无线通信中射频收发机结构与应用课件

射频微电子学第一次课第一次课6/26/20241一、课程内容简介内容安排内容安排第一单元第一单元 射频和无线技术简介射频和无线技术简介 2 2学时学时 第二单元第二单元 射频设计的基本概念射频设计的基本概念 10 10学时学时第三单元第三单元 收发信机的组成及特点收发信机的组成及特点 10 10学时学时第四单元第四单元 低噪声放大器及混频器低噪声放大器及混频器 10 10学时学时第五单元第五单元 振荡源振荡源 6 6学时学时第六单元第六单元 频综器频综器 10 10学时学时第七单元第七单元 功率放大器功率放大器 8 8学时学时射频微电子学射频微电子学6/26/20242一、课程内容简介实施方法及考核实施方法及考核 讲课、讨论、自学、习题、专题仿真与专题讨论讲课、讨论、自学、习题、专题仿真与专题讨论专题仿真：专题仿真：低噪声放大器设计；锁相环频率合成器环路滤波器低噪声放大器设计；锁相环频率合成器环路滤波器的设计的设计专题讨论：专题讨论：功率放大器线性化技术功率放大器线性化技术考核：考核：平时综合成绩占平时综合成绩占40%40%，考试成绩占，考试成绩占60%60%射频微电子学射频微电子学6/26/20243一、课程内容简介(续)主要参考书主要参考书射频通信电路（第二版），陈邦媛著，射频通信电路（第二版），陈邦媛著，科学出版社，科学出版社，2006 2006 CMOSCMOS射频集成电路设计射频集成电路设计 Thomas H.LeeThomas H.Lee著，余志平著，余志平 周润德等译周润德等译 ，20062006年年射频微电子学射频微电子学6/26/20244一、教学内容及时间安排一、教学内容及时间安排1 11 1 无线收发信机射频前端功能和特性无线收发信机射频前端功能和特性1 12 2 射频电路在系统中的作用与地位射频电路在系统中的作用与地位1 13 3 射频电路与微波电路和低频电路的关系射频电路与微波电路和低频电路的关系1 13 31 1 频段划分频段划分1 13 32 2 电路的设计考虑电路的设计考虑1 14 4 集成收发系统结构集成收发系统结构1 15 5 典型应用的集成收发信机典型应用的集成收发信机1 15 51 GSM1 GSM收发机收发机1 15 52 2 应用于无线局域网的收发机应用于无线局域网的收发机1 15 53 3 应用于无线传感器网络的低功耗收发机应用于无线传感器网络的低功耗收发机1 15 54 4 应用于应用于WCDMAWCDMA1 16 6 无线通信及射频电路技术发展趋势无线通信及射频电路技术发展趋势1 17 7 射频电路基础射频电路基础1 17 71 1 频带宽度表示法频带宽度表示法第第1章章 无线通信中射频收发机结构及应用无线通信中射频收发机结构及应用6/26/202451 11 1 无线收发信机射频前端功能和特性无线收发信机射频前端功能和特性 无无线线通通信信收收发发信信机机中中存存在在两两种种变变换换。在在发发射射端端，第第一一个个变变换换是是输输入入变变换换器器，它它把把需需要要传传递递的的信信息息变变换换成成电电信信号号基基带带信信号号；第第二二个个变变换换是是发发射射机机将将基基带带信信号号变变换换成成其其频频带带适适合合在在信信道道中中有有效效传传输输的的信信号号形形式式已已调调信信号号，这个过程称为调制。这个过程称为调制。6/26/20246发送过程大致如下。发送过程大致如下。(1)(1)调制：即将基带信号调制到通信载波上，在某些特殊调制：即将基带信号调制到通信载波上，在某些特殊应用领域还有一个对基带信号加密的步骤或其他步骤。应用领域还有一个对基带信号加密的步骤或其他步骤。(2)(2)中放变频：在这一步不但要对调制之后的信号进行放中放变频：在这一步不但要对调制之后的信号进行放大，还要将信号变频到实际通信的频段大，还要将信号变频到实际通信的频段(频道频道)。(3)(3)功放：主要将发射信号的功率放大到满足通信功放：主要将发射信号的功率放大到满足通信(距离距离)的要求。的要求。(4)(4)发射天线：将信号有效地发射出去，除了发送功率发射天线：将信号有效地发射出去，除了发送功率(效率效率)之外，有时还有方向，以及电波传播方式的选择。之外，有时还有方向，以及电波传播方式的选择。1 11 1 无线收发信机射频前端功能和特性无线收发信机射频前端功能和特性6/26/20247对对于于发发送送系系统统硬硬件件电电路路系系统统而而言言，最最困困难难的的部部分分就就在在于于中中放放变变频频和和功功放放。中中放放变变频频的的难难点点主主要要在在于于变变频频系系统统方方案案的的设设计计，好好的的系系统统方方案案设设计计可可能能产产生生的的相相关关干干扰扰较较少少，甚甚至至还还可可能能降降低低对对参与变频的本地振荡信号的要求。参与变频的本地振荡信号的要求。图12接收机结构图1 11 1 无线收发信机射频前端功能和特性无线收发信机射频前端功能和特性6/26/202481 12 2射频电路在系统中的作用与地位射频电路在系统中的作用与地位对于接收链路来说，从天线接收下来的射频信号，首先对于接收链路来说，从天线接收下来的射频信号，首先经射频前端和其他模拟电路变换到低频的基带内，然后经射频前端和其他模拟电路变换到低频的基带内，然后经模数经模数(A(AD)D)转换器转换成数字信号，这些数字信号再转换器转换成数字信号，这些数字信号再经后面的数字信号处理电路完成解码和其他运算后送给经后面的数字信号处理电路完成解码和其他运算后送给相应的应用设备。相应的应用设备。射频通信系统示意图射频通信系统示意图1 11 1 无线收发信机射频前端功能和特性无线收发信机射频前端功能和特性6/26/20249射频前端指从天线到完成第一次频率变换所需要的电路，这些射频前端指从天线到完成第一次频率变换所需要的电路，这些电路对射频信号进行处理。然后在下变频器中经过与本地产生电路对射频信号进行处理。然后在下变频器中经过与本地产生的振荡信号进行混频，来将信号从射频载波变换到中频或者基的振荡信号进行混频，来将信号从射频载波变换到中频或者基带。发送信号时，同接收信号相反，需要将中频或者基带信号带。发送信号时，同接收信号相反，需要将中频或者基带信号经上变频器变换到射频载波，经过功率放大器放大到一定的功经上变频器变换到射频载波，经过功率放大器放大到一定的功率，然后经过天线发送出去。率，然后经过天线发送出去。射频前端方框图射频前端方框图1 11 1 无线收发信机射频前端功能和特性无线收发信机射频前端功能和特性6/26/2024103 3、EFTEFT的特性的特性 电感负载开关系统断开时，会在断开点处产生瞬态骚（电感负载开关系统断开时，会在断开点处产生瞬态骚（EFT)EFT)脉脉冲组成。对冲组成。对110V110V220V220V电源线的测量表明，这种脉冲群的幅值在电源线的测量表明，这种脉冲群的幅值在100V100V至数千伏之间，具体大小由开关触点的机电特性至数千伏之间，具体大小由开关触点的机电特性(如触点打开如触点打开的速度，触点断开时的耐压等的速度，触点断开时的耐压等)决定，脉冲重复频率在决定，脉冲重复频率在lkHzlkHz一一1MHz1MHz。对单个脉冲而言，其上升沿在纳秒级，脉冲持续期在几十纳秒至对单个脉冲而言，其上升沿在纳秒级，脉冲持续期在几十纳秒至数毫秒之间。数毫秒之间。标准标准IEC61000IEC610004 44(1995)4(1995)电快速瞬变脉冲群抗扰度试验电快速瞬变脉冲群抗扰度试验来模拟电快速脉冲群对电气和电子设备的影响，与其对应的国标来模拟电快速脉冲群对电气和电子设备的影响，与其对应的国标是是GBGBT13926T139264 49292工业过程测量和控制装置的电磁兼容性工业过程测量和控制装置的电磁兼容性电快速瞬变脉冲群要求。电快速瞬变脉冲群要求。空调、预付费电能表、火灾报警器、加油机控制器等产品都已空调、预付费电能表、火灾报警器、加油机控制器等产品都已经引入了此标准。经引入了此标准。1 13 3 射频电路与微波电路和低频电路的关系射频电路与微波电路和低频电路的关系6/26/202411 卫星频率，是指卫星用频设备使用的频率：卫星频率是无线电频谱中的一部分，主要卫星频率，是指卫星用频设备使用的频率：卫星频率是无线电频谱中的一部分，主要使用使用VUHF、L、S、C、X、Ku、K、Ka、EHF等频段。卫星常用频段如表等频段。卫星常用频段如表2所示。所示。频段频段频率范围频率范围 主要主要应用用V/UHF 1001000MHz低轨数据通信、遥测遥控、移动通低轨数据通信、遥测遥控、移动通信信L1-2GHz 低轨移动迪信、导航、气象和侦察低轨移动迪信、导航、气象和侦察S2-4GHz 数据中继、测控数据中继、测控C4-7GHz 固定通信、广播电视固定通信、广播电视 X7-12GHz 军事通信、资源卫星等军事通信、资源卫星等 Ku12-18GHz 固定通信、移动通信、固定通信、移动通信、广广播电视播电视K18-27GHz 固定通信、移动通信固定通信、移动通信 Ka27-40GHz 固定通信、移动通信、卫星链路固定通信、移动通信、卫星链路EHF40-60GHz 固定通信、军事通信固定通信、军事通信 表表2 卫星频率常用频段卫星频率常用频段1 13 3 射频电路与微波电路和低频电路的关系射频电路与微波电路和低频电路的关系6/26/2024123电磁频谱电磁频谱 6/26/2024133电磁频谱电磁频谱 6/26/202414射频射频(Radio Frequency)/(Radio Frequency)/微波微波(Microwave)(Microwave)无线电频谱中占据某一特殊频段的电磁波。无线电频谱中占据某一特殊频段的电磁波。6/26/2024153电磁频谱电磁频谱 6/26/2024166/26/2024172 2微波和射频的定义微波和射频的定义 当工作频率提高到接近当工作频率提高到接近1GHz1GHz或者更高，就会出现一些在低频或者更高，就会出现一些在低频下没有的现象。一般频率范围从下没有的现象。一般频率范围从1GHz1GHz到到300GHz300GHz的电磁波称为微波。的电磁波称为微波。在此频段内的信号波长从在此频段内的信号波长从1mm(1mm(对应于频率对应于频率300GHz)300GHz)到到30cm(30cm(对应于对应于频率频率1GHz)1GHz)。通常把从。通常把从30GHz30GHz到到300GHz300GHz的频率范围特称为毫米波的频率范围特称为毫米波(因因为其波长是在毫米范围为其波长是在毫米范围)。人们则以。人们则以0.3GHz0.3GHz到到4 45GHz(S5GHz(S频带频带)为射为射频频段。频频段。1 13 3 射频电路与微波电路和低频电路的关系射频电路与微波电路和低频电路的关系6/26/202418频带名称频带名称频率范围频率范围(GHz)(GHz)频带名称频带名称频率范围频率范围(GHz)(GHz)L L带带1.01.02.02.0S S带带2.02.04.04.0C C带带4.04.08.08.0X X带带8.012.08.012.0KuKu带带12.012.018.018.0K K带带18.018.026.526.5KaKa带带(毫米波毫米波)26.526.540.040.0Q Q带带(毫米波毫米波)33.033.050.050.0U U带带(毫米波毫米波)40.040.060.060.0V V带带(毫米波毫米波)50.050.075.075.0E E带带(毫米波毫米波)60.060.090.090.0W W带带(毫米波毫米波)75.075.0110.0110.0F F带带(毫米波毫米波)90.090.0140.0140.0D D带带(毫米波毫米波)110.0110.0170.0170.0G G带带(毫米波毫米波)140.0140.0220.0220.0IEEE和工业用微波波段的定义 1 13 3 射频电路与微波电路和低频电路的关系射频电路与微波电路和低频电路的关系6/26/2024191 13 32 2 电路的设计考虑电路的设计考虑1 1低射频电路的设计考虑低射频电路的设计考虑低射频电路中，可以忽略其电波的传播效应。设计过程考虑如下三低射频电路中，可以忽略其电波的传播效应。设计过程考虑如下三个特点：个特点：电路的长度远小于波长，即；电路的长度远小于波长，即；传播延时趋近于零，即；传播延时趋近于零，即；麦克斯韦方程简化为低频下的定律，如基尔霍夫电压和电流定麦克斯韦方程简化为低频下的定律，如基尔霍夫电压和电流定律律(KVL(KVL和和KCL)KCL)与欧姆定律。因此，在射频频率，当，传播延时近似与欧姆定律。因此，在射频频率，当，传播延时近似为零，并且所有电路中的元件可以认为是集总的。设计过程包含三为零，并且所有电路中的元件可以认为是集总的。设计过程包含三个步骤：个步骤：6/26/2024202 2高射频和微波电路高射频和微波电路 对于高射频和微波电路，其中可以有一个或几个集总元件，但至对于高射频和微波电路，其中可以有一个或几个集总元件，但至少要有一个分布式元件。少要有一个分布式元件。对于分布电路，具有下述三个特点：对于分布电路，具有下述三个特点：1.1.必须采用麦克斯韦方程提出的波传播概念；必须采用麦克斯韦方程提出的波传播概念；2.2.电路要有大的电长度，物理长度与电路中信号传播的波长可比拟；电路要有大的电长度，物理长度与电路中信号传播的波长可比拟；3.3.信号传播延时不再可忽略。信号传播延时不再可忽略。高射频和微波电路的设计过程如下：高射频和微波电路的设计过程如下：1.1.开始时进行直流电路设计，以建立稳定的工作点；开始时进行直流电路设计，以建立稳定的工作点；2.2.利用电磁波测量器件各端口的反射和传输系数；利用电磁波测量器件各端口的反射和传输系数；3.3.设计匹配网络使器件与外界连接，如稳定性、增益等。设计匹配网络使器件与外界连接，如稳定性、增益等。6/26/202421 1 14 4 集成收发系统结构集成收发系统结构 射频电路集成化是当今技术发展的趋势和应用要求，任何基射频电路集成化是当今技术发展的趋势和应用要求，任何基本单元电路本单元电路(如放大器、混频器等如放大器、混频器等)应当确定其性能优良和可靠。利应当确定其性能优良和可靠。利用开关共用用开关共用个天线可以减小集成收发机的体积，出于这种考虑，个天线可以减小集成收发机的体积，出于这种考虑，开关在大多数的集成收发机中得到了应用。开关在大多数的集成收发机中得到了应用。超外差式收发机结构超外差式收发机结构6/26/2024221 15 51 GSM1 GSM收发机收发机15 典型应用的集成收发信机典型应用的集成收发信机GSM900GSM1800上行上行频率率 880915 MHz17101785 MHz下行下行频率率925.4960MHz18051880MHz信道信道间隔隔 200kHz 200kHz 多址方式多址方式 TDMA/FDM TDMA/FDM 双工方法双工方法 FDDFDD 每信道用每信道用户数数88调制方式制方式 GMSK；BT=0.3GMSK；BT=0.3信道比特率信道比特率270.833 kb/s270.833 kb/s表13GSM-900和GSM1800的主要参数GSM-900和GSM1800的主要参数6/26/202423 GSM收发机的结构框图收发机的结构框图15 典型应用的集成收发信机典型应用的集成收发信机6/26/202424 这种接收机采用二次变频超外差式结构，中频为这种接收机采用二次变频超外差式结构，中频为71MHz71MHz，包括，包括滤波器在内的最差噪声系数为滤波器在内的最差噪声系数为8.1dB8.1dB，数字控制的总增益范围超过，数字控制的总增益范围超过98dB98dB。发射机采用直接变频结构，集成了。发射机采用直接变频结构，集成了个移相器个移相器(Phase(Phase Shifter)Shifter)，发射的，发射的GMSKGMSK信号的平均均方根相位误差小于信号的平均均方根相位误差小于2 2。该收发。该收发机由机由2.5V2.5V电压供电，接收机仅消耗电压供电，接收机仅消耗19.5mA19.5mA的电流，而发射机消耗的电流，而发射机消耗55mA55mA的电流。的电流。1 15 52 2 应用于无线局域网的收发机应用于无线局域网的收发机无线局域网无线局域网(WLAN)(WLAN)是利用全球通用且无须申请许可的是利用全球通用且无须申请许可的ISMISM频段频段(2.4GHz(2.4GHz频段、频段、5.0GHz5.0GHz频段频段)，在无线的环境中实现便携式移动通信。，在无线的环境中实现便携式移动通信。15 典型应用的集成收发信机典型应用的集成收发信机6/26/2024251 15 52 2 应用于无线局域网的收发机应用于无线局域网的收发机无线局域网无线局域网(WLAN)(WLAN)是利用全球通用且无须申请许可的是利用全球通用且无须申请许可的ISMISM频段频段(2.4GHz(2.4GHz频段、频段、5.0GHz5.0GHz频段频段)，在无线的环境中实现便携式移动通信。，在无线的环境中实现便携式移动通信。Intersil Intersil公司新近推出的公司新近推出的Prism DuettePrism Duette是双频带是双频带(5GHz(802.11a)(5GHz(802.11a)和和2.4GHz(802.11b2.4GHz(802.11b、802.1lg)802.1lg)无线局域网解决方无线局域网解决方案，该网络能传输高达案，该网络能传输高达54Mbps54Mbps数据率的视频、语音和数据，并且向数据率的视频、语音和数据，并且向下兼容现有的下兼容现有的Wi-FiWi-Fi系统系统PrismDuettePrismDuette双频带芯片组的总体结构。它双频带芯片组的总体结构。它的核心由两大芯片的核心由两大芯片ISL3690(ISL3690(高集成高集成UHF2UHF2双频带零中频收发机双频带零中频收发机)和和ISL3890(ISL3890(集成基带处理器集成基带处理器/媒体访问控制器媒体访问控制器BBP/MAC)BBP/MAC)组成，实现全组成，实现全IEEE802.11a/b/SIEEE802.11a/b/S无线局域网无线局域网MACMAC协议。协议。15 典型应用的集成收发信机典型应用的集成收发信机6/26/202426标标 准准 频频 段段 调制方式调制方式数数 据据 率率HomeRFHomeRF2.4GHz2.4GHzFHFH1 12Mb/s2Mb/sBluetoothBluetooth2.4GHz2.4GHzFHFH1 Mb/s1 Mb/s802.11802.112.4GHz2.4GHzFH/DSFH/DS1 12Mb/s2Mb/s802.11b 802.11b 2.4GHz2.4GHzDSDS可达可达11Mb/s 11Mb/s 802.1lS802.1lS2.4GHz2.4GHzOFDM OFDM 可达可达54Mb/s54Mb/s802.11aa802.11aa5GHz5GHzDMT/OFDMDMT/OFDM 6 654Mb/s54Mb/sHiperLAN2HiperLAN25GHz5GHzGMSKGMSK可达可达24Mb/s 24Mb/s 目前国际上应用比较广泛的无线局域网标准比较目前国际上应用比较广泛的无线局域网标准比较6/26/202427 目前能提供全集成的无线局域网收发机芯片的厂商已不少，其目前能提供全集成的无线局域网收发机芯片的厂商已不少，其技术日趋成熟。下面介绍一种典型的技术日趋成熟。下面介绍一种典型的WLANWLAN集成收发机，该芯片可以集成收发机，该芯片可以工作在工作在5.155.35GHz5.155.35GHz和和2.42.5GHz2.42.5GHz两个频段，同时满足两个频段，同时满足IEEE802.11 IEEE802.11 a/b/g a/b/g 三种标准，采用三种标准，采用0.25mCMOS0.25mCMOS工艺制造。中心频率为工艺制造。中心频率为3.8GHz3.8GHz的的片上集成片上集成VCOVCO和频率综合器的相位噪声为和频率综合器的相位噪声为1.35 rms1.35 rms。发射机在输出。发射机在输出功率约为功率约为3 dBm3 dBm时，时，EVMEVM值约为值约为33dB(2.4GHz)33dB(2.4GHz)，而在输出约为，而在输出约为7dBm7dBm时，时，EVMEVM约为约为29dB(5GHz)29dB(5GHz)。接收机的噪声系数在。接收机的噪声系数在2.4GHz2.4GHz下为下为3dB3dB，在，在5GHz5GHz下为下为3.8dB3.8dB。芯片总面积为。芯片总面积为2525。6/26/2024281 15 53 3 应用于无线传感器网络的低功耗收发机应用于无线传感器网络的低功耗收发机 无线传感器网络无线传感器网络(WSN(WSN，Wireless Sensor Network)Wireless Sensor Network)是当前是当前实际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿热点研究领域。实际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿热点研究领域。所谓无线传感器网络，是指由部署在监测区域内的大量廉价的所谓无线传感器网络，是指由部署在监测区域内的大量廉价的小型或微型的各类集成化传感器节点协作地实时感知、监测各小型或微型的各类集成化传感器节点协作地实时感知、监测各种环境或目标对象信息，通过嵌入式系统对信息进行智能处理，种环境或目标对象信息，通过嵌入式系统对信息进行智能处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端，从而真正实现息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算无处不在的计算”理念。理念。无线传感网络综合了传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技无线传感网络综合了传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术、分布式智能信息处理技术等多个学科，是术、无线通信技术、分布式智能信息处理技术等多个学科，是多学科交叉融合的产物。多学科交叉融合的产物。721 直击雷、感应雷与浪涌直击雷、感应雷与浪涌 6/26/2024291 15 54 4 应用于应用于WCDMAWCDMA GSM GSM的缺点是数据率低和频谱利用率低，这是第二代移动通信系统的缺点是数据率低和频谱利用率低，这是第二代移动通信系统进一步发展的瓶颈。应运而生的是宽带码分多址接入系统进一步发展的瓶颈。应运而生的是宽带码分多址接入系统(WCDMA)(WCDMA)其突其突出优点是数据率高和频谱利用率高，可支持出优点是数据率高和频谱利用率高，可支持384Kbps384Kbps到到2Mbps2Mbps不等的数不等的数据传输速率，在高速移动的状态，可提供据传输速率，在高速移动的状态，可提供384Kbps384Kbps的传输速率；而在低的传输速率；而在低速移动或是室内环境下，则可提供高达速移动或是室内环境下，则可提供高达2Mbps2Mbps的传输速率。的传输速率。WCDMA WCDMA是由欧洲和日本发起的，其中每个是由欧洲和日本发起的，其中每个5MHz5MHz信道只使用单路载波，信道只使用单路载波，码片率为码片率为4.096Mbps4.096Mbps，数据传输速率为，数据传输速率为2Mbps2Mbps。基于。基于WCDMAWCDMA的通用移动通的通用移动通信系统信系统(UMTS(UMTS，Universal Mobile Telecommunication Systems)Universal Mobile Telecommunication Systems)，是，是所谓的第三代所谓的第三代(3G)(3G)移动通信系统。移动通信系统。3G3G系统开展的业务定位为：提供多系统开展的业务定位为：提供多种类型、高质量多媒体业务，能实现全球性覆盖，具有全球漫游能力，种类型、高质量多媒体业务，能实现全球性覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信，这将给广大用户带来极大的便利。任何种类通信，这将给广大用户带来极大的便利。6/26/202430无线通信及射频电路技术的发展趋势如下。无线通信及射频电路技术的发展趋势如下。(1)(1)高频率化：从高频高频率化：从高频(HF)(HF)、甚高频、甚高频(VHF)(VHF)、特高频、特高频(UHF)(UHF)、微波、微波(MW)(MW)、毫米波毫米波(MMW)(MMW)至太赫兹至太赫兹(THz)(THz)，达到增加有效通信带宽的目的。，达到增加有效通信带宽的目的。(2)(2)高速率化：这也要求射频电路技术能适应高速率的数据传输，以高速率化：这也要求射频电路技术能适应高速率的数据传输，以满足实时传输声音、数据、图像等多媒体大容量信息的需要。满足实时传输声音、数据、图像等多媒体大容量信息的需要。(3)(3)集成化和小型化：射频和数字部分能集成在同集成化和小型化：射频和数字部分能集成在同块芯片块芯片(4)(4)低功耗：便于携带、工作时间长和功能多是无线通信的一个发展低功耗：便于携带、工作时间长和功能多是无线通信的一个发展方向。方向。16 无线通信及射频电路技术发展趋势无线通信及射频电路技术发展趋势6/26/202431(5)(5)数数字字化化/软软件件化化：软软件件无无线线电电将将会会是是无无线线通通信信的的通通用用实实现现方方式式，故故需需要要射射频频和和数数字字硬硬件件电电路路在在不不同同频频率率/制制式式下下实实现现无无线线通通信信系系统统之间的互连互通、一机多用。之间的互连互通、一机多用。(6)(6)低价与人性化：低价与人性化：集成收发机的发展趋势集成收发机的发展趋势 随着低压低功耗数模混合电路设计技术、片上系统随着低压低功耗数模混合电路设计技术、片上系统(SoC)(SoC)、可编、可编程片上系统程片上系统(SoPC)(SoPC)、可重构等技术的发展，以及、可重构等技术的发展，以及CMOSCMOS、GaAsGaAs、InPInP等工艺特征尺寸的进等工艺特征尺寸的进步降低和步降低和ICIC设计制造工艺的提高，单片集成设计制造工艺的提高，单片集成收发机正朝着更高的集成度、更高的工作频率、更低的工作电压和收发机正朝着更高的集成度、更高的工作频率、更低的工作电压和功耗、更低的成本方向发展。功耗、更低的成本方向发展。高集成度：随着集成电路技术的进步，单片集成数字、模拟和射频高集成度：随着集成电路技术的进步，单片集成数字、模拟和射频功能成为了芯片的发展趋势。功能成为了芯片的发展趋势。高工作频率：随着工艺特征尺寸的不断降低，器件的特征频率和最高工作频率：随着工艺特征尺寸的不断降低，器件的特征频率和最高振荡频率不断提高，使得集成收发机的工作频率越来越高。高振荡频率不断提高，使得集成收发机的工作频率越来越高。低工作电压和低功耗：低工作电压和低功耗：低成本：低成本：16 无线通信及射频电路技术发展趋势无线通信及射频电路技术发展趋势6/26/202432微波站6/26/202433无源中继站（实物照片）反射板式无源中继站反射板式无源中继站Plane reflectors双抛物面无源中继站双抛物面无源中继站Parabolic reflectors中继站1.6.3射频技术的应用射频技术的应用6/26/202434机机载多普勒雷达多普勒雷达中国新型空警中国新型空警-2000-2000预警预警1.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/202435全球卫星导航和定位系统全球卫星导航和定位系统全球卫星导航和定位系统全球卫星导航和定位系统 无线电导航无线电导航无线电导航无线电导航1.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/202436一、军用雷达设备一、军用雷达设备1.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/202437国产国产JYL-1远程三坐标警戒引导雷达远程三坐标警戒引导雷达.jpg1.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/2024382.圆锥扫描雷达的组成圆锥扫描雷达的组成 圆锥扫描雷达组成方框图圆锥扫描雷达组成方框图6/26/202439雷达系统原理图雷达系统原理图1发射机发射机2隔离器隔离器3天线收发转换开关天线收发转换开关4馈线波导馈线波导5旋转关节旋转关节6辐射器辐射器7天线反射器天线反射器8混频器混频器9可变衰减器可变衰减器10本地振荡器本地振荡器11中频接收机中频接收机6/26/202440照相侦察卫星。照相侦察卫星。美车锁眼美车锁眼“KH-12”卫星卫星1.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/202441 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 北斗卫星导航系统由空间段、北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三地面段和用户段三 部分组成，部分组成，空间段包括空间段包括5 5颗静止轨道卫星颗静止轨道卫星和和3030颗颗 非静止轨道卫星，地非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和面段包括主控站、注入站和 监测站等若干个地面站，用监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终户段包括北斗用户终 端以及端以及与其他卫星导航系统兼容的与其他卫星导航系统兼容的终端。终端。1.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/2024421.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/2024431.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/202444从典型从典型RFRF系统看本课程内容设置系统看本课程内容设置无线通信系统原理框图无线通信系统原理框图1.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/2024451.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/2024461.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/2024471.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/202448 华为推出世界上最快的四核智能手机华为推出世界上最快的四核智能手机-华为腾飞华为腾飞D(HuaweiD)D(HuaweiD)四核。四核。此款手机拥有此款手机拥有1.2GHz/1.5GHz1.2GHz/1.5GHz华为华为K3V2K3V2四核处理器、四核处理器、4.54.5英寸智能英寸智能手机中最为紧凑的设计、扩大手机用户应用范围的手机中最为紧凑的设计、扩大手机用户应用范围的Android4.0Android4.0操操作系统以及可节电高达作系统以及可节电高达30%30%的华为专有的电源管理系统。的华为专有的电源管理系统。速度、长电池寿命、高品质视听能力、紧凑轻便的设计。华速度、长电池寿命、高品质视听能力、紧凑轻便的设计。华为腾飞为腾飞P1S(HuaweiP1S(Huawei刷新了新的世界记录，成为了世界上最轻薄的刷新了新的世界记录，成为了世界上最轻薄的智能手机。智能手机。1.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/202449RF/MWRF/MW系统通常由这样几类装置组成：系统通常由这样几类装置组成：无源器件：完成微波信号和功率的分配、控制和滤波等无源器件：完成微波信号和功率的分配、控制和滤波等功能的装功能的装 置，没有进行微波能量与其他能量（如直流）置，没有进行微波能量与其他能量（如直流）的转换的转换,如滤波器，如滤波器，双工器，耦合器等。双工器，耦合器等。有源器件：产生、放大、变换微波信号和功率的装置，有源器件：产生、放大、变换微波信号和功率的装置，一般要将微一般要将微 波能量与其他能量进行转换。波能量与其他能量进行转换。正是上述装置构成了本课程内容。正是上述装置构成了本课程内容。当然，当然，RF/MWRF/MW应用还涉及其他重要方面，如电波传播、应用还涉及其他重要方面，如电波传播、RF/MWRF/MW测量，测量，RF/MWRF/MW仿真与计算等。尽管很重要，由于课仿真与计算等。尽管很重要，由于课时有限，本课程不讲时有限，本课程不讲 1.6.31.6.3射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用射频技术的应用6/26/2024501 17 71 1 频带宽度表示法频带宽度表示法绝对带宽绝对带宽 2 相对带宽相对带宽为中心频率为中心频率 17 射频电路基础射频电路基础6/26/202451百分比法百分比法RBWRBW和倍数法和倍数法K K都可以表示相对带宽，两者的转换关系为都可以表示相对带宽，两者的转换关系为例例11 11 一个射频低噪声放大电路的频率范围为：一个射频低噪声放大电路的频率范围为：3.4GHz3.4GHz，4.2GHz4.2GHz。请计算绝对带宽。请计算绝对带宽BWBW、相对带宽、相对带宽RBWRBW和倍数法表示的带宽和倍数法表示的带宽K K，并判断该放大电路是否属于宽带放大电路。并判断该放大电路是否属于宽带放大电路。解：解：绝对带宽绝对带宽BWBW为为 BW(Hz)=4.2GHz BW(Hz)=4.2GHz3.4GHz3.4GHz0.8GHz0.8GHz相对带宽相对带宽RBWRBW为为或者用分贝表示为或者用分贝表示为17 射频电路基础射频电路基础6/26/2024521.5 分贝的概念与应用分贝的概念与应用1.6.1 分贝的定义分贝的定义(2)电压电压(1)功率功率6/26/202453(3)电电流流 电电流流的的单单位位有有安安(A)、毫毫安安(mA)、微微安安(A)，电电压压的的分分贝贝单单位位(dBA、dBmA、dBA)表示为：表示为：(4)电场强度电场强度 (V/m)、(mV/m)、(V/m)，电电场场强强度度的的分分贝贝单单位位(dBV/m、dBmV/m、dBV/m)表示为：表示为：6/26/202454(5)功率密度功率密度(6)功率密度功率密度6/26/202455电平单位转换（电阻为电平单位转换（电阻为7550）转换关系转换关系dBW(dBW(新单位）新单位）dBm(新单位）新单位）dBmV(新）新）dBV(新）新）dBW(dBW(原单位）原单位）0 0+30+30+78.75/+77+78.75/+77138.75/+137138.75/+137dBm(dBm(原单位）原单位）-30-300 0+48.75/+47+48.75/+47+108.75/+107+108.75/+107dBmV(dBmV(原单位）原单位）-78.75/-77-78.75/-77-48.75/-47-48.75/-470 0+60+60dBV(dBV(原）原）-138.75/-138.75/-137137-108.75/-107-108.75/-107-60-600 0电平单位转换（电阻为电平单位转换（电阻为757550 )50 )6/26/202456dBmdBm毫瓦毫瓦dBmdBm毫瓦毫瓦dBmdBm毫瓦毫瓦0 01 11717505034342.5W 2.5W 1 11.31.31818646435353.0W3.0W2 21.61.61919808036364.0W4.0W3 32 2202010010037375W5W4 42.52.5212112812838386W6W5 53.23.2222216016039398W8W6 64 42323200200404010W10W7 75 52424250250414113W13W8 86 62525320320424216W16W9 98 82626400400434320W20W101010102727500500444425W25W111113132828640640454532W32W121216162929800800464640W40W1313202030301W1W474750W50W1414252531311.3W 1.3W 484864W64W1515323232321.6W1.6W494980W80W1616404033332W2W5050100W100WdBm和毫瓦的换算和毫瓦的换算6/26/202457学习方法：学习方法：大处着眼大处着眼始终把握每讲内容在整体课程中的地位。始终把握每讲内容在整体课程中的地位。始终把握所学元器件在始终把握所学元器件在RFMw系统中的地位。系统中的地位。从原理上掌握每一元器件的机理、功能和作用。从原理上掌握每一元器件的机理、功能和作用。小处着手小处着手 熟练掌握具有代表性的理论、公式、推导。熟练掌握具有代表性的理论、公式、推导。熟悉几种具有代表性的元器件的设计过程，井能完成典型电路熟悉几种具有代表性的元器件的设计过程，井能完成典型电路设计。设计。从小入手，举一反三，触类旁通，从而在有限的学时内，从小入手，举一反三，触类旁通，从而在有限的学时内，最大限度地掌握最大限度地掌握RFMw电路与天线的理论与设计。电路与天线的理论与设计。6/26/202458 给自己定个目标：上、中、下。在所定目标下，制成给自己定个目标：上、中、下。在所定目标下，制成 学习方案学习方案和精力分配。和精力分配。上：出色完成课程学习上：出色完成课程学习,掌握尽可能多的细节。掌握尽可能多的细节。中：较好完成课程学习，掌握课堂所授主要内容。中：较好完成课程学习，掌握课堂所授主要内容。下：基本完成课程学习，掌握课堂所授基本内容下：基本完成课程学习，掌握课堂所授基本内容6/26/2024591 1 无线收发信机射频前端功能和特性无线收发信机射频前端功能和特性2 2 射频电路在系统中的作用与地位射频电路在系统中的作用与地位3 3 射频电路与微波电路和低频电路的关系射频电路与微波电路和低频电路的关系3 31 1 频段划分频段划分 1 13 32 2 电路的设计考虑电路的设计考虑4 4 集成收发系统结构集成收发系统结构5 5 典型应用的集成收发信机典型应用的集成收发信机5 51 GSM1 GSM收发机收发机 5 52 2 应用于无线局域网的收发机应用于无线局域网的收发机5 53 3 应用于无线传感器网络的低功耗收发机应用于无线传感器网络的低功耗收发机5 54 4 应用于应用于WCDMAWCDMA6 6 无线通信及射频电路技术发展趋势无线通信及射频电路技术发展趋势7 7 射频电路基础射频电路基础7 71 1 频带宽度表示法。频带宽度表示法。本节总结本节总结6/26/2024601.5 IC工艺技术的选择一、一、RF ICRF IC工艺技术选择的三个主要因素工艺技术选择的三个主要因素 性能性能 价格价格 投放市场的时间投放市场的时间二、二、RF ICRF IC工艺技术工艺技术 砷化镓（砷化镓（GaAsGaAs）,双极（双极（bipolarbipolar）,CMOS,CMOS工艺工艺Si BipolarSi BipolarSi CMOSSi CMOS高集成度高集成度低功耗和低噪声低功耗和低噪声易进行阻抗匹配易进行阻抗匹配较低的制造成本较低的制造成本在同一芯片上同时包在同一芯片上同时包 含模拟和数字电路含模拟和数字电路第一单元射频和第一单元射频和第一单元射频和第一单元射频和无线技术简介无线技术简介无线技术简介无线技术简介 6/26/202461习题1-1.说说明明“射射频频设设计计六六边边形形”在在射射频频设设计计中中的的重要性。重要性。1-2.PA、LNA、变变频频器器、频频率率源源在在系系统统设设计计中考虑的主要因素各是什么。中考虑的主要因素各是什么。1-3以以低低噪噪声声放放大大器器为为例例，说说明明与与噪噪声声折折中中的参数有哪些的参数有哪些?第一单元射频和第一单元射频和第一单元射频和第一单元射频和无线技术简介无线技术简介无线技术简介无线技术简介 6/26/202462汇报完毕请各位专家指正谢谢！6/26/202463