射频基础知识资料

射频基础知识讲义提纲1、射频基本概念2、接收机系统3、发射机系统1、射频基本概念4、无线传输5、天线辐射场射频基本概念波长和频率本振相位噪声功率和增益差损阻抗的概念驻波比和传输功率、Smith圆图•真空中电磁波传播速度近似等于光速：波长和频率smfC/1038为真空中电磁波的波长，定义为电磁波在一个周期内于真空中传输的距离。•传输媒介相对介电常数大于1时，电磁波传播速度小于光速为：rrCfVrr为传输媒介中电磁波的等效传输线波长。•真空中BD发射波长约为18.5cm，接收波长约为12cm。•实际传输线中以上两项的传输波长要略小于所给值。•当电路尺寸或传输路径可与工作频段的四分之一波长相比拟时，需要考虑分布参数带来的影响，即传输路径上电压与电流这种传统的集总参数不再适用，主要原因是传输路径上电压或电流是震荡的波形，其周期与工作频率相关，这样导致在同一根导线上不同点的电压值(电流值)是不一样的，这就是射频电路与低频电路分析中的最大不同点之一。•一般认为当传输线长度远小于工作波长时(),可以忽略分布参数的影响。波长和频率10l•为电磁波的频率，电磁波频谱划分：波长和频率f波段名超短波分米波厘米波毫米波红外线射频频段波长1m～10m1dm～10dm1cm～10cm1mm～10mm0.1mm～1mm频率0.03～0.3GHz0.3～3.0GHz3.0～30.0GHz30.0～300.0GHz300.0～3000.0GHz•信号下变频或上变频时，需要输出一个单频点的本振信号，与输入信号混频。理想的本振信号为一单频点载波，但实际情况下是没有这样的理想本振信号。•实际的本振信号多是在本振频点集中最多的能量(功率)，而在本振频点的左右边带快速衰落，当然这种边带能量越低，表明点频信号性能越高。为表征本振信号的这一特性好坏，引入相位噪声的指标。•单边带相位噪声表示距离本振频点左边带(或右边带)一定频率偏移处1Hz带宽内的功率比本振频点功率的衰减量。这是表征本振信号频谱纯度的指标。本振相位噪声•一个10MHz振荡器的相位噪声指标:•-115dBc/Hz@100Hz;•-135dBc/Hz@1kHz;•-145dBc/Hz@10kHz;•-145dBc/Hz@100kHz。本振相位噪声•功率的一般定义：P=U×I。单位W、mW等。•在射频频率下，使用的功率值往往范围(差距)较大，如0.00001mW和1000mW，这样一来使用十进制的功率表述时带来不便。•将十进制的功率(称之为线性功率Linearpower)表示成对数功率形式(logarithmicpower),以便于使用。定义：功率和增益差损mW1)mW(rLinearPowelg10)cPower(dBmLogarithmiW1)W(rLinearPowelg10)cPower(dBWLogarithmi功率和增益差损dBm50mW10.00001mWlg100.00001mWdBm30mW11000mWlg101000mWdBm0mW11mWlg101mWdBm1mW11.26mWlg101.26mW功率和增益差损dBm77.44mW130000mWlg1030WdBW77.14W130Wlg1030WdBm99.46mW150000mWlg1050WdBW99.16W150Wlg1050W•增益GAIN或差损InsertLose表述的是功率的差值，输出大于输入为增益GAIN，反之为差损InsertLose。对数功率的差值单位为dB。功率和增益差损dBm31dBm301dBW1dBm30dBW0.dB39dBm40dBm1;dB39dBm1dBm40•功率可以理解为传输路径上某点信号的强度，如输入端口点功率、输出端口点功率等，而增益(或差损)则表示一段传输距离上两个端点间功率的差值。•利用网络分析仪的power测量可以测量单端口port2的输入功率，注意网络分析仪的power读数实际上port2端口点的功率，当我们测试放大器时，一般有连线到port2端口，只有加上这段线损才是放大器的真实输出功率。功率和增益差损•利用网络分析仪可以测量增益(或差损)，它是通过选择Transmission或S21，测量的是两个端口port1和port2间的功率差值。•平常我们将两个端口做功率校准，实际上是网络分析仪将校准时测得两个端口port1和port2间的功率差值IL1记录下来，然后在下次测量时，将这差值IL1由实际测试中port1和port2间的功率差值IL_real中减去得到读数值：•IL_read=IL_real-IL1。功率和增益差损•我们知道阻抗的定义是电压与电流的比值：阻抗的概念•在直流电路中，阻抗的定义中只包含幅度信息，即是纯粹电压与电流幅度值的比值。•在交流电路中，由于传输中的电压与电流是一多个正弦波的形态传输的，而一个正弦波的电压与电流除了有幅度信息外还有工作频率与相位。因此交流电路的电压与电流的比值包含幅度比值和相位差值。因此交流阻抗根据定义为相量形式：IVZjXReZZj阻抗的概念jXRZCjjX1f2LjjX阻抗包括电阻和电抗：理想无耗交流电容为纯电抗：理想无耗交流电感为纯电抗：实际的电容和电感都有电阻，只是在大多数情形下，其电阻值远小于电抗值。•我们通常所讲到的选用50欧姆同轴线，所指的就是该同轴线的特性阻抗为50欧姆。通常普通通信系统中一般只采用50欧姆或75欧姆两种标准。我们BD是50欧姆系统。•特性阻抗不同于低频段的电阻的概念，其推导公式较为复杂，这里不作详述。只列举一下概念，比如直流系统中一般电阻的概念，当5V/1A的直流通过串行1欧姆电阻会变成4V/1A；当5V/1A的直流通过并行10欧姆电阻会变成5V/0.5A；但是通过一段串行导线或电感，和并行电容，则不变仍为5V/1A(一般意义)。阻抗的概念什么是特性阻抗？•而射频通信系统中，理想的无耗传输的50欧姆同轴线，电路板上的理想的50欧姆阻抗匹配微带线均可以看成在直流状态下的一段串行导线，即功率在理想的50欧姆阻抗系统上传输时是无耗的，没有功率损失。但实际情形是一般传输线是有耗的，这类损耗主要源于加工工艺中对于导体的半径和铜内径的光泽度不能加工到理想状态所至，即只是接近50欧姆阻抗，因而有很多反射和吸收损耗。阻抗的概念什么是特性阻抗？阻抗的概念什么是特性阻抗？111111CCjGLjRYZZ0GR1111CCLZablg138abln60CLZrr11C特性阻抗标准公式对于无耗传输线对于同轴线b、a为内外导体半径，常用50欧姆、75欧姆。•电压驻波比VSWR(voltagestandingwaveratio)是衡量发射信号强度的指标。其具体定义为射频波传输到某一截面处(同轴线上某点或接头)，传输线上电压最大值与最小值之比称为电压驻波比。驻波比和传输功率、Smith圆图11UUUUUUS(VSWR)minmax其中为该截面的反射系数定义为反射波和入射波的电压比。CinCinZZZZUU•可见电压驻波比VSWR实际上是入射波与反射波波峰值的和值和差值之比。驻波比越小，反射波越小，传输效率越高。理想的驻波比为1，即反射系数为0，没有反射波只有入射波和传输波，信号没有反射损失。•如一个电压驻波比VSWR为1.5的，则反射系数为0.2，回波损耗为-20lg0.2=13.98dB;•传输功率为•传输功率降低驻波比和传输功率、Smith圆图22C1UZ21PdB2.0110lg-2•一个电压驻波比VSWR为2.0的，则反射系数为0.335，回波损耗为-20lg0.335=9.5dB，传输功率降低驻波比和传输功率、Smith圆图dB52.0110lg-2驻波比和传输功率、Smith圆图LLLjXRZooojXRZ*oLZZ在非理想状态下，由于源阻抗、传输线上的特性阻抗、负载阻抗都不可能是纯粹的50欧姆。因此存在源阻抗与负载阻抗的失配。根据最大功率传输定理：工作于正弦稳态的单口网络向一个负载供电，如果该单口网络可用戴维宁等效电路(其中为源输出阻抗)代替，则在负载阻抗等于含源单口网络输出阻抗的共轭复数（即）时，负载可以获得最大平均功率。驻波比和传输功率、Smith圆图'LC'CLC''C'ztanjZZztanjZZZz1z1ZzZ'z2j2C'C''eZzZZzZz'z根据反射系数的定义：表示传输线长度。LLoutoutoutjXRjXRZ根据最大功率传输条件下的阻抗匹配，在使用公式时往往涉及复数运算，比较麻烦，使用不方便。利用史密斯圆图（SmithChart）可简便求解，并且容易看出准确结果的趋向，而其作图误差在工程允许范围内，常用于复杂网络的初调计算。要使信号源传送到负载的功率最大，需要负载匹配。用smith圆图设计匹配网络，即使得负载阻抗变换到源端时匹配到源特性阻抗如50欧姆。这就等于要求信号源经过匹配网络到负载的输出阻抗必须等于负载的共轭阻抗，即：驻波比和传输功率、Smith圆图•负载反射信号的强度取决于信号源阻抗与负载阻抗的失配程度。反射系数定义为：驻波比和传输功率、Smith圆图建立smith圆图baOLOLincreflLjZZZZVV驻波比和传输功率、Smith圆图阻抗圆图是表示在复平面上的反射系数和归一化阻抗轨迹图，包括两个曲线坐标系统和四簇曲线。1、反射系数曲线坐标（极坐标）：等反射系数模值圆、反射系数相角射线；2、归一化阻抗曲线坐标：等归一化电阻圆、等归一化电抗圆。建立smith圆图驻波比和传输功率、Smith圆图建立smith圆图反射系数曲线坐标特点：z'变化/4，变化，z'变化/2，变化2，故绕圆一周相当于考察点在线上移动/2。旋转方向：向电源移动，z'增加，顺时针旋转；向负载移动，z'减小，逆时针旋转。电刻度起点的约定：(1,0)点。驻波比和传输功率、Smith圆图建立smith圆图驻波比和传输功率、Smith圆图建立smith圆图______CCL___LXjRZjXRZZZ1XjR1XjR_______________L归一化阻抗曲线坐标，这里Zc(特性阻抗)通常为常数并且是实数，是常用的归一化标准值，如50欧姆、75欧姆。于是我们可以定义归一化的负载阻抗：据此，将反射系数的公式重新写为：驻波比和传输功率、Smith圆图建立smith圆图___b___a___b___a___L___L_________Lj1j111XjRZ2___2___b2_________aR111RR2___2______b2___aX1X11；从上式我们可以看到负载阻抗与其反射系数间的直接关系。但是这个关系式是一个复数，所以并不实用。我们可以把史密斯圆图当作上述方程的图形表示。为了建立圆图，方程必需重新整理以符合标准几何图形的形式(如圆或射线)。令实部和虚部相等，得到两个独立的关系式：•第一个方程是在复平面(，)上，参考圆的参数方程。•它是以(,0)为圆心，半径为的一组圆。圆心都在实轴上；圆心坐标与半径之和恒等于1；均与直线＝1在(1,0)相切；实轴交点的对称性。•代表0也就是没有电阻(r=0)的圆是最大的圆。无限大的电阻对应的圆退化为一个点(1,0)，实际中没有负的电阻，如果出现负阻值，有可能产生振荡。选择一个对应于新电阻值的圆周就等于选择了一个新的电阻。驻波比和传输功率、Smith圆图建立smith圆图___a___b222Rbxax1RR______1R1______a___a驻波比和传输功率、Smith圆图建立sm