射频技术入门

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,射频技术入门,三旗硬件部,2007.08.01,1,Index,射频行为,损耗与增益,分贝,带宽,环境中的射频,匹配,射频硬件,天线,放大器,滤波器,混频器,振荡器,开关,衰减器,分配器,耦合器,2,射频行为,损耗与增益,所有器件,(,有源和无源,),都或者显示损耗特性，或者显示增益特性。,如果出来的信号小于进来的信号，表明该器件有损耗。有很多具有损耗的器件，一些是无源的，一些是有源的。一个大的射频信号进去，变成一个小的射频信号出来，剩下的那部分没有出来的信号则转变成了热能。表现出损耗现象的器件将变暖，损耗越多，就越热，甚至熔化。这就是为什么无源器件中对功率的处理能力是非常重要的。,增益,如果放大器输出的信号是输入信号的,10,倍，则该放大器的增益是,10,。如果有两个这样的放大器串接，增益结果将是,100(,而不是,20),。即信号放大,10,后，再放大,10,倍，最后的信号是原始信号的,100,倍。,插入损耗,如果从一个无源器件出来的信号是进入信号的,1/100,，那么该器件的损耗为,100,，即将数据信号除以,100,可以得到输出信号的幅度。将信号通过一个无源器件所经历的损耗称为插入损耗,。,3,射频行为,(contd),分贝,发射机发射的信号可能会是到达接收机信号的十亿倍，乘或除这么大的数字是很难把握的，于是就出现了使用加减法来代替乘除法的对数。,在射频之中，只需要知道有关对数的两样东西。其一，对数是两个值的比值；其二该比值的单位是分贝,(dB),。其定义是,10lg(,输出功率,/,输入功率,),。,如前所述，放大器的增益是,100,，换算成分贝，就是增益为,20dB,。,只需要记住两种,dB,的转换就可以进行简单的分贝转换：,+3dB,指的是,2,倍大,(,乘以,2),+10dB,指的是,10,倍大,(,乘以,10),-3dB,指的是减小到,1/2(,除以,2),-10dB,指的是减小到,1/10(,除以,10),E.g.,如果信号经历的增益为,4000,，那么增益为多少,dB,？,4000= 2 X 2 X 10 X 10 X 10,=3dB+3dB+10dB+10dB+10dB=36dB,4,射频行为,(contd),带宽,带宽是描述频率范围的方法，它等于器件或应用中最高频率和最低频率的差值，所以需要两个频率值来定义带宽。有时带宽也用百分比来表达，它等于实际带宽除以上下频率的平均值。,带宽和数据承载能力,(,数据速率,),有直接关系。无线系统的带宽越宽，在一定时间内所承载的数据就越多，所以数据速率就越高。,带宽的另外两个术语就是倍频和十倍频。倍频和十倍频来源于对数算法，其中倍频是指两倍大，十倍频是指,10,倍大。如果器件的上边频是下边频的,2,倍大，那么器件具有倍频带宽。,5,射频行为,(contd),环境中的射频,趋肤效应,产生趋肤效应的原因是由于感抗的作用,导体内部比表面具有更大的电感,L,因此对交流电的阻碍作用大,使得电流密集于导体表面,.,趋肤效应使得导体的有效横截面减小,因而导体对交流电的有效电阻比对直流电的电阻大,.,自由空间损耗,自由空间是指相对介电常数和相对导磁率都为,1,的均匀介质所存在的空间，它是一个理想的无限大的空间，是为简化问题研究而提出的一种科学抽象。自由空间无线电波传播，仅考虑由能量扩散引起的损耗，即接收机和发射机之间是无任何阻挡的视距路径时的传播损耗。,吸收,e.g.,微波炉内辐射水容易接收的某个频率的射频信号。当射频信号遇到水时，信号变得越来越小，谁就变得越来越热。这就是没有水的东西在微波炉里无法变热的原因。,反射,射频频率和物体材料两个因素有关。如金属就会发生完全反射，混凝土发生部分反射。,6,射频行为,(contd),匹配,50,欧姆的含义,二次世界大战器件，军队需要连接一些碰巧是,50ohm,阻抗的天线。结果他们开发了一些,50ohm,的电缆，后来称为,RG-58,。一旦他们有了这些电缆，其他所需要连接的东西都只能向,50ohm,看齐了。,50ohm,不是最佳的。拿电缆来说，,75ohm,的性能更加,(,即衰减更小,),。因为他是近期开发的，,75ohm,是用于有线电视中的阻抗。相应的有两种阻抗标准：射频用,50ohm,和视频用,75ohm,。,VSWR,电压驻波比。是描述匹配情况的数字度量，匹配越好，泄露越小。它没有度量单位，表达方式是,X,：,1,，,X,越大，泄露越多。,VSWR,回波损耗,含义,1.0,：,1,无穷,完美匹配，没有任何泄露，不可能达成,1.4,：,1,15.6dB,有两匹配，很小泄露,2.0,：,1,9.5dB,良好匹配，可接受的泄漏量，通常作为设计目标,7,射频硬件,天线,天线可以使有源器件也可以是无源器件。有源天线仅仅是比无源天线在内部多了一个放大器。,天线的大小和形状取决于,3,个因素：天线需要处理的频率；无线电波传播的方向；天线发送或接收的功率。,天线增益,与平常理解的增益不同，射频能量的绝对值并没有真正变大。这是方向增益而不是功率增益。是相对于各向同性天线的增益。度量单位为,dBi,。,极化,当射频波在空中传播，正弦波自身有方向：垂直或水平。垂直极化正弦波传播时会上下变化，水平极化正弦波传播是会左右变化。极化是一种方法，把两个相同频率的不同信号同时放到同一个地方。理论上，通过使用水平和垂直极化，在同样的带宽内，可以实现,2,倍的转换。,8,射频硬件,(contd),放大器,放大器的三个基本属性：增益、噪声系数或输出功率、线性。,放大器主要分三类：低噪声放大器,LNA,、高功率放大器,HPA,和其他。,增益,使用,dB,度量，描述输出信号比输入信号大多少。,噪声系数,低噪声放大器用于监听非常小的射频信号，所以他们必须非常安静。,LNA,的安静度量叫做噪声系数,(NF),，单位,dB,。噪声系数越低，,LNA,可以听到的信号越小。,输出功率,HPA,的基本属性之一就是输出功率，用,W,或,dBm,来度量。,一般来说，功率越高越好。,dBm,的含义是比,1mW,大的,dB,数。,1dBm=10lg(,功率值,W/1mW),，,e.g.30dBm,等于,1W,。,一个,HPA,并不意味着它很大的输出功率，,但意味着它是发射器的最后的放大器。,W,表示的功率,dBm,表示的功率,0.1mW,-10dBm,1mW,0dBm,1W,30dBm,2W,33dBm,1000W,60dBm,9,射频硬件,(contd),放大器,(contd),线性,用来度量放大器使信号形状失真的程度。射频载波的微小变化部分实际上都包含着信息，因此不需要的信号形状会使信息严重失真。传输曲线是一种可视化的方法来描述线性的概念，就是放大器的输出功率对输入功率的图。,在,A,点之前的范围被称为放大器的线性区。要避免信号失真，放大器必须在这个区域内工作。,ACPR(,邻近信道功率比,)ACPR,度量了干扰或者说是相邻频率信道功率的大小。通常定义为相邻频道（或偏移）内平均功率与发射信号频道内的平均功率之比，,ACPR,描述了由于发射机硬件非线性造成的失真大小。,ACPR,对于,WCDMA,发射机来说是至关重要的，因为,CDMA,调制在调制载波中产生紧密相邻的频谱成分。这些成分的互调制导致中心载波两侧频谱的再生，发射机的非线性将使这些频谱再生成分进入相邻信道。,10,射频硬件,(contd),滤波器,任意时刻都有许多看不见的射频波以各种频率游荡在空气中。所有这些游荡的波试图通过接收机的天线进入接收机，并且许多都成功了。一些信号甚至通过了,LNA,，这些地方正是需要滤波器的地方，让许多可接受的信号进入，拒绝其他所有无用信号。,滤波器分为四种：高通、低通、带阻、带通。,通常来说，滤波器是无源器件，通过改变它们的插入损耗来工作。插入损耗是频率的函数，称为滤波器的频率响应曲线。,双工器,把发射和接收的两个滤波器放入一个器件里。在,WCDMA,中使用。,SAW,滤波器,SAW,表示声表面波，工作原理：首先，将射频信号转化为声音信号，然后将不需要的声音信号滤掉，最后把声音信号转化为射频信号。,需要注意的是：放大器不是唯一有,1dB,压缩点和三阶互调点的器件。象滤波器这样的无源器件也有这些参数。在无源器件中，这两种参数测量的不是器件的输出功率，而是在不引起信号失真的情况下，器件能处理的功率。,11,射频硬件,(contd),混频器,混频器的目的就是改变信号的频率但保持信号的其它特性不变。,两个信号,(,频率为,f1,和,f2),进入混频器后，会出来两个不同的信号：,f1+f2,、,f1-f2,，其中有一个信号是不需要的，会在混频器后面跟一个滤波器将其滤掉。,实际上，当两个信号进入混频器，输出的并不是两个很干净的信号。许多信号以各种频率出来了，这些不需要的信号被定义为噪声。混频器会将噪声引入到系统，这也是混频器后面有滤波器的另一个原因。,混频器的一共有三个端口，两个输入端口，一个输出端口。三个端口的频率范围越宽，混频器损耗越大，性能越差。,无源混频器会表现出插入损耗，为了区别，混频器中的插入损耗叫做转换损耗,(CL),，,CL,越低越好。另一个重要参数是噪声系数,(NF),，,NF,越低越好。,12,射频硬件,(contd),振荡器,给混频器提供一个输入的振荡器叫做本地振荡器,(LO),。,所有的振荡器都是有源器件，理想状态是，接上电源之后，输出一个完美的预定频率的正弦波信号。,振荡器有很多种型号，但是他们的目标是相同的，在给定的条件下,(,温度、频率等,),提供最完美的正弦波。,我们用得比较多的是,TCXO(,温补晶体振荡器,),，表现为准确的温度控制。,13,射频硬件,(contd),开关,所有的开关都是有源设备，就是说它们需要一定的功率来实现功能。,有两个关键性能参数：损耗和转换速度。,损耗分为两种：插入损耗和隔离度。在开关中插入损耗是,1dB,或者更小。最小的有用的隔离度大约是,20dB,。,e.g.Murata LMSM32AA-533:,集成了,SAW,，使用在进入射频功放之前，,用于降低,Tx,对,Rx,的干扰,14,射频硬件,(contd),衰减器,衰减器就是反放大器，信号通过衰减器之后，功率会降低，减少的信号转换为热量散失了。,衰减器分为：固定衰减器、电压可变衰减器、数字衰减器。其中固定衰减器是无源器件，电压可变衰减器与数字衰减器为有源器件。,各种类型的衰减器的主要参数是准确性。无论是固定的还是可变的，衰减值不仅要求量的确切值，而且衰减值不能随时间、温度或其他因素改变。,15,射频硬件,(contd),分配器,分配器负责信号分配，分配器也叫功率分配器，简称功分器。,所有的分配器都是无源器件。,在实际测试中会使用到功分器，尤其是在进行,RX,性能测试的时候。,16,射频硬件,(contd),耦合器,信号从,IN,进入耦合器，信号从,OUT,输出。,此外，当信号从,IN,到,OUT,的过程中，,信号的一小部分被虹吸掉，在,COUPLNG,被取出来，被称作取样端口。,一个耦合器对一个射频信号采样，如果有不对的地方，返回时就告诉其他器件进行改变。,耦合器的类型：,定向和双向,定向耦合器意味着它只有一个采样端口，只在一个方向工作。双向耦合器有两个采样端口，可以在两个方向上工作。,正交耦合器,几乎与双向功率分配器完全一样，它的输出功率在两个输出间被均分，两个输出是反相的。,17,射频系统,卫星通信,卫星技术是为解决,RF,行为视距传输局限而提出的。携带足够能量的任何防线的发射信号都能达到它的目的地接收机，这都是针对短距离而言。当,RF,信号需长距离传输时，就会出现问题，接收机由于地球存在曲率而被阻挡。,携带足够能量的,RF,信号进行长距离传输时会发生的情况就是，信号奔向太空。正因为这样，,FCC,才能给在不同地方的不同呼叫方分配相同的频率。,低频信号,(,频率小于,30MHz),，,RF,能量收到电离层反射，而沿地球传播，卫星不需要接收这个频段的信号。,同步卫星,在赤道上方,22,000mile,，在这个轨道上，卫星绕地球转动的速度与地球自转的速度相同。,卫星通信使用的是双工通信。卫星天线接收上行链路信号,(,以上行频率发送,),，并将它发射到双工机。然后双工机将信号路由到,LNA,，进行信号的放大。接下来，混频器将信号搬移到下行链路频率，最后，信号经过高功率放大器并通过双工机发送到天线。这个系统简称为应答器。,18,射频系统,(cond),卫星通信,GPS,一种特殊的卫星系统，全球定位系统。由,24,颗卫星组成，它仅连续发送一个信号，不提供接收用户信号的设备。,GPS,发送的信号主要用在两个方面：导航和定时。,19,THE END,20,