射频技术入门实用教案

Index射频行为射频行为(xngwi)损耗与增益损耗与增益分贝分贝带宽带宽环境中的射频环境中的射频匹配匹配射频硬件射频硬件天线天线(tinxin)放大器放大器滤波器滤波器混频器混频器振荡器振荡器开关开关衰减器衰减器分配器分配器耦合器耦合器第1页/共20页第一页，共20页。射频行为射频行为损耗与增益损耗与增益所有器件所有器件(有源和无源有源和无源)都或者显示损耗都或者显示损耗特性，或者显示增益特性。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，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。处理能力是非常重要的。增益增益如果放大器输出如果放大器输出(shch)的信的信号是输入信号的号是输入信号的10倍，则该放大器的增倍，则该放大器的增益是益是10。如果有两个这样的放大器串接，。如果有两个这样的放大器串接，增益结果将是增益结果将是100(而不是而不是20)。即信号。即信号放大放大10后，再放大后，再放大10倍，最后的信号倍，最后的信号是原始信号的是原始信号的100倍。倍。插入损耗插入损耗如果从一个无源器件出来如果从一个无源器件出来的信号是进入信号的的信号是进入信号的1/100，那么该器，那么该器件的损耗为件的损耗为100，即将数据信号除以，即将数据信号除以100可以得到输出可以得到输出(shch)信号的幅信号的幅度。将信号通过一个无源器件所经历的度。将信号通过一个无源器件所经历的损耗称为插入损耗。损耗称为插入损耗。第2页/共20页第二页，共20页。射频行为射频行为(contd)分贝分贝发射机发射的信号可能会是到达接收机信发射机发射的信号可能会是到达接收机信号的十亿倍，乘或除这么号的十亿倍，乘或除这么(zh me)大的大的数字是很难把握的，于是就出现了使用加数字是很难把握的，于是就出现了使用加减法来代替乘除法的对数。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；其二东西。其一，对数是两个值的比值；其二该比值的单位是分贝该比值的单位是分贝(dB)。其定义是。其定义是10lg(输出功率输出功率/输入功率输入功率)。如前所述，放大器的增益是如前所述，放大器的增益是100，换算成，换算成分贝，就是增益为分贝，就是增益为20dB。只需要记住两种只需要记住两种dB的转换就可以进行简单的转换就可以进行简单的分贝转换：的分贝转换： +3dB指的是指的是2倍大倍大(乘以乘以2) +10dB指的是指的是10倍大倍大(乘以乘以10) -3dB指的是减小到指的是减小到1/2(除以除以2) -10dB指的是减小到指的是减小到1/10(除以除以10) E.g. 如果信号经历的增益为如果信号经历的增益为4000，那，那么增益为多少么增益为多少dB？ 4000= 2 X 2 X 10 X 10 X 10 =3dB+3dB+10dB+10dB+10dB=36dB第3页/共20页第三页，共20页。射频行为射频行为(contd)带宽带宽带宽是描述频率范围的方法，它等于器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，件或应用中最高频率和最低频率的差值，所以需要所以需要(xyo)两个频率值来定义带两个频率值来定义带宽。有时带宽也用百分比来表达，它等宽。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。于实际带宽除以上下频率的平均值。带宽和数据承载能力带宽和数据承载能力(数据速率数据速率)有直接有直接关系。无线系统的带宽越宽，在一定时关系。无线系统的带宽越宽，在一定时间内所承载的数据就越多，所以数据速间内所承载的数据就越多，所以数据速率就越高。率就越高。带宽的另外两个术语就是倍频和十倍频。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，十倍频是指频是指两倍大，十倍频是指10倍大。如倍大。如果器件的上边频是下边频的果器件的上边频是下边频的2倍大，那倍大，那么器件具有倍频带宽。么器件具有倍频带宽。第4页/共20页第四页，共20页。射频行为射频行为(contd)环境中的射频环境中的射频趋肤效应趋肤效应产生趋肤效应的原因是由于产生趋肤效应的原因是由于感抗的作用感抗的作用,导体内部比表面具有更大的导体内部比表面具有更大的电感电感L,因此对交流电的阻碍作用大因此对交流电的阻碍作用大,使得使得电流密集于导体表面电流密集于导体表面.趋肤效应使得导体趋肤效应使得导体的有效横截面减小的有效横截面减小,因而导体对交流电的因而导体对交流电的有效电阻比对直流电的电阻大有效电阻比对直流电的电阻大. 自由空间损耗自由空间损耗自由空间是指相对介电自由空间是指相对介电常数和相对导磁率都为常数和相对导磁率都为1的均匀介质所存的均匀介质所存在的空间，它是一个理想的无限大的空在的空间，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。自由空间无线电波学抽象。自由空间无线电波(wxin dinb)传播，仅考虑由能量扩散引起传播，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。何阻挡的视距路径时的传播损耗。吸收吸收 e.g.微波炉内辐射水容易接收的某个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，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。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这就是没有水的东西在微波炉里无法变热的原因。热的原因。反射反射射频频率和物体材料两个因素有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，混凝土关。如金属就会发生完全反射，混凝土发生部分反射。发生部分反射。第5页/共20页第五页，共20页。射频行为射频行为(contd)匹配匹配50欧姆的含义欧姆的含义二次世界大战器件，军二次世界大战器件，军队需要连接一些碰巧是队需要连接一些碰巧是50ohm阻抗的天阻抗的天线。结果他们开发了一些线。结果他们开发了一些50ohm的电缆，的电缆，后来称为后来称为RG-58。一旦他们有了这些电。一旦他们有了这些电缆，其他所需要连接的东西都只能向缆，其他所需要连接的东西都只能向50ohm看齐了。看齐了。 50ohm不是最佳的。拿电缆来说，不是最佳的。拿电缆来说，75ohm的性能更加的性能更加(即衰减更小即衰减更小)。因为。因为他是近期开发的，他是近期开发的，75ohm是用于有线电是用于有线电视中的阻抗。相应的有两种阻抗标准：视中的阻抗。相应的有两种阻抗标准：射频用射频用50ohm和视频用和视频用75ohm。VSWR电压驻波比。是描述匹配情况电压驻波比。是描述匹配情况(qngkung)的数字度量，匹配越好，泄的数字度量，匹配越好，泄露越小。它没有度量单位，表达方式是露越小。它没有度量单位，表达方式是X：1，X越大，泄露越多。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1.4：115.6dB有两匹配，很小泄露2.0：19.5dB良好匹配，可接受的泄漏量，通常作为设计目标第6页/共20页第六页，共20页。射频硬件射频硬件天线天线天线可以使有源器件也可以是无源器件。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有源天线仅仅是比无源天线在内部多了一个放大器。一个放大器。天线的大小和形状取决于天线的大小和形状取决于3个因素：天线个因素：天线需要处理的频率；无线电波传播的方向；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。天线发送或接收的功率。天线增益天线增益与平常理解的增益不同，射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。度量单位为向同性天线的增益。度量单位为dBi。极化极化当射频波在空中传播，正弦波自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，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把两个相同频率的不同信号同时放到同一个地方。理论一个地方。理论(lln)上，通过使用水上，通过使用水平和垂直极化，在同样的带宽内，可以平和垂直极化，在同样的带宽内，可以实现实现2倍的转换。倍的转换。第7页/共20页第七页，共20页。射频硬件射频硬件(contd)放大器放大器放大器的三个基本属性：增益、噪声系数放大器的三个基本属性：增益、噪声系数或输出功率、线性。或输出功率、线性。放大器主要分三类：低噪声放大器放大器主要分三类：低噪声放大器LNA、高功率放大器高功率放大器HPA和其他。和其他。增益增益使用使用dB度量，描述输出信号比度量，描述输出信号比输入信号大多少。输入信号大多少。噪声系数噪声系数低噪声放大器用于监听非常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。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的安静度量叫做噪声系数(NF)，单，单位位dB。噪声系数越低，。噪声系数越低，LNA可以可以(ky)听到的信号越小。听到的信号越小。输出功率输出功率HPA的基本属性之一就是的基本属性之一就是输出功率，用输出功率，用W或或dBm来度量。来度量。 一般来说，功率越高越好。一般来说，功率越高越好。 dBm的含义是比的含义是比1mW大的大的dB数。数。 1dBm=10lg(功率值功率值W/1mW)， e.g.30dBm等于等于1W。 一个一个HPA并不意味着它很大的输出功率，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。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-10dBm1mW0dBm1W30dBm2W33dBm1000W60dBm第8页/共20页第八页，共20页。射频硬件射频硬件(contd)放大器放大器(contd)线性线性用来度量放大器使信号形状失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概念，就是放大器的输出功率对输入功率的图。功率的图。 在在A点之前的范围被称为放大器的线点之前的范围被称为放大器的线性区。要避免信号失真，放大器必须性区。要避免信号失真，放大器必须在这个区域内工作。在这个区域内工作。ACPR(邻近信道功率比邻近信道功率比)ACPR度度量了干扰或者说是相邻频率信道功率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移）内平均功率与发射信号频道内的平均功率之比，平均功率之比，ACPR描述了由于发射描述了由于发射机硬件非线性造成的失真大小。机硬件非线性造成的失真大小。ACPR对于对于WCDMA发射机来说是至关重要发射机来说是至关重要的，因为的，因为CDMA调制在调制载波中产调制在调制载波中产生紧密相邻的频谱成分。这些成分的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互调制导致中心载波两侧(lin c)频频谱的再生，发射机的非线性将使这些谱的再生，发射机的非线性将使这些频谱再生成分进入相邻信道。频谱再生成分进入相邻信道。 第9页/共20页第九页，共20页。射频硬件射频硬件(contd)滤波器滤波器任意时刻都有许多看不见的射频波以各种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。所有频率游荡在空气中。所有(suyu)这些这些游荡的波试图通过接收机的天线进入接收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。一些信号甚至通机，并且许多都成功了。一些信号甚至通过了过了LNA，这些地方正是需要滤波器的地，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，拒绝其他方，让许多可接受的信号进入，拒绝其他所有所有(suyu)无用信号。无用信号。滤波器分为四种：高通、低通、带阻、带滤波器分为四种：高通、低通、带阻、带通。通。通常来说，滤波器是无源器件，通过改变通常来说，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。的函数，称为滤波器的频率响应曲线。双工器双工器把发射和接收的两个滤波器放把发射和接收的两个滤波器放入一个器件里。在入一个器件里。在WCDMA中使用。中使用。SAW滤波器滤波器SAW表示声表面波，工表示声表面波，工作原理：首先，将射频信号转化为声音信作原理：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。把声音信号转化为射频信号。需要注意的是：放大器不是唯一有需要注意的是：放大器不是唯一有1dB压压缩点和三阶互调点的器件。象滤波器这样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，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，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，器件能而是在不引起信号失真的情况下，器件能处理的功率。处理的功率。第10页/共20页第十页，共20页。射频硬件射频硬件(contd)混频器混频器混频器的目的就是改变信号的频率混频器的目的就是改变信号的频率(pnl)但保持信号的其它特性不变。但保持信号的其它特性不变。两个信号两个信号(频率频率(pnl)为为f1和和f2)进入混进入混频器后，会出来两个不同的信号：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，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要的，会在混频器后面跟一个滤波器将其滤掉。其滤掉。实际上，当两个信号进入混频器，输出的实际上，当两个信号进入混频器，输出的并不是两个很干净的信号。许多信号以并不是两个很干净的信号。许多信号以各种频率各种频率(pnl)出来了，这些不需要的出来了，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入到系统，这也是混频器后面有滤波器的另一个原因。的另一个原因。混频器的一共有三个端口，两个输入端口，混频器的一共有三个端口，两个输入端口，一个输出端口。三个端口的频率一个输出端口。三个端口的频率(pnl)范围越宽，混频器损耗越大，性能越差。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，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越低越好。另一个重要参数是噪声系数数(NF)，NF越低越好。越低越好。第11页/共20页第十一页，共20页。射频硬件射频硬件(contd)振荡器振荡器给混频器提供一个输入的振荡器叫做本地给混频器提供一个输入的振荡器叫做本地振荡器振荡器(LO)。所有的振荡器都是有源器件，理想状态是，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接上电源之后，输出一个完美的预定频率的正弦波信号的正弦波信号(xnho)。振荡器有很多种型号，但是他们的目标是振荡器有很多种型号，但是他们的目标是相同的，在给定的条件下相同的，在给定的条件下(温度、频率等温度、频率等)提供最完美的正弦波。提供最完美的正弦波。我们用得比较多的是我们用得比较多的是TCXO(温补晶体振荡温补晶体振荡器器)，表现为准确的温度控制。，表现为准确的温度控制。第12页/共20页第十二页，共20页。射频硬件射频硬件(contd)开关开关所有的开关都是有源设备，就是说它们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。需要一定的功率来实现功能。有两个关键性能参数：损耗和转换速度有两个关键性能参数：损耗和转换速度(sd)。损耗分为两种：插入损耗和隔离度。在损耗分为两种：插入损耗和隔离度。在开关中插入损耗是开关中插入损耗是1dB或者更小。最小或者更小。最小的有用的隔离度大约是的有用的隔离度大约是20dB。e.g.Murata LMSM32AA-533:集成了集成了SAW，使用在进入射频功放之前，使用在进入射频功放之前，用于降低用于降低Tx对对Rx的干扰的干扰第13页/共20页第十三页，共20页。射频硬件射频硬件(contd)衰减器衰减器衰减器就是反放大器，信号通过衰减器之衰减器就是反放大器，信号通过衰减器之后后(zhhu)，功率会降低，减少的信号，功率会降低，减少的信号转换为热量散失了。转换为热量散失了。衰减器分为：固定衰减器、电压可变衰减衰减器分为：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、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器件，电压可变衰减器与数字衰减器为有源器件。源器件。各种类型的衰减器的主要参数是准确性。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、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。温度或其他因素改变。第14页/共20页第十四页，共20页。射频硬件射频硬件(contd)分配器分配器分配器负责信号分配，分配器也叫功率分配器负责信号分配，分配器也叫功率分配器，简称功分器。分配器，简称功分器。所有的分配器都是无源器件。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，尤其在实际测试中会使用到功分器，尤其(yuq)是在进行是在进行RX性能测试的时候。性能测试的时候。第15页/共20页第十五页，共20页。射频硬件射频硬件(contd)耦合器耦合器信号从信号从IN进入耦合器，信号从进入耦合器，信号从OUT输出。输出。 此外，当信号从此外，当信号从IN到到OUT的过程中，的过程中， 信号的一小部分被虹吸掉，在信号的一小部分被虹吸掉，在COUPLNG被取出来，被称作取样端口。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不对的地方，返回时就告诉其他器件进行行(jnxng)改变。改变。耦合器的类型：耦合器的类型： 定向和双向定向和双向定向耦合器意味着它只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。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，可以在两双向耦合器有两个采样端口，可以在两个方向上工作。个方向上工作。 正交耦合器正交耦合器几乎与双向功率分配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。被均分，两个输出是反相的。第16页/共20页第十六页，共20页。射频系统射频系统卫星通信卫星通信卫星技术是为解决卫星技术是为解决RF行为视距传输局限行为视距传输局限而提出而提出(t ch)的。携带足够能量的任何的。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。当收机，这都是针对短距离而言。当RF信信号需长距离传输时，就会出现问题，接号需长距离传输时，就会出现问题，接收机由于地球存在曲率而被阻挡。收机由于地球存在曲率而被阻挡。携带足够能量的携带足够能量的RF信号进行长距离传输信号进行长距离传输时会发生的情况就是，信号奔向太空。时会发生的情况就是，信号奔向太空。正因为这样，正因为这样，FCC才能给在不同地方的才能给在不同地方的不同呼叫方分配相同的频率。不同呼叫方分配相同的频率。低频信号低频信号(频率小于频率小于30MHz)，RF能量收能量收到电离层反射，而沿地球传播，卫星不到电离层反射，而沿地球传播，卫星不需要接收这个频段的信号。需要接收这个频段的信号。同步卫星同步卫星在赤道上方在赤道上方22,000mile，在这个轨道上，卫星绕地球转动的速度在这个轨道上，卫星绕地球转动的速度与地球自转的速度相同。与地球自转的速度相同。卫星通信使用的是双工通信。卫星天线接卫星通信使用的是双工通信。卫星天线接收上行链路信号收上行链路信号(以上行频率发送以上行频率发送)，并，并将它发射到双工机。然后双工机将信号将它发射到双工机。然后双工机将信号路由到路由到LNA，进行信号的放大。接下来，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。机发送到天线。这个系统简称为应答器。第17页/共20页第十七页，共20页。射频系统射频系统(cond)卫星通信卫星通信GPS一种一种(y zhn)特殊的卫星系特殊的卫星系统，全球定位系统。由统，全球定位系统。由24颗卫星组成，颗卫星组成，它仅连续发送一个信号，不提供接收用它仅连续发送一个信号，不提供接收用户信号的设备。户信号的设备。GPS发送的信号主要用发送的信号主要用在两个方面：导航和定时。在两个方面：导航和定时。第18页/共20页第十八页，共20页。THE END第19页/共20页第十九页，共20页。感谢您的观看(gunkn)！第20页/共20页第二十页，共20页。