第二章射频微电子学之RF基本概念

《射频微电子学》RF基本概念射频常用计算单位简介射频常用概念辨析射频常用计算单位简介第一节功率单位简介第二节天线传播相关单位简介第三节其他功率单位简介绝对功率的dB表示射频信号的绝对功率常用dBm、dBW表示，它与mW、W的换算关系如下：例如信号功率为xW，利用dBm表示时其大小为：例如：1W等于30dBm，等于0dBW。10lg0.001XWpdBmW10lg1XWpdBmW功率单位简介相对功率的dB表示射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示，其区别在于：dB是任意两个功率的比值的对数表示形式，而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式。第二章射频常用计算单位简介第一节功率单位简介第二节天线传播相关单位简介第三节其他天线传播相关单位简介天线和天线增益天线增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，dBd是指相对于半波振子Dipole的功率能量密度之比，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。第二章射频常用计算单位简介第一节功率单位简介第二节天线传播相关单位简介第三节其他其他电阻：阻挡电流通过的物体或物质，从而把电能转化为热能或其它形式的能量，单位：欧姆，Ω电压：电位或电位差，单位：伏特，V电流：单位时间内通过电路上某一确定点的电荷数，单位：安培，A电感：线圈环绕着的东西，通常是导线，由于电磁感应的原因，线圈可产生电动势能，单位：亨利，H电容：一个充电的绝缘导电物体潜在具有的最大电荷率，单位：法拉，F思考题绝对功率的单位有哪几种常用的表达形式？他们之间的换算关系为？相对功率的单位有哪几种常用的表达形式？其区别为？天线的增益单位有哪几种常用的表达形式?电压、电流、电阻、电感、电容的单位分别为？解答绝对功率可以用dBm和W两种形式表达，其换算关系为：相对功率可以用dB和dBc两种形式表示，两者的区别在于：dB是任意两个功率比值的对数表示形式，而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率比值的对数表示形式。10lg0.001XWpdBmW解答天线增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，dBd是指相对于半波振子Dipole的功率能量密度之比，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。电压单位为：伏特/V，电流单位为：安培/A，电阻单位为：欧姆/Ω，电感单位为：亨利/H，电容单位为：法拉/F。RF基本概念射频常用计算单位简介射频常用概念辨析第三章射频基本概念辨析第一节功率相关概念第二节噪声相关概念第三节线性相关概念第四节传输线相关概念第五节下行通道射频指标第六节上行通道射频指标功率相关概念信号的峰值功率、平均功率和峰均比PAR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肩峰的瞬态功率。通常概率取为0.01%。功率相关概念SystemView00500.e-3500.e-3111.51.522-40-2002040AmplitudeTimeinSecondsSink1功率相关概念信号的峰值功率、平均功率和峰均比PAR解释：平均功率是系统输出的实际功率。在某个概率下峰值功率跟平均功率的比就称为在某个概率下的峰均比，如PAR=9.1@0.1%,各种概率下的峰均比就形成了CCDF曲线（互补累积分布函数）。在概率为0.01%处的PAR，一般称为CREST因子。功率相关概念思考题峰均比的定义？解答峰值功率即是指以某种概率出现的肩峰的瞬态功率。通常概率取为0.01%。平均功率是系统输出的实际功率。在某个概率下峰值功率跟平均功率的比就称为在某个概率下的峰均比，如PAR=9.1@0.1%,各种概率下的峰均比就形成了CCDF曲线（互补累积分布函数）。在概率为0.01%处的PAR，一般称为CREST因子第三章射频基本概念辨析第一节功率相关概念第二节噪声相关概念第三节线性相关概念第四节传输线相关概念第五节下行通道射频指标第六节上行通道射频指标噪声相关概念噪声定义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。噪声相关概念相位噪声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，如下面所示。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。噪声相关概念例如晶体的相位噪声可以这样描述：噪声相关概念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：NFSiNiSoNo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：NFPnoGPniPno表示输出噪声功率，Pni表示输入噪声功率，G为单元增益。噪声相关概念级联网络的噪声系数公式：G1、NF1G2、NF2Gn、NFnNF总NF1NF21G1...NFn1G1G2...Gn1思考题噪声系数定义？写出噪声系数的级联计算公式？解答噪声系数是用来衡量射频部件对小信号的处理能力，通常定义为：单元的输入信噪比除输出信噪比级联网络的噪声系数公式：NF总NF1NF21G1...NFn1G1G2...Gn1NFPnoGPniPno表示输出噪声功率，Pni表示输入噪声功率，G为单元增益。第三章射频基本概念辨析第一节功率相关概念第二节噪声相关概念第三节线性相关概念第四节传输线相关概念第五节下行通道射频指标第六节上行通道射频指标线性相关概念信号在通过射频通道（这里所谓的射频通道是指射频收发信机通道，不包括空间段衰落信道）时会有一定程度的失真，失真可以分为线性失真和非线性失真。产生线性失真的主要有一些滤波器等无源器件，产生非线性失真的主要有一些放大器、混频器等有源器件。另外射频通道还会有一些加性噪声和乘性噪声的引入。线性相关概念线性失真线性失真又可以分成线性幅度失真和线性相位失真，从频域可以很方便表示这些失真，如下图：幅频特性相频特性线性相关概念非线性失真非线性失真与线性失真相似，可以分成非线性幅度失真和非线性相位失真，图形表示如下：90c1n20c0n00.20.40.60.811.21.41.61.8201234567893935c2n20c0n00.20.40.60.811.21.41.61.823536373839线性相关概念非线性幅度失真非线性幅度失真常用1dB压缩点、三阶交调、三阶截止点等指标衡量，下面分别讨论这三个指标。1dB压缩点例如一个射频放大器，当输入信号较小时，其输出与输入可以保证线关系，输入电平增加1dB，输出相应增加1dB，增益保持不变，随着输入信号电平的增加，输入电平增加1dB，输出将增加不到1dB，增益开始压缩，增益压缩1dB时的输入信号电平称为输入1dB压缩点，这时输出信号电平称为输出1dB压缩点。如下图：线性相关概念线性相关概念三阶交调三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非线性的一个重要指标，在这里仍以放大器为例来说明三阶交调指标。用两个相隔⊿f，且电平相等的单音信号同时输入一个射频放大器，则放大器的输出频谱大致如下：三阶交调常用dBc表示，即交调产物与主输出信号的比。线性相关概念三阶截止点任一微波单元电路，输入双音信号同时增加1dB，输出三阶交调产物将增加3dB，而主输出信号仅增加1dB（不考虑压缩），这样输入信号电平增加到一定值时，输出三阶交调产物与主输出信号相等，这一点称为三阶截止点，对应的输入信号电平称为输入三阶截止点，对应的输出信号电平称为输出三阶截止点。注意：三阶截止点信号电平是不可能达到的，因为在这时早已超过微波单元电路的承受能力。线性相关概念思考题信号通过射频通道时会产生哪些失真？非线性幅度失真主要用那些指标来衡量？解答信号在通过射频通道（这里所谓的射频通道是指射频收发信机通道，不包括空间段衰落信道）时会有一定程度的失真，失真可以分为线性失真和非线性失真。产生线性失真的主要有一些滤波器等无源器件，产生非线性失真的主要有一些放大器、混频器等有源器件。另外射频通道还会有一些加性噪声和乘性噪声的引入。非线性幅度失真常用1dB压缩点、三阶交调、三阶截止点等指标衡量。第三章射频基本概念辨析第一节功率相关概念第二节噪声相关概念第三节线性相关概念第四节传输线相关概念第五节下行通道射频指标第六节上行通道射频指标传输线相关概念特征阻抗解释：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。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：ZlZoZlZo传输线相关概念在目前世界上的微波通讯系统一般分为两种特性阻抗，一种是50欧姆系统，如军用的微波、毫米波通讯系统，雷达，我们目前开发的蜂窝通讯系统GSM、WCDMA等；另一种是75欧姆系统，这种系统相对比较少，如我们目前使用的有线电视系统。传输线相关概念驻波比解释：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2.0。驻波比恶化意味着信号反射比较厉害，也就是说负载和传输线的匹配效果比较差。所以在一个系统中，如果驻波比很差，可能会使信号传输效果变差，通道增益下降。一个比较典型的例子就是灵敏度问题。传输线相关概念回波损耗回波损耗也是射频上用得比较多得一个名词，它和前面得反射系数、驻波比都是用来反映端口得匹配状况的。回波损耗表示端口的反射波的功率与入射波功率之比。回波损耗与反射系数的关系为：回波损耗＝20log（）由公式可以计算：回波损耗为26dB时，对应的反射系数为0.05，驻波比为1.1。由此也可以估计一下，驻波为2时的回波损耗是多少（9.5dB），也就可以理解对于功放后级的驻波要求为何严格。思考题目前世界上的微波通讯系统一般分为哪两种特性阻抗？由反射系数的定义，反射系数的取值范围是？而驻波系数的取值范围是？射频很多接口的驻波系数指标规定小于多少？回波损耗定义？写出回波损耗与反射系统的关系式方程。解答在目前世界上的微波通讯系统一般分为两种特性阻抗，一种是50欧姆系统，另一种是75欧姆系统。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2.0。回波损耗表示端口的反射波的功率与入射波功率之比。回波损耗与反射系数的关系为：回波损耗＝20log（反射系数）第三章射频基本概念辨析第一节功率相关概念第二节噪声相关概念第三节线性相关概念第四节传输线相关概念第五节下行通道射频指标第六节上行通道射频指标下行通道射频指标邻道泄漏（ACLR）邻道泄漏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：主信道邻道保护带射机的领道泄漏必然回对其他小区造成干扰，为了减小这种干扰，领道泄漏必须尽可能的小，WCDMA的要求是：第一邻道（偏离载频±5MHz）的ACLR≤45dBC；第二邻道（偏离载频±10MHz）的ACLR≤50dBC。下行通道射频指标频谱发射模板对于WCDMA而