第二讲(杨雪霞)现代无线信息系统中的射频前端技术

1现代无线信息系统中的射频前端技术2012.12.4通信与信息工程学院通信与信息工程学院SchoolofCommunicationandInformationEngineeringSchoolofCommunicationandInformationEngineering杨雪霞2思考题1.什么是射频前端？请举出六个以上属于射频前端的部件。2.无线系统接收端和发射端的三个关键射频部件分别是什么？3.天线的重要指标有哪些，依次举出最重要的三个。3提纲一、电磁学发展简述二、什么是射频前端三、射频前端部件介绍四、射频前端研究方法研究方法五、前沿课题44电磁波的发明经历了100多年Farady1791-1867库仑Coulomb1736-1806安培Ampere1775-1836Maxwell1831-1879Herhz1857-1894100多年一、电磁学发展简述5赫兹实验1887年发射和接收电磁波1864年：Maxwell发表的论文奠定了现代电磁理论的基础1887~1891：HeinrichHertz，做了一系列实验，证明了Maxwell的电磁波理论。一、电磁学发展简述电磁波理论和实验66马克尼的工作1895年无线电报传送实验一、电磁学发展简述电磁波理论和实验77一、电磁学发展简述电磁波理论和实验8forgroundbreakingachievementsconcerningthetransmissionoflightinfibersforopticalcommunicationCharlesK.Kao2009NobelPrizeinPhysics一、电磁学发展简述91885~1887年：OliverHeaviside，发表了一系列论文，奠定了导波和传输线理论。1897年，LordRayleigh，数学物理学家，提出规则波导理论1936年，两个人分别同时进行了实验验证GeorgeC.Southworth（AT&T）W.L.Barrow（MIT）一、电磁学发展简述波导理论和实验10二极管三极管振荡器一、电磁学发展简述有源器件111940s,微波技术被用在雷达中，在二战期间扮演了很重要的角色微波网络理论一、电磁学发展简述雷达12MicrowaveIntegratedCircuit(微波集成电路MIC)一、电磁学发展简述平面传输线1960s年代末生产出第一片MMIC13提纲一、电磁学发展简述二、什么是射频前端三、射频前端部件四、射频前端研究方法研究方法五、前沿课题14410310210110110210110210310210μm)((nm)中红外m6.5m4.076.0近红外m5.13103510310103410微波：300MHz-3000GHz射频：30KHz~二、什么是射频前端15卫星通信系统二、什么是射频前端16多普勒雷达框图二、什么是射频前端17脉冲雷达系统方框图二、什么是射频前端18二、什么是射频前端蓝牙通信:2.4GHz~2.48GHz目的：取代电缆，安全性+美观功能：同时处理数据和语音传输蓝牙适配器系统19二、什么是射频前端蓝牙通信的高集成射频前端模块芯片RDAT224T/R射频开关尺寸5×5mm2PA和LNA:砷化镓异质结双极晶体管(GaAsHBT)工艺T/R射频开关采用增强型高电子迁移率场效应晶体管(E-PHEMT)工艺PA增益20dB，LNA增益15dB，（2.4-2.5GHz）；100m，输入、输出50Ω20二、什么是射频前端微波衰减法测湿框图21什么是射频前端？频率范围：30KHz~3000GHz功能：发射、接收和处理射频信号举例：天线、滤波器、功放、低噪声放大器、混频器、双工器、衰减器、定向耦合器，等22提纲一、电磁学发展简述二、什么是射频前端三、射频前端部件四、射频前端研究方法五、前沿课题23天线微波无源器件：滤波器、功分器、定向耦合器、隔离器、衰减器、移相器、阻抗变换器、耦合器微波有源器件：LNA、PA、双工器、开关三、射频前端部件24天线性能的基本参量方向性和增益方向性系数、半功率波束宽度、方向图工作频率驻波比（反射系数）：输入阻抗：系统匹配圆极化轴比其它：有效口径、有效高度、辐射电阻、天线温度天线三、射频前端部件25方向性（D）和增益（G）方向图（波瓣图）PrSMr相同rPMrSSDG,0204rPSr信号最大信号为0天线性能的基本参量天线三、射频前端部件26天线温度主要包括天空、旁瓣和后瓣的贡献工作频率和工作频带中心频率：f0BWhl0f-ffBWhlf-f:hlff绝对频带：相对频带频比工作频带天线性能的基本参量天线三、射频前端部件27线天线面天线缝隙天线天线的种类按照辐射源分类前馈天线（偏馈）后馈天线按照馈源位置分类移动通信天线、卫星通信天线射电天文天线、雷达天线导航天线……按照应用分类谐振式天线（频带窄）宽频带天线超宽带（UWB）天线按照频带分类定向性天线全向性天线按照方向性分类天线三、射频前端部件28电小天线短电偶极子方向图D=1.5ILd信号为0三、射频前端部件29小环天线缝隙天线金属板缝隙D=1.5D=1.5与短电偶极子方向图相同的小天线300MHz——1m电小天线三、射频前端部件30振子天线（别名：鞭状天线、偶极子天线、线天线）套筒振子射频场天线长度与波长的关系：11354244、、、、多用于移动通信系统设计：工作频率，增益——长度50Ω——天线直径三、射频前端部件31频率范围：2400–2483.5MHz带宽：83.5MHz增益：7dBi驻波比：≤1.5阻抗：50Ω极化方式：垂直极化最大功率：50W接头型号：SMAmale尺寸：22cm重量：100g手机天线振子天线三、射频前端部件32车载天线振子天线三、射频前端部件33频带：824-960MHz阻抗：50Ω增益：11dBi驻波比1.5功率容量：200W半功率波束宽度：40°（H面），46°（E面）CDMAGSM八木天线振子天线（阵）三、射频前端部件34重量较轻中等增益宽频带如4:1频宽，7dBi增益需偶极子数10个线极化在任何平面上，容易进行极化调整。振子天线（阵）对数周期天线以上天线都属于线天线三、射频前端部件35438.450MHzMaxon环天线——一种线天线三、射频前端部件36螺旋天线增益较高，如16圈时，D=15dBi频带宽圆极化性能好，如轴比AR=1.03（理想值为1）可用金属网格代替三、射频前端部件37Fleetsatcom中继同步卫星两个天线分别做为发射和接收螺旋天线三、射频前端部件38俄亥俄州立大学设点观测站的射电望远镜螺旋天线96支、11圈、单绕，螺旋天线阵曾用来测绘第一张最广幅的射电天文图三、射频前端部件39螺旋天线1985年20000km高空20cm工作波长（1.5GHz）24颗，分布于围绕地球的椭圆轨道。定位精度1m全球定位卫星（GPS）三、射频前端部件40喇叭天线27.5whD226.5rD重要几何参量口径：w×h长度：L设计：工作频率——天线口径增益——长度L和口径50Ω——波导馈源波导管终端渐变张开的圆形或矩形截面的微波天线。它是一种面天线，也称为喇叭.三、射频前端部件41喇叭天线特点一般增益较高（不同频段在15dB-25dB）可设计工作频率高达110GHz（2.7mm）线极化应用多用于标准天线，实验测试的发射天线、大天线的馈源射电天文天线三、射频前端部件42喇叭天线喇叭天线性能改善加脊喇叭提高工作频带隔膜喇叭降低旁瓣皱纹喇叭减小交叉极化减小边缘绕射加脊喇叭三、射频前端部件43抛物面天线由抛物面反射器和位于其焦点处的馈源组成的面状天线叫抛物面天线馈源也是天线，安装在抛物面前方的焦点位置上，故普通抛物面天线又称为前馈天线。由馈源辐射出来的球面波被抛物面往一个方向(天线轴向)反射，形成尖锐的波束面辐射，所以是一种面天线。抛物面反射器馈源三、射频前端部件44应用：微波、毫米波高增益天线，如卫星通讯、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等。优点：方向性强（增益高）一般增益15dB-25dB；也可做得很大，如70m口径，C波段，增益达69dB工作频带较宽，可工作于110GHz频率抛物面天线三、射频前端部件451980年美国射电天文台（位于新墨西哥州）27个直径为25m的可转向抛物面天线组成cm波段可以观测数亿光年以远的射电源抛物面天线三、射频前端部件46一排27个9米口径的射电天线密云观测站2007年接收嫦娥一号信号的射电天线我国目前最大口径(50m)的抛物面天线天线基部是在圆形轨道上的四组轮子，保证天线可以360度转动；世界纪录：美国305米口径据报道：目前我国准备在贵州建设不动的500米口径射电天线。抛物面天线三、射频前端部件47卫星天线抛物面天线三、射频前端部件48平面印刷天线r重要几何参数：边长a，厚度h工作频率：边长a——谐振式天线a≈λ/2方向图：宽波束三、射频前端部件49实际天线阵增益：≥28.5dB带宽5%驻波：≤1.5极化方式：线极化、圆极化连接形式：SMA应用：车载、机载、卫星通信、雷达通信等领域。平面印刷天线三、射频前端部件50平面印刷天线几个手机天线三、射频前端部件51波导滤波器波导功率合成器/功分器卫星通信系统、雷达系统、微波测量系统波导十字耦合器三、射频前端部件52同轴功分器、合成器同轴耦合器同轴滤波器同轴阻抗变换器（50/75Ω）同轴开关三、射频前端部件53波导-同轴转换波导-微带转换三、射频前端部件54提纲一、电磁学发展简述二、什么是射频前端三、射频前端部件四、射频前端研究方法五、前沿课题55TheoreticalAnalysis（理论方法解析法）LaboratoryExperiments（实验测量）NumericalModeling（数值模拟）四、研究方法56理论方法天线微波无源器件：滤波器、功分器、定向耦合器、隔离器、衰减器、移相器、阻抗变换器、耦合器，等微波有源器件：LNA、PA、双工器、开关微波技术微波电路理论————天线理论57基于积分方程（SIE、VIE）：矩量法MoM基于微分方程：FDTD，有限元法FEM全波分析法：数值模拟电磁激励→电流→E、H→远场E、H（天线、散射）→V、I（微波电路）四、研究方法58几何光学GO、物理光学PO、几何绕射理论GTD、驻项法、SBR(shootingandbouncingray)法、……1)]ˆˆ(exp[)]ˆ(ˆ[ˆ2000sisdssirjkHnssGHkZjE远区的电磁场计算1)]ˆˆ(exp[)]ˆ[(ˆ200sisdssirjkHnsGkHjHsGdJHskˆsˆ例如：平面波入射到无限大平面，PO法解析法:(高频法)——电大尺寸四、研究方法59商业软件简介-HFSS1.HFSS：FEM算法——美国Ansoft应用：天线辐射微波无源电路信号完整性分析EMC/EMI，等四、研究方法60四、研究方法61商业软件简介2.Designer:MoM——美国Ansoft应用：天线辐射微波电路等,直接与其它电路元件的接口——系统仿真3.IE3D：基于体积分方程四、研究方法62XFDTD应用微波电路、射频器件设计天线设计生物电磁效应计算（SAR值计算）电磁散射计算光子学计算电子封装，电磁兼容分析商业软件简介4.XFDTD：FDTD算法——美国Remcom四、研究方法63应用通信、电源、电气和电子设备等系统的复杂电磁场耦合辐射特性EMC/EMI商业软件简介5.CSTMWS：FIT算法——德国CST用CST进行卫星整星EMC和飞机RCS计算的实例四、研究方法64商业软件简介6.WirelessInsite：射线跟踪法（美国Remcom）城市中信号强度和射线路径非规则地形传播用于室外，室内以及不规则地形等情况