化范围很大,传统的结性 单位定义很不方便,故使用对数单位.定义线 路中功率为1mW时为0dBm,由如下公式可 以对对数功率和线性功率进行互相转换: A=10x(l

8、og10(B/1mW)=10x(log10B)+30 (其中A为对数功率,B为线性功率) 1. 线性功率为1W时, 对数功率为30dBm 2. 线性功率为1uW时,对数功率为-30dBm dBm为绝对功率,dB用来计算相对功率,主要 用来计算功率的改变量,如增益和损耗的单位 . 12 2.3 RF功率定义和计算 dBi 和dBd dBi和dBd是表示天线功率增益的量，两者都是一个 相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全 方向性天线，dBd的参考基准为偶极子，所以两者 略有不同。一般认为，表示同一个增益，用dBi表 示出来比用dBd表示出来要大2.15。 例 对于一面增益为16dBd的天

9、线，其增益折算成单 位为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数位，为 18dBi）。 例 0dBd=2.15dBi。 13 2.4 不连续端口的功率分布(a) RF功率沿传输线经过阻抗不连续端口时,有与光通过 不连续介面的情况类似,入射功率会分成两部分:端口 吸收功率和反射功率. 定性的分析:当传输线阻抗与端口阻抗相差越大时反 射功率越大,端口吸收功率越小;反之当二者阻抗相差 越小时,反射功率越小,端口吸收功率越大. 考虑两种极限情况:输入端口阻抗为0或为无穷大时, 端口完全无法吸收功率,此时反射功率与入射功率相 等,而端口吸收为0;当端口的输入阻抗与传输线阻抗 完全相同时,输入功率完全

10、被端口吸收,反射功率为0, 此时我们称之为匹配(Match),实际电路中,为了让RF 信号沿着设计的路径通过,所有端口间应尽可能匹配! 14 2.4 不连续端口的功率分布(b) 反射系数:传输线上一点Z(端口)处反射信号电压(或 电流)与入射信号电压(或电流)之比定义为电压(或电 流)反射系数z,该参数由传输线阻抗(Z0)和输入端口 (Zi)阻抗决定: z=(Zi-Z0)/(Zi+Z0) 驻波比(VSWR):传输线上波腹点电压振幅与波节点 电压振幅之比为电压驻波比,或称为驻波系数. =|U|MAX/|U|MIN=(1+ |z|)/(1-| z|) 当反射系数为0时,驻波比为1,当反射系数接近1

11、(实际 情况下不可能为1)时,驻波比取值接近无穷大 15 2.5 信号调制方法(a) 什么叫调制? 调制是将需要传输的信息编码和处理,使其适合传输 的过程.一般的调制过程是指将基带信号搬移到更高 的频带内. 为什么需要调制? 基带信号一般不适合直接传输,需要将其移至适合在 传输媒介传输和频带范围内. 提高频率利用效率. 利用较高的频带传输信号可有效降低接收和发送天线 的尺寸(如语音信号不加以调制, 其最小波长 (F=20KHz时)为15Km) 可让多个使用者同时复用一个频段. 16 2.5 信号调制方法(b) Baseband Signal (Information: Data, Voice,

12、 Video) Analog InformationDigital Information CW Carrier AMFMPMASKFSKPSK Combination (QAM,CAP,) Analog ModulationDigital Modulation 17 2.5 信号调制方法(c) 模拟调制:被调制信号为模拟信号. 分为: 幅度调制(AM),频率调制(FM)和 相位调制(PM) 数字调制:被调制信号为数字信号. 分为:振幅键控(ASK),频移键控(FSK), 相移键控(QSK),开关键控调制(OOK)以 及ASK与PSK的组合调制如 (DPSK,QPSK,8PSK等) 18 2.

13、5 信号调制方法(d) 模拟调制: AM FM PM PM其实也是频率调制,只是调制时 对频率的控制精度更高,调制电路也较为复 杂. 19 2.6 信号调制方法(e) 数字调制: ASK FSK PSK OOK 20 目录 1. 射频电路的应用和分类 (Application For RF Circuit) 2. 射频电路的基本理论和参数定 义(Basic Theory and Parameter Define) 3. 射频电路中的常用元件和功能 (General Components and Their Function) 4. 射频测试中的常用仪器介绍 (General Instrumen

14、ts In RF Test) 21 3 射频电路中的常用元件和功能 1.分路器(Splitter) 2.耦合器(Coupler) 3.衰减器(Attenuator) 4.终端(Terminator) 5.功率放大器(Power Amplifier) 6.隔离器(Isolator) 22 3.1 RF分路器 分路器: 将一路输入信号分为两路或多路的无 源RF器件,多数情况下所有输出信号功率相等 ,特殊情况也有N:1分路器,输入大功率信号时 该器件称为功分器. 下图为Wilkinson分路器模型: 23 3.2 RF耦合器 耦合器: 将两路或多路RF信号耦合到一路信 号中的器件,该器件主要作于增加

15、信号功率. RF电路中较常使用的一类既可用作分路器也 可用作耦合器的器件, 称为Hybrid,该器件用 作分配器时除了分配功率外还可改变输出信 号的相位,但是用作耦合器时也要将输入信号 的相位错开. 24 3.3 RF衰减器(a) 衰减器:衰减器是一类无源双端口器件,信号从一个端 口进入,当信号从另一端口输出时信号幅值会有一定 的衰减,我们将输入信号与输出信号的功率的差值(对 数)称为衰减值,单位为dB(相对值) 衰减器另一重要的参数为输入信号功率,由于RF信号 功率绝大多数都会转化为热功率,因此较大功率的衰 减器都会有散热片,并且功率越大,体积越大. 25 3.3 RF衰减器(b) RF电路

16、上常用的衰减器结构有T型和型两种,结构如 下图所示: 衰减值计算: 定义:Rins 为输出短路时的输入电阻,Rino 为输出开路时的输入电阻. Ro=SQRT(Rins*Rino) m=R2/R1 A=(1+m+SQRT(1+2m)/m Atten.(dB)=20Log(a) 26 3.3 RF衰减器(c) 步进衰减器和电可调衰减器 步进衰减器:如上图电路,将多个不同衰减器串连起来,通过开关有切换可 以得到不同的衰减值,这样的衰减器即为步进衰减器. 电可调衰减器:将上图的电路集成到芯片内部,再利用逻辑电路对和开关 进行控制,即可得到电可调衰减器,其衰减值可在线编程设定. 27 3.4 RF终端 终端(Terminator)是一个RF负载,无源器件, 特性阻抗应于RF电路的特性阻抗相同(一般为 50),主要用来消耗无用的RF功率,将其转化 为热能