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1、RF2000射频电路实训系统实验指导书RF2000射频电路实训系统实 验 指 导 书深圳市安泰信电子有限公司实验目录实验1 傅立叶分析6实验2 频谱分析仪13实验3 射频传输线23实验4：传输线上的波31实验5：阻抗匹配37实验6：定向耦合器40实验7：滤波器45实验8 宽带放大器的频率特性49实验9 线性放大器的动态范围53实验 10: 射频天线59实验11 压控振荡器66实验12 射频调制器70实验13 射频发送机79实验14：混频器83实验15：检波器89实验16 射频接收机93实验 17: EMC测试99实验 18: S参数测试9917.4 测试内容与实验106(详细见安泰信AT RF
2、-2000实验指导书)概 述随着信息时代的到来，科学技术的发展，通信已成为国防现代化、国民经济建设以及人们日常生活中必不可少的一部分，其应用极为广泛。在航空航天技术领域中，通信是信息传递、控制指令、测试数据等各种重要信息的传输工具。随着卫星通信、移动通信、个人通信等技术的飞速发展，射频(RF)技术成为人们关注的焦点，培养具有射频理论和实际知识的人材也成为学校和社会共同的迫切需要。然而众所周知，射频技术与其它相近的技术相比，有相当的特殊性和困难之处。其中一个重要的方面，就是必须使学生在课程学习之外接受一定的实际训练，这样他们才能顺利进入射频技术的大门并为今后的发展打下基础。本射频教学实验的设置，
3、就是为了使学生通过实验更多地获得有关射频系统的基本构成、工作原理、模拟分析、测试仪器和测量技能方面的理性和感性认识，真正掌握时域和频域、传输线、电波传播、天线、波导、射频模块、及射频通信等基本的概念，并学会使用重要的射频测试仪器。本射频实验指导书包括的实验内容如下：实验 1: 傅里叶分析实验 2: 频谱分析仪实验 3: 射频传输线实验 4: 传输线上的波实验 5: 阻抗匹配实验 6: 定向耦合器实验 7: 滤波器实验 8: 宽带放大器的频率特性实验 9: 线性放大器的动态范围实验 10: 射频天线实验 11: 压控振荡器实验 12: 射频调制器实验 13: 射频发送机实验 14: 混频器实验
4、15: 检波器实验 16: 射频接收机实验 17: EMC测试与其它射频和微波实验体系不同，本实验体系主要基于频域技术和频谱测量仪器。这样做主要有以下两方面的考虑：首先，对射频通信、传感、信号处理等这些最重要的领域而言，频域包含了许多在时域不便表示或难以测量的重要信息，因而利用高灵敏度和宽动态范围的频谱分析仪，我们可以很方便的测量低电平调幅、调频和脉冲调制的射频信号，亦可测量载波频率、调制频率、调制电平和调制失真，同时也可很容易地检测到变频器件的变频损耗、隔离度和失真度等特性；而更重要的是，尽管频谱测量的优势早已得到公认，但频谱分析仪的高昂价格却使得它一直深藏于研究部门而难得与广大学生见面，但
5、随着国产高性能价格比的AT5011频谱分析仪的面世，频谱分析仪成为射频系列教学实验主要测量仪器的想法变成了现实。与普通示波器相比较，大多数学生对频谱分析仪要生疏得多。因此在此教学实验体系中，首先通过实验 1: 傅里叶分析和实验 2: 频谱分析仪这两个实验，使学生建立时域和频域、时域测量和频域测量的概念并初步熟悉AT5011频谱分析仪的使用。实验 3: 射频传输线、实验 4: 传输线上的波、实验 5: 阻抗匹配和实验 6: 定向耦合器这一组实验，是为了使学生建立电磁波、射频传输线、反射、驻波和阻抗匹配的基本概念，并学习使用频谱分析仪和近场探头进行驻波测量的原理和方法。实验 7: 滤波器、实验 8
6、: 宽带放大器的频率特性、实验 9: 线性放大器的动态范围和实验 10: 射频天线这几个实验，可以让学生进一步学习如何利用AT5011具有的跟踪发生器和频谱分析仪功能，测量射频电路和模块的频率响应曲线，提取它们的特性参数。实验 11: 压控振荡器、实验 12: 射频调制器和实验 13: 射频发送机使学生学习和了解射频发送模块和系统。实验 14: 混频器、实验 15: 检波器和实验 16: 射频接收机使学生学习和了解射频接收模块和系统。实验 17: EMC测试是一个综合应用实验，使学生学习如何应用已有的基础知识和实验技能解决实际问题。采用本射频教学实验系统的师生，可以根据自身的特点和需求对上述实
7、验进行增删，编者可以提供必要的帮助和支持。本射频教学实验系统所使用的主要实验仪器和模块有：AT-801D频率合成信号发生器 1 件AT5011+ 频谱分析仪1 件（带系列探头）AT7328 示波器1 件DDTO-1-30 双定向耦合器 1 件DDTO-1-20 单定向耦合器 2 件TJ8-2 同轴检波器2 件TPR-1802D 电源1 件阻抗变换器 2 件振子天线 2 件压控振荡器模块2 件（产生5001000M载波和AM, FM调制；或本振）滤波器模块1 件（高通、低通、带通、带阻）混频器模块1 件（载波中频）中频放大器模块1 件函数发生器模块（正弦波、方波和三角波等）1 件FM检波模块1
8、件微带传输线模块1 件（长200mm以上）电源接入模块2 件（通过射频接头接入直流电源） 为控制试验装置和仪器成本并更好地适应更广泛的需求，本实验指导书主要是针对1GHz以下频率范围而编写的，但基本理论和测试技术对更高的频率也同样适用。特别是所提供的软件模拟技术，并不会受到频率高低的限制。用1GHz以下频率实验验证了软件模拟技术的正确性之后，完全可以用之以推知更高的频率的基本情况，并为进一步的实验研究作好准备。我国最大的、也是目前唯一的生产工业民用频谱分析仪的企业，深圳市安泰信电子有限公司提供了本射频教学实验系统所使用的主要实验仪器和模块，公司汤勇军总经理对本射频教学实验指导书的编写给予了极大
9、鼓励和大力支持，公司上海研发部黄伟伦总工对实验方案提出了宝贵的具体意见，在此特别表示感谢。实验1 傅立叶分析1.1 实验设置的意义分析电气信号，对许多工程师和科学家以及电子产业的许多相关人员来说是一个基本的问题。依靠传感器还可以将非电信号转换成电信号再行分析，因此可以说对电信号的分析测量，是理工高等学校学生需要牢固掌握的基础知识和基本技能。各种物理量变换成电气信号后，有多种仪器可对它们进行时间和频率两种领域内的分析。传统上，特别是在频率相对较低的情况下，观察电气信号是用一台示波器，也就是显示电信号随时间变化的函数x(t)。事实上，普通示波器只能显示稳态的周期信号的变化。然而，对时域波形函数x(
10、t) 的观测并不总是那样容易得到需要的结果，即使那些形式比较简单，可以用初等函数及其组合表示的时域波形函数，也不容易一目了然地看出它的成份。这时借助频谱分析的方法往往可以获得比较好的结果。另一方面，从工程实际上看，并非所有器件和电路的特性都可以用时域来完全表征。许多电路元件，诸如放大器、振荡器、混频器、调制器、检波器和滤波器，能最好表征其特性的是频响函数。这时在频域进行观测可以得最好的结果。频域分析在许多场合中具有时域分析所无法比拟的优点。某些系统原本就与频域相关，比如通信中的频分复用（FDM）系统。广播电台也采用了频分复用方式，每个电台在一定地区占据特定的频段。射频接收机实质上是一个选频检波
11、器，本质上也是一种频域装置。另外，多种信号在频域中往往比在时域中更容易分离。例如，一般的开关电源的输出包含有较大的50 Hz工频 (及其谐波)和开关电源产生的其它频率。虽然通过时域测量可以辨别两者中哪一个最大，然而，若存在多种频率便难以用示波器观察，但利用频谱分析则很容易区分这些频率成分。进行频域测量，就需要不仅能鉴别出各频率组成，并且可读取各频率分量电平的仪器，频谱仪就是这类仪器之一。它能在示波管屏幕上显示相应于频率的电压或功率，即显示被测信号幅度与频率的关系，这种测量属于频域技术。1.2 实验目的1 了解傅立叶分析的思想和一般方法。2 理解信号时域测量和频域测量的概念。3 对信号时域测量和
12、频域测量的理论结果进行比较4 理解信号时域测量和频域测量理论结果的内在联系。5 通过实验熟悉典型信号的波形和频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。1.3 实验原理1.3.1 信号的时域观测和频域观测用示波器观察电信号，观察到的是信号的幅度与时间的关系，这种测量属于时域技术。在时域里，信号的所有频率分量都按不同的时刻叠加在一起的。用频谱仪观察电信号，观察到的是信号幅度与频率的关系，准确地说，是不同频率成份幅度的大小，这种测量属于频域技术。在频域范围，复合信号的各频率成份都分隔开，并且每中频率成份的功率电平都被显示出来。频域测量就是将复合信号的各频率成份都分隔开，并且把每种频率成份的功率电平
13、都显示出来，即是对不同频率成份的电平变化的图示，因此频域测量结果中包含了许多在时域不能清楚表示的信息。图1-1 是对两个不同频率成份构成的信号进行时域测量和频域测量的示意图。图1-1 在时域和频域观测复杂信号频谱分析理论，即傅立叶(Fourier)或傅氏理论，能把频域技术与时域技术有机地联系起来。所需要的数学工具是傅氏级数和傅氏积分，包括稳态周期函数的傅氏级数表示，非周期函数的傅氏变换和离散(数字化)信号的离散傅氏变换。1.3.2 周期信号的傅立叶级数当周期性函数x (t)=x(t+T) 满足Dirichlet条件时，则此函数可用三角函数的级数表示：式中，式中， 基频(Hz)=信号周期和的关系
14、是=1/利用傅氏级数时，周期信号可以展开成无限多个正弦项和余弦项之和。这些正弦项和余弦项的加权由系数和给出。将函数与各系数相关的正弦或余弦相乘后再进行积分(在一个周期上)，便能求出这些系数所对应的正弦项和余弦项均为基频的谐波。一项直接反映了波形的平均直流值，常常可以用直观的方法求得。另外和两项还可以组合成一个复系数，以便给出傅氏级数的复数形式。用复指数代替正弦项和余弦项可得式中,注意，傅氏级数的复数形式的表达式中，n的范围从-到+，而原始表达形式则将n限定为正值。在考虑包含有负频率的傅氏级数时，便可选择复数形式。上式中的系数2考虑了在复数形式中有许多项(既有n为正、又有n为负的项)出现两次。只
15、包含正频率的频域称为单侧频域，同时包含正频率和负频率的频域称为双侧频域。傅氏级数中的每一项提供了每项级数对应频率的幅度和相位信息，它们可通过积分、查表或数学软件(如Matlab)来求出。1.3.3 非周期信号的傅氏分析和傅氏变换1 傅氏变换尽管信号的傅氏级数表示很有效，但这仅限于周期信号。非周期信号可以通过傅氏变换在频域内表示。一个时域信号x(t)的傅氏变换是式中=信号的频域表示信号的时域表示=频率傅氏变换将时域信号变换成连续的频域表达形式。应当注意的是，按照定义，傅氏级数的表达式中只包含基频及其谐波。它的频谱不仅是离散的，而且只在谐波处才出现。傅氏变换则不仅可以表示离散频率，而且更经常用来表示频域中的连续分布，因此，时域中的单次事件(如脉冲)也可以在频域中表示。2 单脉冲的傅氏变换单个脉冲是电路中最常见的电信号，以它为例，让我们来确定单个脉冲（图1-2 上图）的傅氏变换。图1-2 单个脉冲（上）及其频谱（下） 脉冲的频域表示具有(sin x)/x的形式（图1-2）。注意，该函数为连续函数，它遍布包括正、负两个方向上的整中频率范
