射频电路基础知识

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射频电路基础知识RF Circuit Basic KnowledgeFCT Technician Training Material

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1. 射频电路的应用和分类(Application For RF Circuit) 2. 射频电路的基本理论和参数定义 (Basic Theory and Parameter Define) 3. 射频电路中的常用元件和功能 (General Components and Their Function) 4. 射频测试中的常用仪器介绍 (General Instruments In RF Test)

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1.1 射频电路应用和分类(a)目前, 射频(RF)电路主要用于通信系统中,如:手机(Cell Phone),无线局域网 (Wireless LAN),无线广播系统(电视和收音机)等;但也有其它方面的应用: 如雷达探测系统用远距离探测试,微波炉利用微波功率来加热食物.

Line ( Coaxial Cable )

Digital Radio

Satellite

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1.2 射频电路应用和分类(b)

在RF通信系统中按照通信终端间是否有射频电缆连 接又可分为有线射频通信系统和无线射频通信系统1. 有线射频通信系统有:有线电视(CATV),通过有线电视线连接数 2.字连接的Cable Modem,通过电话线传输的数字用户回路(DSL), 包括ADSL,HDSL,VDSL等. 无线射频通信系统的:无线电话(手机),无线传输的电视和收音机 广播系统,无线局域网(Wireless LAN),蓝牙(Blue Tooth)等

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1.3 射频电路应用和分类(c)

按照通信系统中各终端间传输信号是数字信号还是模 拟信号又可分为模拟RF通信系统和数字RF通信系统:1. 模拟RF通信系统,相对于数字RF通信系统,模拟RF通信系统较为落后,其抗干扰能力较弱,点用带宽较多,但系统较为简单,主要用 于较早开发的系统中,如:电视(当前制式),音频广播(收音机),第一 代的手机通信系统等. 数字RF通信系统,由于其有较多优点,已经广泛使用于多种通信 系统中,如Wireless LAN,GSM手机,蓝牙系统,卫星通信系统等.

2.

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1.4 射频电路应用和分类(d)

对于RF数字通信系统,根据数据速率的不同,可分为宽 带(高速)RF通信系统和窄带(低速)通信系统,一般将通 信速率大于2Mbits的通信系统称为宽带RF通信系统, 低于2Mbits的通信系统称为低速RF通信系统.1. 常见的宽带通信系统有微波帧中继系统,LMDS(Local Multipoint 2.Distribute Service,本地多点分配业务)以及将来的3G手机系统 等. 常见的窄带通信系统有:蓝牙系统,2G手机系统,数字音频广播系 统(DAB),数字无绳电话网(DECT,Digital Enhanced Cordless Telecommunications)等.

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1.5 常见RF数字通信系统的速率和距离分布图

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2 射频电路的基本理论和参数定义

1.

射频(RF)电路的定义

2. 3. 4. 5. 6.

传输线特性阻抗Z0 RF功率定义和计算 不连续端口的功率分布 双端口网络和S参数 S 信号调制方法

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2.1 射频(RF)电路的定义

RF: Radio Frequency,本身没有严格的定义,目前一般 将在空间传播的频率从3k到300G的电磁波称为射频. 射频电路: 处理信号的电磁波长与电路或器件尺

处于同 一数量级的电路可以认为是射频(RF)电路,此时由于器 件尺寸和导线尺寸的关系,电路需要用分布参数的相关 理论来处理,这类电路都可以认为是射频电路,对其频率 没的严格的要求,如长距离传输的交流输电线(50或 60Hz)有时也要用RF的相关理论来处理.

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2.2 传输线的特性阻抗Z0

RF传输线上的电压与电流比称为传输线的特性阻抗,由 于电压和电流都是矢量,所以特性阻抗Z0是一个与信号 频率相关的复数,它主要由传输线自身的分布参数决定:Z0=SQRT((R+jωL)/(G+jωC))

当传输线的损耗很小时,可以认为R=G=0,信号频率对特 性阻抗值影响很小,此时可以认为Z0为与频率无关的实 数: Z0=SQRT(L/C) 其中L和C为分布电感和分布电容. 目有多数测试系统传输线特性阻抗均设置为50 .

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2.3 RF功率定义和计算

由于RF电路功率变化范围很大,传统的结性单位定义 很不方便,故使用对数单位.定义线路中功率为1mW时 为0dBm,由如下公式可以对对数功率和线性功率进行 互相转换: A=10x(log (B/1mW)=10x(log B)+3010 10

1. 2.

(其中A为对数功率,B为线性功率) 线性功率为1W时, 对数功率为30dBm 线性功率为1uW时,对数功率为-30dBm

dBm为绝对功率,dB用来计算相对功率,主要用来计算 功率的改变量,如增益和损耗的单位.

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2.4 不连续端口的功率分布(a)

RF功率沿传输线经过阻抗不连续端口时,有与光通过不连续介面的 情况类似,入射功率会分成两部分:端口吸收功率和反射功率. 定性的分析:当传输线阻抗与端口阻抗相差越大时反射功率越大,端 口吸收功率越小;反之当二者阻抗相差越小时,反射功率越小,端口 吸收功率越大. 考虑两种极限情况:输入端口阻抗为0或为无穷大时,端口完全无法 吸收功率,此时反射功率与入射功率相等,而端口吸收为0;当端口的 输入阻抗与传输线阻抗完全相同时,输入功率完全被端口吸收,反射 功率为0,此时我们称之为匹配(Match),实际电路中,为了让RF信号 沿着设计的路径通过,所有端口间应尽可能匹配!

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2.4 不连续端口的功率分布(b)

反射系数:传输线上一点Z(端口)处反射信号电压(或电流)与入射信 号电压(或电流)之比定义为电压(或电流)反射系数Γz,该参数由传输 线阻抗(Z0)和输入端口(Zi)阻抗决定:

Γz=(Zi-Z0)/(Zi+Z0)驻波比(VSWR):传输线上波腹点电压振幅与波节点电压振幅之比 为电压驻波比,或称为驻波系数ρ.

ρ =|U| /|U|MAX

MIN

=(1+ |Γz|)/(1-| Γz|)

当反射系数为0时,驻波比为1,当反射系数接近1(实际情况下不可能 为1)时,驻波比取值接近无穷大

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2.5 双端口网络和S参数(a)

我们可以将很多常用的RF电路简化为上图的双端口 网络模型,其中:1. 2. 3. 4.端口1为输入端口,端口2为输入端口; Zs为输入信号源阻抗,ZL为负载阻

抗; a1为端口1输入功率,b1为端口1输出功率(包括反射) a2为端口1输入功率,b2为端口1输出功率(包括反射)

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2.5 双端口网络和S参数(b)

定义: a1=S11a1+S21a2 b2=S12a1+S22a2 a2=0时: S11=b1/a1 S21=b2/a1 a1=0时: S22=b2/a2 S12=b1/a2

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2.5 双端口网络和S参数(c)

双端口网络: S11=b1/a1,可以认为是双端口网络输出端匹配时输入 端口的反射系数. 双端口网络: S21=b2/a1,可以认为是双端口网络输出端匹配时的增 益(Gain,此时双端口网络为功率放大器)或插入损耗(Insertion Loss, 此时双端口网络为衰减器). 双端口网络: S22=b2/a2,可以认为是双端口网络在输入端接上匹配 负载后输出端的反射系数. 双端口网络: S12=b1/a2,可以认为是双端口网络在输入端接上匹配 负载后的反向增益或反向插入损耗.

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2.6 信号调制方法(a)

什么叫调制?调制是将需要传输的信息编码和处理,使其适合传输的过程.一 般的调制过程是指将基带信号搬移到更高的频带内.

为什么需要调制?1. 2. 3. 4.基带信号一般不适合直接传输,需要将其移至适合在传输媒介传 输和频带范围内. 提高频率利用效率. 利用较高的频带传输信号可有效降低接收和发送天线的尺寸(如 语音信号不加以调制, 其最小波长(F=20KHz时)为15Km) 可让多个使用者同时复用一个频段.

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2.6 信号调制方法(b)Baseband Signal (Information: Data, Voice, Video)

Analog Information

Digital Information

CW Carrier

AM

FM

PM

ASK

FSK

PSK

Combination (QAM,CAP,…)

Analog Modulation

Digital Modulation

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2.6 信号调制方法(c)

模拟调制:被调制信号为模拟信号. 分为: 幅度调制(AM),频率调制(FM)和相位调制(PM) 数字调制:被调制信号为数字信号. 分为:振幅键控(ASK),频移键控(FSK),相移键控(QSK), 开关键控调制(OOK)以及ASK与PSK的组合调制如 (DPSK,QPSK,8PSK等)