射频实验报告

射频电路实验报告 12/13 学年第 1 学期学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 李永红 日期: 2012 年10 月28日实验一 滤波器设计一、 实验目的(1) 掌握基本的低通和带通滤波器的设计方法。(2) 学会使用微波软件对低通和高通滤波器进行设计和仿真，并分析结果。二、 预习内容(1) 滤波器的相关原理。(2) 滤波器的设计方法。三、 实验设备Microwave Office软件四、 理论分析滤波器的种类：(1) 按通带特性分为低通、高通、带通及带阻四种。(2) 按频率响应分为巴特沃斯、切比雪夫及椭圆函数等。(3) 按使用原件又可分为L-C性和传输线型。五、软件仿真设计一个衰减为3dB，截止频率为75MHz的切比雪夫型1dB 纹波LC低通滤波器（Zo=50ohm），并且要求该滤波器在100MHz至少有20dB 的衰减。图1-1切比雪夫型1dB 纹波LC低通滤波器电路图图1-2 模拟仿真结果六、结果分析经过仿真，得到了两种滤波器的频率特性的到了结果。红色的曲线为低通滤波器，蓝色的为带通滤波器，两种滤波器的特性可以鲜明地在图上看出差别。低通滤波器在低频区域，是通带，通带非常的平缓，纹波较低，但是截至段不是很陡。带通滤波器具有较好的陡峭特性，但是相对而言，通带比较窄而且纹波较大。实验二 放大器设计一、实验目的(1) 掌握射频放大器的基本原理与设计方法。(2) 学会使用微波软件对射频放大器进行设计和仿真，并分析结果。二、预习内容(1) 放大器的基本原理。(2) 放大器的设计方法。三、实验设备Microwave Office软件四、理论分析射频晶体管放大器常用器件为BJT、FET、MMIC。放大器电路的设计主要是输入/输出匹配网络。输入匹配网络可按低噪声或高增益设计，输出匹配网络要考虑尽可能高的增益。五、软件仿真设计一900MHz放大器。其中电源为12VDC，输出入阻抗为50。AT4151之S参表(VCE=8V，IC=25mA，Zo=50，TA=25)如下列Freqency(GHz)S11S21S12S22Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.0.50.49-15312.7980.030500.42-350.60.48-15910.7940.034520.39-350.70.48-1639.3900.037530.38-350.80.47-1678.2870.040550.37-360.90.47-1707.3850.044560.36-371.00.47-1716.6820.047570.37-381.50.441774.9710.065590.40-422.00.411633.4610.083580.42-45图2-1 900MHz放大器电路图图2-2 模拟仿真结果六、结果分析：本设计是设计一个放大器，其通频段是0到900MHz,然后根据图上的蓝色和红色曲线可见LC组成的网络的幅频特性曲线，可见这个网络在900MHz左右会对信号有一个比较大的衰减，因此必须对输出网络进行阻抗匹配，而且匹配网络的中心频率在900MHz左右，才可以做好阻抗匹配。实验三 振荡器设计一、实验目的(1) 掌握射频振荡器的基本原理与设计方法。(2) 学会使用微波软件对射频放大器进行设计和仿真，并分析结果。二、预习内容(1) 振荡器的基本原理。(2) 振荡器的设计方法。三、实验设备Microwave Office软件四、理论分析射频晶体管振荡器电路可分为三大部分：二端口有源电路、谐振电路及输出负载匹配电路。五、软件仿真设计一800MHz振荡器。其中电源为12VDC，负载阻抗为50。AT41511之S参表(VCE=8V，IC=25mA，Zo=50，TA=25)如下列。表4.1 AT41511之S参表Freqency(GHz)S11S21S12S22Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.0.50.49-15312.7980.030500.42-350.60.48-15910.7940.034520.39-350.70.48-1639.3900.037530.38-350.80.47-1678.2870.040550.37-360.90.47-1707.3850.044560.36-371.00.47-1716.6820.047570.37-381.50.441774.9710.065590.40-42 图3-1 800MHz振荡器电路图图3-2 模拟仿真结果六、结果分析：有仿真结果可以看出，设计的振荡器的中心频率在800MHz左右，具有较好的矩形窗，在整个频段内，只有290MHz左右有一个非常微小的噪声，在整个频段内，振荡信号还是频谱很集中的，具有较好的频率特性。整个振荡信号的频谱宽度有100MHz，但中心频率的增益有15.8dB，相比较而言，这个振荡器还是很好的。实验四 射频前端发射机与接收机1、 实验目的1.了解射频前端发射器之基本架构与主要设计参数。2.利用实验模组的实际测量得以了解射频前端发射器之特性。2、 预习内容(1) 振荡器的基本原理。(2) 振荡器的设计方法。三、实验设备项次设备名称数量备注1MOTECH RF2000 测量仪1套2发射器模组、接收器模组1套3微带天线1组RF2KM10-1A4示波器1台550 BNC及1M BNC 连接线4条CA-1、CA-2 、CA-3、CA-46直流电源连接线1条DC-17Microwave Office软件四、理论分析发射器：在无线通讯中，发射机担任着重要的角色，无论是话音还是数据信号要利用电磁波传送到远端，都必需使用射频前端发射机。一个典型的发射机电路如图5.1所示，可分成九个部分：中频放大器(IF Amplifier)，中频滤波器(IF Bnadpass Filter)，上变频混频器(Up-Mixer; Up Converter)，射频滤波器(RFBandpass Filter)，射频驱动放大器(RF Driver Amplifier)，射频功率放大器(RF Power Amplifier)，载波振荡器(Carrier Oscillator; Local Oscillator)，载波滤波器(LO BPF)，发射天线(Antenna)。本单元中将就上变频混频器部分的基本原理做一说明，并介绍发射器的几个重要设计参数.IFBPFIFAMPLOBPFRFBPFRFAMPLOAntennaSignalFrom BasebandProcessing UnitMIXERPA 图4-1基本射频前端发射器结构图(一) 升频混频器的基本原理升频混频器的基本电路结构图如图11-2所示.在二极管上的电流可以(11-1)表示.其中IS= 二极管的饱和电流VIF= 中频信号的振幅大小fIF = 中频信号的频率大小VLO= 载波信号的振幅大小FLO = 载波信号的频率大小混频后的输出射频频率为 其中 m，n可为任一正负整数在绝大多数的应用上,RF频率应是载波及IF频率的和或差,即是.至于取和频或差频则根据发射器射频规格及系统参数,利用射频输出端的滤波器可以阻隔三端间的互相干扰( ISOLATION),以避免其他不必要的混频信号漏(LEAKAGE)到输出端造成的噪声(SPURIOUS). 主要的噪声信号,有下列几种: (假设)1. 镜频信号 ( IMAGE FREQUENCY ): 2. 载波信号的谐波( CARRIER HARMONICS ): ，n=正整数3. 旁波带谐波信号( HARMONIC SIDEBANDS ): 上述噪声皆是在混频器及滤波器设计中,须特别加以抑制处理的.匹配電路匹配電路匹配電路濾波器IFPIFRFPRFLO混波二極體图4-2 基本混波器电路结构图(二) 混频器的主要技术参数(1) 变频耗损或增益( CONVERSION LOSS/GAIN,L C)除非有特别注明,一般所称的变频耗损皆是以上式为定义,即是指单边带变频耗损( SINGLE-SIDEBAND(SSB) CONVERSION LOSS ), 也就是只考虑射频输出信号频率为fLO+fIF或fLO-fIF. 若是定义为双边带变频耗损(DOUBLE-SIDEBAND(DSB) CONVERSION LOSS), 则会较单边带转频耗损低3dB.(2) 输入端回波耗损或电压驻波比( PORT RETURN LOSS OR VSWR)如同其他射频电路,输入端的回波耗损或电压驻波比是评断匹配与否的重要参数.对混频器而言,其输入端电压驻波比规格一般是定在2 : 1 (IRL=-10 ), 最差为 2.5 : 1 (-7.3 ). 而各端口的回波耗损,受LO端输入功率的增加,各端口的阻抗会随之降低,致使各端口的回波耗损变大.(3) 信号端与本振端的隔离比(PORT ISOLATION)信号端与本振端的隔离比为评量LO端与RF端之间,及LO 端与IF端之间噪声的干扰抑制程度.LO端最低输入功率(MINIMUM LO POWER REQUIRED)对于混频器而言,LO端最低输入功率的大小直接影响到混频的效果好坏.所以,一般订定有此项规格.而功率越低者,在应用上越方便.镜象抑制度( IMAGE REJECTION)对于降频混频器而言,IF 输出信号频率可由LO与RF两输入端信号频率相减而得.以fIF=fRF-fLO為例为例,镜象为fim = 2fLO-fRF.即是说若RF端输入镜象信号亦可得到同频的IF信号, fim -fRF = fIF. 镜象所造成的问题有二.第一是提供干扰信号通路,即是镜象信号会从RF端进入后,也可以从IF端输出.如此势必干扰到真正系统设计的RF信号的变频输出.第二是使得混频器的噪声指数(NIOSE FIGURE)增加3 dB .解决之道是在RF输入端加一个镜象滤波器来抑制镜象信号的输入.而对于升频混频器而言,大致与降频混频器相似,只是RF输入端改成IF输入端.(4) 噪声抑制度(SPURIOUS REJECTION)对混频器而言,噪声的定义是指在输出端非是设计所需频率(fIF)的其他信号.尤其是输入信号的谐波所混频出来的结果.一般是利用输出端的滤波器来抑制噪声.二阶互调截止点(SECOND-ORDER INTERCEPT POINT,IP2) (以降频器为例)IP2 = PRF +（PRF B - LC）其中。IP2=混频器的输入二阶互调截止点.（dBm） PRF = 混波器RF输入端的输入信号功率。（dBm） LC = 混波器输入信号频率fRF=fLO+fIF时,所没得的转频耗损（Conversion Loss）。（dB）B =混波器输入信号频率fRF=fLO+0.5fIF时,所没得输出端频率为2fIF的信号之功率.（dBm）降频器的IP2测量电路应与频谱示意图,如图12-3(a)(b)所示.升频器则亦类似.带通滤波器带通滤波器频谱分析仪信号产生器信号产生器混波器fLOfRF PRFfOUT图4-3(a)降频器的IP2测量fLOfRFfIF2fIF(dBm)B(dBm)PRF(dBm)Lc(dB)POUT(dBm) 图4-3(b) 降频器的频谱图(5) 三阶互调截止点( THIRD-ORDER INTERCEPT POINT,IP3)其中IP3 = 混频器的输入三阶互调截止点.PIN = 混频器输入端的输入信号的功率.= 混频器输出端中,设计输出信号与内调制(INTER-MODULATION,IM)信号的功率差. (dB)以升频器为例,混频器的IP3测量图及频谱示意图,如图示2-4(a)(b)所示.f1 fLOfRF1fRF2f2f1fLOfLO +2f1 f2 fLO +2f2 f1 fLO+f1 fLO+f2 (dB) PIN (dBm) Intermodulation Signals Desired Signals 图4-4(b) 升频器的IP3频谱图图4-4(a)混频器的IP3测量图f2 混频器信号产生器信号结合器频谱分析仪带通滤波器带通滤波器(三) 发射器的重要设计参数 (1) 1分贝压缩功率(1dBCompression, P1dB )功率放大器的1分贝压缩功率即是发射器最大发射功率的主要参数.一般而言,对于放大器其P1dB可说是线性放大的最大输出功率,而P1dB则为放大器的最大饱和输出功率(SATURATION POWER).其定义如图示12-5(a)(b)所示.PIN (dBm)POUT (dBm)PSAT P1dB 1dB PD1dB Compression Point 图4-5(a)放大器的PSAT，P1dB和1dB 功率压缩点Linear Dynamic Range (LDR) of amplifier1 dB CompressionPowerGain(dB)Pin The higher the 1dB CompressionThe larger is the LDR of amplifier. 图4-5(b)放大器的1dB Compression和 LDR关系图 (2) 内调制失真 ( Intermodulation Distortion)对于发射器的内调制失真是由于发射天线接收到同通道其它较大功率信号后,经功率放大器内调制混频所产生的再发射信号所造成.解决的方法是在发射天线与功率放大器之间加接一个或多个环行器(CIRCULATOR ) 来降低发射器的内调制失真. (3) 杂波抑制比(Spurious Rejection)对于射频前端发射器而言,较大的噪声信号是因为功率放大器的大信号放大所产生的谐波. 其它噪声则是由载波振荡器与混频器所混频出来的.一般规格定为低于主要载波信号功率70至90 .以降低对其它通道的干扰. (4) 载波频率稳定度(Carrier Frequency Stability)发射器的载波频率需要符合系统规格,以避免在通道与其他信道的干扰,尤其在窄频带系统中更形重要.可利用锁相回路技术(Phase Locked Loop)及增加载波频率的稳定性. (5) 邻近信道功率(Adjacent Channel Power)此项参数是因于系统的调制方法或是由于发射器快速的开关所造成.在窄频带系统中,一般规格是设定在低于载波信号功率50dB .而在宽频带系统中,则会要求到80dB . (6) 发射启动时间(Transmitter Turn-on Time)对于数字通讯系统而言,发射器的发射启动时间使很重要的参数,其必须够短以免限制到系统的信息流通量(System Throughput).一般定义为发射器输出功率达到额定功率(rated output power)的90%所需的时间接收器：.RFBPF1RFBPF1Lo滤波IFBPF解调LNAIFA混频器MIXER 天线LO：图4-6单变频结构射频前端接收器本单元以单变频结构来说明一个射频前端接收器的各设计参数：天线(Antenna)；射频接收滤波器(RF_ BPF1)；射频低噪声放大器(LNA)；射频混频滤波器(RF_BPF2)；降频器(Down Mixer)；带通滤波器(Filter)；本地振荡嚣(Local Oscillator)；中频放大器(IF Amplifier)。主要设计参数:(一) 接收灵敏度(Receiver Sensitivity) (式12-1) 其中 S= 接收灵敏度K= 1.38*10-23(Joul/K),波尔兹曼常数(Boltzmanns Constant)T= 绝对温度(K)= 273.15+T(C)BW= 系统的等效噪声频宽SNRd= 在检波器输入端,系统要求的信噪比 (Signal-to-noise Ratio)Zs= 系统阻抗(System Impedance)FT= 总等效输入噪声因子(Noise Factor)而上述中,总等效输入噪声因子(Noise Factor)则是由三大部分组成.(1) Fin1,由接收器各单级的增益与噪声指数(Noise Figure)造成.,(2) Fin2,由镜频噪声(Image Noise)造成.(3) Fin3,由宽带的本地振荡幅调制噪声(Wideband LO AM Noise)造成.其计算公式如(式12-2) (式12-3) (式12-4)及(式12-5)所列. (式12-2) (式12-3) (式12-4) (式12-5) 上列公式中变量说明如下: Fi = 第i 单级的噪声因子(Noise Factor) Gj = 第i单级的增益(Gain)(G0 = 1) Fi = 在镜象频率下的单级噪声因子 (对于因反射所造成的镜频衰减的单级,其 Fi =1.) Gj = 在镜象下的单级增益, G0 = 1 N = 在接收器中,从接收端计算至混频器前的总单级数 (即不包含混频器 PLO = 本地振荡器的输出功率(dBm) WNsb = 带 频率上的相位噪声(dBc/Hz) Lsb = 带通滤波器在旁带频率上的衰减值(dB) MHBsb = 在旁带频率上的混频噪声均衡比( Mixer Noise Balance) T0 = 室温, 290OK . M = 旁带频率的总个数. NT = 包含混频器在内,从接收端计算至混频器的总单级数.五、硬件测量发射器部分MOD-10AMOD-2MOD-3MOD-5MOD-1AV-TVModulatorCamera专用电源变压器专用电源变压器AV信号连接线接RF-2000后面的12VDC孔图4-7 发射部分量测组装图步骤一：将Camera、AV-TV调变器、MOD-5 Up Converter、MOD-1 Tx LO、MOD-3 BPF等模组器件依图5.6接妥后，打开电源，将Camera固定，并将AV-TV Modulator的开关按钮按下及Channel选择键拔至CH-3。接着利用RF-2000的频率量测模式量测MOD-3 BPF滤波器模组的输出频率是否为915MHz。若否，请调整MOD-1 Tx LO本振模组的V-tune旋钮，使其输出频率为915MHz。步骤二：利用RF-2000的功率量测模式；量测MOD-3 BPF滤波器模组的输出功率是否为-30dBm左右。若否，请再次检测各模组是否符合测试规格。步骤三：将MOD-2 PA功率放大器模组接于MOD-3 BPF滤波器模组之后，利用RF-2000的功率量测模式量测其输出功率是否为-15dBm左右。若否，请再次检测MOD-2 PA功率放大器模组是否符合量测规格。步骤四：将微带天线模组接于MOD-2 PA功率放大器模组输出端，如此完成发射部分的量测。接收器部分TV MOD-8MOD-7MOD-6MOD-4MOD-10B接RF-2000后面的12VDCTV专用电源变压器图4-8单变频结构射频前端接收器步骤一：依图6.6将微带天线模组接于MOD-4 LNA低噪声放大器模组输入端，并接妥电源后，将接收端天线放置于距离发射端天线约10cm处，再利用RF-2000的功率量测模式量测MOD-4 LNA输出功率是否为-15dBm左右。若否，请再次检测MOD-4 LNA模组是否符合测试规格。步骤二：将MOD-6 Down Converter降频器模组、MOD-7 Rx LO本振模组及MOD-8 IF Amplifier中频放大器模组依图6-6接于MOD-4 LNA低噪声放大器模组之后，并接妥电源后，再利用RF-2000的功率量测模式量测MOD-8 IF Amp输出功率是否为-5dBm左右。若否，请再次检测各模组是否符合测试规格。步骤三：利用BNC连接线与BNC（f）- F（m）转接头将MOD-8 IF Amp输出端接于TV的F端子上。接着打开TV的电源，并调整TV的频道为CH-3，检视TV有无显示Camera所对准的影像。若否，请再次调整MOD-7 Rx LO模组的V-tune旋钮，使得TV显示出正确的影像。若影像模糊，可调整Camera的焦距。如此即完成系统接收部分的量测。学习总结通过学习射频微波电路导论这门课程，我了解到了电路是构成通信系统、雷达系统和微波应用系统中的发射机和接收机的关键部件。它的基本理论是麦克斯韦方程。而实现射频微波电路的基本方法就是麦克斯韦方程的求解或数值计算。解决工程问题的有效方法是微波网络方法，在第二、三章重点讲解。散射参数概念的提出，不追究电力内部的电磁场结构，利用等效电路对波能量的传输和反射概念，能够方便地进行电路设计和调试。场论及其计算是解决射频微波问题的另一种方法，但这种方法应用有限。电路的根本是能量的传输或变换。其电路可分为三类：（1）微波无源电路，如金属谐振腔滤波器、微带滤波器、功率分配器等；（2）微波有源电路，如微波放大器、微波振荡器、微波调制解调器等；（3）由上述多种元器件构成的微波发射接收功能模块，或称TR组件。射频微波技术所涉及的无线电频谱是甚高频到毫米波段或者P波段到毫米波段，涉及到的技术包括信号的产生、调制、功率放大、辐射、接收、低噪声放大、混频、解调、检测、滤波、衰减、移相、开关等各个模块单元的设计和生产。所以在课程的后面几章讲述了常用微波电路的设计方法和软件仿真，包括功率分配器、定向耦合器、滤波器、放大器、振荡器、频率合成器等，所用软件是Microwave Office。射频微波工程中的核心问题：频率、阻抗、功率，称为射频铁三角。影响频率的有信号产生器、频率变换器、频率选择电路等。影响功率的有衰减器、功分器、耦合器、放大器等。影响阻抗的有阻抗变换器、阻抗匹配器、天线等。射频微波的四个基本特性：似光性、穿透性、非电离性、信息性使其迅速发展和广泛应用。其经典用途是通信与雷达系统。其主要应用实例如下：（1）无线通信系统：空间通信，远距离通信，无线对讲，蜂窝移动，个人通信系统，无线局域网，卫星通信，航空通信，航海通信，机车通信等；（2）雷达系统：航空雷达，航海雷达，飞行器雷达，气象雷达，成像雷达，警戒雷达，武器制导雷达，防雷雷达，盗用雷达等；（3）导航系统：GPS，航空、航海自动驾驶等；（4）遥感：地球监测，污染监测，森林、农田、鱼讯监测，矿藏、沙漠、海洋、水资源监测等；（5）射频识别：保安，防盗，入口控制，产品检查，身份识别，自动验票；（6）广播系统：调幅，调频广播，电视等；（7）汽车和高速公路：自动避让，路面警告，障碍监测，路车通信，交通管理，速度测量，智能高速路等；（8）传感器：监测潮湿度、温度、压力、加速度的传感器，还有探地传感器，机器人传感器等；（9）电子战系统：间谍卫星，辐射信号监测，行军与阻击等；（10）医学应用：磁共振现象，微波成像，微波理疗，加热催化，病房监管；（11）空间研究：射电望远镜，外层空间探测等；（12）无线输电：空对空，地对空，空对地，地对地输送电能等。近几年射频识别技术应用迅速发展，市场应用前景广阔：射频识别技术应用在电子标签上将在生产线自动化、仓储管理、电子物品监视系统、货运集装箱的识别以及畜牧管理等方面会有很大的突破。