射频基础知识

第一部分射频基本概念第一章常用概念一、特性阻抗特征阻抗是微波传输线的固有特性，它等于模式电压与模式电流之比。对于TEM波传输线，特征阻抗又等于单位长度分布电抗与导纳之比。无耗传输线的特征阻抗为实数，有耗传输线的特征阻抗为复数。在做射频PCB板设计时，一定要考虑匹配问题，考虑信号线的特征阻抗是否等于所连接前后级部件的阻抗。当不相等时则会产生反射，造成失真和功率损失。反射系数(此处指电压反射系数)可以由下式计算得出：ZlZoZlZoz1z0二、驻波系数驻波系数式衡量负载匹配程度的一个指标，它在数值上等于：VSWR11由反射系数的定义我们知道，反射系数的取值范围是0~1，而驻波系数的取值范围是1~正无穷大。射频很多接口的驻波系数指标规定小于1.5。三、信号的峰值功率解释：很多信号从时域观测并不是恒定包络，而是如下面图形所示。峰值功率即是指以某种概率出现的尖峰的瞬态功率。通常概率取为0.1%。SystemView00500.e-3500.e-3111.51.522-40-2002040AmplitudeTimeinSecondsSink1四、功率的dB表示射频信号的功率常用dBm、dBW表示，它与mW、W的换算关系如下：dBm=10logmWdBW=10logW例如信号功率为xW，利用dBm表示时其大小为五、噪声噪声是指在信号处理过程中遇到的无法确切预测的干扰信号（各类点频干扰不是算噪声）。常见的噪声有来自外部的天电噪声，汽车的点火噪声，来自系统内部的热噪声，晶体管等在工作时产生的散粒噪声，信号与噪声的互调产物。六、相位噪声pdBm()10logx10001相位噪声是用来衡量本振等单音信号频谱纯度的一个指标，在时域表现为信号过零点的抖动。理想的单音信号，在频域应为一脉冲，而实际的单音总有一定的频谱宽度，如下页所示。一般的本振信号可以认为是随机过程对单音调相的过程，因此信号所具有的边带信号被称为相位噪声。相位噪声在频域的可以这样定量描述：偏离中心频率多少Hz处，单位带宽内的功率与总信号功率相比。例如晶体的相位噪声可以这样描述：偏离中心频率10Hz100Hz1KHz10KHz单边相噪-120dBc/Hz-130dBc/Hz-140dBc/Hz-150dBc/Hz七、噪声系数噪声系数是用来衡量射频部件对小信号的处理能力，通常这样定义：单元输入信噪比除输出信噪比，如下图：Si、NiSO、NONFSiNiSoNo对于线性单元，不会产生信号与噪声的互调产物及信号的失真，这时噪声系数可以用下式表示：Pno表示输出噪声功率，Pni表示输入噪声功率，G为单元增益。级联网络的噪声系数公式：NF总NF1NF21G1...NFn1G1G2...Gn1NFSiNiSoNoNFPnoGPniG1、NF1G2、NF2Gn、NFnNF总NF1NF21G1...NFn1G1G2...Gn1第二章发信机一、发信机简介发信机实现了将调制信号调制并放大到合适的功率电平，以便于发信天线发射发信机主要有待调制信号处理部分、调制部分和功放三大部分组成发信机的核心单元是调制部分调制部分根据调制方法的差异，可以分为模拟调制、数字调制；幅度调制、频率调制和相位调制功放部分可以根据导通角不同分为A类、B类、AB类、C类等二、发信机组成的基本框图三、发调制部分发调制可以分为一次变频和两次变频两类。两次变频是指现在较低的频率上完成调制，在通过混频或倍频变为所需要的频率一次变频和两次变频相比具有电路设计难度大的劣势，具有成本低的优势BTS2.0采用了两次变频方案LPFMODLO1AMPMixerBPFLO2PAATNSignalBTS3.0采用了一次变频方案四、发信机指标发信机的指标主要分为三大类：功率类频率类调制类对于任何发信机，最重要的指标就是发射功率对于不同系统的发信机，根据调制方法和协议的不同，测试指标也不尽相同，下面介绍几个典型的指标。1、邻道泄露邻道干扰指标是用来衡量发射机的带外辐射特性，定义：邻道功率与主信道功率之比，通常用dBc表示，如下图：2、杂散辐射杂散辐射是指发信机发射的除信号之外的其他信号，它包括谐波分量、寄生辐射、交调产物、发射机互调产物等。对该指标的规定是为了提高系统的电磁兼容性能，以便与其他系统共存，当然这也保证了系统自身的正常运行。主信道邻道保护带3、互调指标发射机互调指标是来衡量多个发信机在一起工作时的相互干扰情况，设有两个发射机在一起工作，发信机B发射出的信号会经过发射机A的天线耦合至发信机A，从而与发信机A的信号产生交调，该交调称为发信机互调，如下图：4、调制精度调制精度指：发射信号调制波形与理想调制波形之间的矢量误差的方差与发射信号功率比值，再开方。发信机A发信机Bfbfa2*fa-fb理想位置实测位置矢量误差I信号Q信号第三章收信机一、收信机简介收信机实现了将微弱的无线信号接收、放大和解调，恢复为基带信号收信机主要由高频部分、中频部分和基带处理部分组成最新的接收机在中频部分开始实现数字化，号称SoftwareRadio（软件无线电），BTS3.0已经采用了部分软件无线电技术，表现在中频采样，数字化处理。二、超外差式接收机的框图BPFMixerMixerAMPLO1LO2AMPAMPBPFBPFDEMOD三、收信机指标收信机最基本的指标是接收灵敏度理论上接收机的极限接收灵敏度为Pmin=lgKTB+NF+C/N其中，K为波尔兹曼常数；T为信源绝对温度；B为等效噪声带宽；NF为系统噪声系数；C/N为解调门限载噪比四、无畸变动态无畸变动态指用来描述接收机不受三阶交调影响的整个接收信号电平范围，它的下限是所考虑带宽范围内的热噪声加上接收机噪声系数，它的上限是，系统产生的三阶交调产物刚好等于所考虑带宽范围内的热噪声加上接收机噪声系数时的信号电平。利用接收机输入三阶截止点IP3可以方便用下式表示：Pin下10logKTB()NFPin上132IP310logKTB()NF()SFDRPin上Pin下23IP310logKTB()NF()五、杂散响应杂散响应也称为寄生响应、寄生灵敏度。现在采用的接收机大都是超外差接收机，接收机接收到的能够与本振组合产生中频的信号很多，其中除主接收信号外的其他频点称为寄生波道，该频点产生的响应称为寄生响应。nfrmflfifrmflfin由上式中看到，当m=n=1，假设取负号时，fr为所要信号，则m、n的其他组合所得到的fr为寄生波道。六、邻道选择性邻道选择是考核接收机在相邻频道有信号时的接收能力，它等于接收滤滤器（指中频滤波器）在邻道频点处的抑制与通带插损的比值，通常用dBc表示。主信道邻道ACS七、阻塞与互调抑制阻塞指标是来考核接收机抗干扰能力，它描述的是接收机在接收的频道外存在单音或调制信号干扰，但干扰信号不在相邻频道或杂散响应频点上的情况，具体指标要求根据不同系统而定。阻塞指标一般要求接收机前端要有较高的三阶截止点（即大的线性动态），同时要求中频滤波器有较好的选择性。互调抑制同样是指接收机在工作时，同时有两个干扰信号进入接收机，这两个信号的三阶交调产物正好落在带内。互调抑制主要要求接收机前端有较高的三阶截止点。第二部分射频器件第四章分布参数电路一、微波传输线概述微波集成电路的无源电路部分大都采用微带线构成的分布参数电路。微带线是在低损耗介质板上制作的薄膜带条，它的结构可以理解为从同轴传输线演变而产生。图1-5（a）是同轴传输线，图中实线箭头代表电力线，虚线是磁力线。如果把外导体金属筒切开民成平板，由导体为薄，则构成对称三板带状线，如图1-5（b）所示。上、下两平板为接地板，处在同一电位，中间薄膜条夹在两片介质板中。若去掉上片介质板和金属板，就构成了微带线，如图1-5（c）所示。图1-5(c)称为标准微带线。此外，微带线还有许多变种形式，常用的几种如图1-6所示。图1-6的几种结构各有优缺点，其共同特点都是在介质基片上刻蚀的平面薄膜电路。由于介质的介电常数高，介质内波长短，因而微波集成电路尺寸得以缩小。几种集成电路传输线的特性比较可参见表所列。微波集成中路传输线特性传输线适宜的工作频率（GHz）可用的阻抗范围（Ω）传输线截面传输线Q值标准微带1~10015~100小低悬置可倒置带线1~15020~150小中等三板带线0.5~4015~100小低槽线2~6060~200中等低共面线2~6040~150中等低鳍状线30~15020~400中等中等二、介质基片与导体材料基片是微波电磁场传输媒质，又是电路支撑体。对基片的要求是微波损耗小，表面光滑搪地金属板搪地金属板搪地金属板微带导体介质基片图1.5同轴线和微带线（a）同轴线，（b）三板带状线，（c）微带线(b)(a)(c)电力线微带金属膜介质基片金属底板空气(d)(g)(e)(b)(a)(f)图1-6MIC常用的微波传输线(a)标准微带(b)倒置微带,(c)悬置微带。(d)三板微带(e)槽线，(f)共面线,(g)鳍状线度高、硬度强、韧性好、价格低。常用的介质及其特性如表所列。关于各种基片材料的特性和优缺点详见第十三章。最常用的介质基板是聚四氟乙烯纤维环氧树脂板和氧化铝陶瓷板。聚四氟乙烯纤维板价格便宜，双面用热压法覆以铜膜，可以直接光刻腐蚀成电路，加工简便，广泛用于1~12GHz波段的多种MIC电路。微波集成电路基板材料材料名称表面粗糙度（um）10GHz时的损耗正切（10-4）介电常数导热率（W/cm℃）应用与特点聚四氟乙烯纤维加强板10~152.5~2.8厘米波段MIC价格低，加工容易氧化铝（99%）2~52~50.3厘米波段至毫米波段蓝宝石0.5~119~9.50.4毫米波MIC人工复合介质2~200.01~0.05厘米波段，介电常数任意高介陶瓷1~220~800.01~0.05用于小尺寸电路Duroid2.2~4.0毫米波MIC石英0.1~0.513.80.01毫米波MIC，但易碎铁氧体102~513~160.03单向器件电路氧化铍2~1016.62.5导热好，用于功率器件硅110~100121.5MMIC砷化镓1612.90.46MMIC磷化铟140.68MMIC氧化铝陶瓷的介质损耗小，表面光洁，适宜于较高频段，而且介电常数高，制作的MIC小巧精致。但是陶瓷板需要真空镀膜，如工复杂，成本高。基片厚度大多数为0.5~1.0mm，毫米波段则用0.2~0.3mm为宜。基片过薄时，强度差，聚四氟乙烯纤维板容易翘曲，氧化铝陶瓷则易碎；基片过厚时，同样微波特性阻抗的微带线宽度过大，可能产生横向高次电磁场模式，也可能在基板厚度方向产生表面波模式，因而影响了电路的正常工作。对微带线金属膜材料的基本要求是：电导率高、稳定不氧化、蚀刻性好、容易焊接、容易淀积或电镀，对基板附着力强。表1-8给出一些常用金属导体材料。对于MIC来说，最常用的金属材料只是铜与金。材料表面电阻率cm2107f(f单位：HZ)趋肤浓度2GHZ（μm）热膨胀系数（10-8/℃）与介质附着力工艺方法银（Ag）2.51.421差蒸发铜（Cu）2.61.518差电镀蒸发、化学淀积金（Au）3.01.715差电镀、蒸发铝（Al）3.31.926差蒸发铬（Cr）4.72.79好蒸发钯（pd）3.611中蒸发、电镀、溅射钽(Ta)7.24.06.6好溅时三、标准微带线1、微带线中的电磁场微带线是MIC的基本元件，不论是MIC的使用者不是电路设计人都必须对微带线特性具有清楚的概念。微带线的结构与电磁场分布如图所示。微带线基板厚度为H，相对介电常数为εr。当介电常数远大于空气介电常数εo，而且频率较低时，电磁场基本上存于介质基板内。此时的电磁场模式可认为是横电磁波，即TEM波。但实际上总会有一小部分电磁场存在于空气中，在空气和基板交界面处出现电向分量，因此称之为准TEM波。微带线上的电流密度分布如图1-17（c）所示，微带边沿电流密度大，是电流损耗的主要组成部分。2、微带线参数微带线的主要电参数是特性阻抗Zo