射频和无线技术入门--基本系统器件--3

1.基本组成

一个信号通过导线从一个器件传到另一个器件，接收机将无线波变成电信号，发射机将电信号变成无线波。天线的任务就是把电信号转化成无线波或把无线波转化成电信号或者二者兼而有之。天线是无线系统的心脏，没有天线就没有无线通信。

2.天线特性

有源和无源

天线可以是有源器件也可以是无源器件。无源天线就是一大块金属，以一种特殊的方式配置。如果无线是有源的，它有电源。有源天线仅仅是比无源天线在内部多了放大器。大部分有源天线只有一个电路连接，有源天线在相同的导线上即传输射频信号又传输能力信号，这样不但能减少材料成本，而且还能减少为建立另一个连接需要的额外5秒钟。
天线的物理特性依赖的首先就是频率，即天线需要处理的频率。总的来说，天线处理的频率越低，规模越大，这就是为什么手机工作在900MHz，它的天线仅有6in长。两个决定天线大小和形状的因素就是无线电波传播的方向。如果要在各方向同等接收或发送无线电波信号，那么天线将是某个形状。这种天线类型称作全向天线。另一方面，如果只在一个方向发送或接收无线波信号，那么天线将是完全不同的形状。这种天线被简单地称为定向天线。最后决定天线大小和形状就是发送或接收的功率，功率越大，无线规模越大。在同样的输出功率的情况下，具有高功率的定向天线将比全向天线有更大的信号范围。频率越高，东西越小。当今手机因为工作在高频，这允许内部器件可以做得非常小，小得可以放在手机内部。

天线增益

所有天线都有增益，甚至无源天线都有。这怎么可能，增益总是需要电源的？我忘了提到，天线除外。无线增益有一点不同，射频能量的绝对值并没有真正变大。
为了解释这一现象，假定有一种虚构的天线称为各向同性天线。各向同性天线是空间中一个单点，向各个方向辐射能量。既然射频能量在所有三维方向均匀辐射，它可以以任意方向进行传播。使用相同的射频能量，任一个在一个方向上辐射射频能量的天线，必然比一个各向同性天线发射信号更远。既然定向天线发射同样的射频能量比各向同性天线传得更远，定向天线相对于各向同性天线被认为是具有增益。这些是方向增益而不是功率增益，天线束越集中，它的增益越大。

极化

当射频波在空气中传播，正弦波自身有方向：垂直或水平。这个方向称作极化。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。所有射频系统的目的就是把尽可能多的信息放到分配的带宽中，将两个完全相同的信号仅仅通过不同的极化使之不同。在理论上，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。

天线维数

一维天线

一维天线由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电流之前在电视机上使用的天线。

二维天线

二维天线变化多样，有片状、阵列状、喇叭状还有碟状。

智能天线

有一种新类型的天线叫做智能天线，它主要用于移动电话。在大多数蜂窝系统中，蜂窝被分成3个120度的扇区。每套天线负责120度的覆盖，因此当看一个天线方向图是，存在120度的波束宽度。
当一个天线负责120度覆盖时，出现两个问题。第一个问题就是浪费射频能量。可能在整个扇区内只有一个或两个移动手机用户，当时射频能量被辐射到各个地方。第二个问题是干扰，最简单的解释，干扰就是不需要的信号。由于天线不知道某个移动用户的位置，他们就必须到处发送信号。尽管这个信号对于使用它的用户来说非常有用，但它对于扇区内的其他用户来说都是干扰。一个简单的解决方法就是把120度扇区分成更小的一束区域，每个区域有它自己的天线，这样不仅会减少干扰，而且会增加蜂窝自身的范围。智能部分来自于天线在扇区内跟踪用户的能力。这种把扇区分为更小的部分，并且跟踪移动用户，被称为空分多址或SDMA。有两种类型的智能天线：交换波束和适应阵列。交换波束使用许多窄波束天线，每个指向一个微有不同的方向，以此覆盖整个120扇区，当扇区内的移动用户移动时，系统内的智能天线从一个天线变换到另一个天线。适应阵列使用一个阵列天线和成熟的数字信号处理从一个位置到下一个位置转换大线束。

3.放大器

基本属性

增益

放大器有3个基本属性：增益、噪声系数或输出功率、线性。增益是度量输出信号比输入信号大多少，用dB度量。在射频系统中的某些地方需要大增益(40dB或50dB)，而一些地方只需要很小的增益(5dB~10dB)。放大器主要分3类：低噪声、高功率和其他。低噪声放大器是信号通过接收器天线后遇到的第一个放大器。高功率放大器是在信号从发射机出来前通过的最后一个放大器。

噪声系数

低噪声放大器(LNA)用于监听非常小的射频信号，所以它们必须非常非常安静。LNA的基本属性是噪声系数。LNA的NF越低越好。噪声系数越低，LNA可以听到的信号越小，LNA可以离的更远，这样手机的范围就越大。

输出功率

在射频信号从天线出来之前，高功率放大器(HPA)尽可能放大射频信号。信号越大，它传输的越远，也就是说手机的范围越大。HPA的第二个基本属性是输出功率，用瓦特来度量，一般来说，功率越高越好。用dBm表示输出功率，它字面意思是比1mW大的dB数。10dBm就是一个信号比1mW大10dB，30dBm就是比1mW大30dB(1000倍)也就是1W。W与dBm的转换：

W表示的功率	dBm表示的功率
0.1mW	-10dBm
1mW	0dBm
1W	30dBm
1000W	60dBm

HPA比LNA大，HPA是由于它需要散热，因为放大器不是100%的效率，进入放大器的一些能量以射频信号形式出来，其余以热量散发出来。大部分手机内的输出放大器的输出功率大于1W，基站端的输出放大器输出50W，两个放大器都是HPA。这是因为一个HPA并不意味着它输出很大功率，但是意味着它是发射器的最后放大器。

线性

在数字通信时代，放大器的第三个属性叫线性。数字无线通信的一个含义就是当一个数字信号加载到射频的载波上，信号通过的任一个放大器都必须是真正的线性。线性用来度量放大器使信号形状失真的程度。输出功率达到饱和点即最高功率，输入功率的增加不再导致输出功率的增加，放大器停止放大。过了饱和点，进入了非线性区，所有的信号都发生失真。

放大器如何工作

在放大器中，射频输入信号告诉晶体管使直流功率恰恰反映输入信号的形状。这样输出信号与输入信号有完全相同的形状，仅仅是变大而言，变多大，这依赖于有多大的直流输入功率。HPA和其他放大器的主要区别是HPA有更大的输入功率。放大器的价格变化很大。通常来说，频率越高或者带宽越宽或者输出功率越大，放大器的成本就越高。

特殊放大器

限制放大器

限制了输出功率，如果放大器的输入功率太大时，后面的器件将被损坏，这时就需要用限制放大器，为下一个器件提供保护。即在某个输入功率范围内，输出功率稳定。

平衡放大器

有两个并联的放大器，输入端进去的信号被分为两半，在出来时再合在一起，工作起来就像一个普通的放大器。平衡放大器具有两个优点，第一个优点是如果两个放大器中有一个坏了，另一个仍然可以工作，但是性能将有所降低，用于要求高可靠性和具有容错能力的环境中。第二个优点就是提供更好的匹配。

可变增益放大器

可变增益放大器或VGA。大多数的放大器有固定增益(即增益只有一个值)。一个10dB增益的固定增益放大器将使所有输入变大10倍。可变增益放大器有一个外部控制，它允许用户在预定义的范围内变化增益。所有的VGA都由增益范围来区分，比如10dB~20dB。VGA的控制与射频系统的某个点相连，那点感觉发生变化，然后相应地改变VGA的增益。器件根据系统某处的变化改变它的性能，那就叫反馈。VGA经常感觉到一个射频信号顺着线路走下去。如果VGA感觉到信号太大，它就降低增益，如果信号不够大，VGA加大增益，直到VGA感到信号合适了，就不再改变它的增益，并在那点保持它的增益。

4.滤波器

功能

任意时刻都有许多看不见的射频波以及各种频率游荡在空气中。这些波来自于所有射频发射发生的地方。如手机，卫星通信，雷达甚至太阳黑子，所有这些游荡的波都试图通过接收机的天线进入接收机，摈弃大部分都成功了。一些信号甚至通过了LNA，这些地方正是需要滤波器的地方，滤波器让许多可接受的信号进入，拒绝其他所有无用信号。滤波器选择信号是依据频率。
理解接收机中滤波器的目的很简单，但是为什么发射机也需要滤波器呢？读者很快就会了解到，在所有的射频系统中有一个很不好的器件称作混频器。这个坏器件所做的工作(在其他器件中)就是将不需要的信号(以不需要的频率)注入发射信号。就在信号被HPA放大送往天线之前，滤波器可以清除所有由混频器注入原始信号中的不需要的信号。

类型

不同的滤波器类型可以归为4种：

滤波器类型	解释
低通	允许小于一定频率的所有频率通过，拒绝所有其他频率
高通	和低通相反
带通	允许两个特定频率之间的所有频率通过，而拒绝所有其他的
带阻	和带通相反

滤波器拥有共同的频率属性，频率越高，滤波器越小。

性能

滤波器是无源器件，所以不需要电源。事实上，滤波器通过改变他们的插入损耗来工作，而插入损耗是频率的函数。每个滤波器都有一个频率响应。

特性滤波器

双工机

把两个滤波器放入一个器件里，双工机经常用于与基站天线的连接。通过把发射机和接收机的滤波器放在同一个设备中，同样的天线即能用于发射又能用于接收，这样减少了基站所要求的天线数目。

SAW滤波器

SAW代表声表面波，随着频率变小射频器件变大，在一定频率以下，标准频率滤波器变得非常大。直到某一天，射频工程师发现如果射频信号首先转变成声音信号，滤除这种声波所需要的器件将小多了，这就是SAW滤波器的工作站原理。首先，它们将射频信号转化为声音，然后它们滤出声音信号，最后它们再把声音信号转化为射频信号。由于生产限制，SAW滤波器真正商业化的只在10MHz到大约3GHz之间。

超导滤波器

射频信号在传给发射器(在天线之前)的路上通过的最后一个装置就是HPA。有时功率很大，且FCC的要求很严格，需要在HPA之后加一个滤波器，以保证输出没有干扰的信号。
即使最好的滤波器也有一些插入损耗。当滤波器在HPA之后时，滤波损耗是一件很坏的事。它削弱了信号，这将减小无线系统的范围。加入超导滤波器(特殊材料，表现为没有阻抗)，将没有(或非常小)插入损耗。
越来越多的超导滤波器应用于蜂窝基站，这是它们目前唯一真正的应用。它们用于蜂窝基站而不是移动电话的原因是它们非常大。工作时需要保持温度很低，比如零下几百度。为了使它们保持低温，必须由冷却系统。但是它们仍有经济价值，所以得到应用。

5.混频器

功能

混频器的目的就是改变信号的频率但保持信号的其他特性不变。理论上，一个信号在左侧以特定频率(f1)进入混频器，另一个信号以第二个频率(f2)进入混频器的底部，从右侧出来的是两个不同的信号。一个信号的频率等于两个信号频率和(f1+f2)，另一个信号的频率等于两个信号频率差(f1-f2)。
信号的频率必须改变，因为我们在日常生活中遇到的信号是在空中传播的不同频率，携带信息的信号。例如，当读者讲话，在周围引起2kHz的声波，然而，蜂窝通信中需要用到的频率为900MHz。为了将人的语言频率能够搬移到蜂窝载波上，需要一个或多个混频器。
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。混频器之所以声名狼藉，就是因为它将噪声加入到射频系统，这是混频器后有滤波器的另一个原因。

工作

端口

混频器中的两个输入和两个输出(称为端口)被称为RF，LO和IF。RF就是有高频信号的端口。IF或称为中频，是有稍低频率的信号的端口。RF，IF，和LO端口在它们有线的频率范围工作。在端口的范围之外，操作混频器将会导致很坏的电子性能。正如其他射频器件一样，三个端口的频率范围越宽，混频器损耗越大，性能越差。设计混频器的射频工程师选择最窄的频率范围来完成任务。既有有源混频器又有无源混频器，但是说实话，95%的混频器都是无源的，虽然有源混频器有增益，这通常是件好事，但是有源混频器的性能参数低劣，所以几乎没什么人使用它们。

转换损耗

就像所有的无源器件，无源混频器表现出插入损耗。为了区别，混频器中的插入损耗叫做转换损耗(CL)。转换损耗是无源混频器中两个最重要的参数之一。无源混频器的另一个主要参数是噪声系数(NF)。混频器中的CL和NF越低越好。

配置

两级混频器

这是最后的使事情复杂化的努力。通常是在发射机或接收机中有两个混频器，在它们中间的信号是IF，最低频率的信号叫做基带信号。一个完整的接收机可以被认为是完成两个功能。第一个功能就是降低载波的频率，第二个功能是从基带信号取出信息信号。

混频器类型

混频器分为3种：单端，双平衡，三平衡。这些区别与混频器内部如何构建有关，与混频器的功能无关。

倍频器

这是与混频器紧密相连的又一个器件：倍频器。倍频器的输出频率是输入频率的两倍。

6.信源

功能

给混频器提供一个输入的振荡器叫做本地振荡器或LO。LO端口在混频器中的作用是与一个振荡器建立连接。

振荡器如何工作

虽然振荡器的实际工作原理有点复杂，但是它们从概念上很好理解。接上电源之后，理想状态是输出一个完美的预定频率的正弦波信号，所有的振荡器都是有源器件。振荡器是射频最先发出来的地方，它们是射频的源。

振荡器类型

有许多不同类型的振荡器，可以表示为只取首字母组成的字母表，这些振荡器中的每一个都有相同的目标：在给定条件下(温度，频率等)提供最完美的正弦波。振荡器类型如下：

缩写词	振荡器	用途
DRO	电介质共鸣振荡器	精确的高频
DTO	电介质调谐振荡器	可变的电介质共帧器
OCXO	恒温晶体振荡器	精确的，带有内置恒温箱
SAW	表面声波	低损耗小信号
TCXO	温补晶体振荡器	准确的温度控制
VCO	压控振荡器	可变频率
VCXO	压控晶体振荡器	非常准确并且可变
XO	晶体振荡器	非常准确
YIG	钇铁石	准确，非常高频

使用不同振荡器的原因

选择何种振荡器取决于对正弦波完美的要求。正弦波越完美，振荡器越贵。实际的正弦波要求由系统要求决定。LO正弦波的不完美性显示为系统噪声，使系统性能降低。

振荡器为何不同

在振荡器内，决定实际频率和正弦波的完美性的是一些小材料，如陶瓷或晶体。确切的频率是由材料的成分和大小决定的。

如何确定频率

混频器加减频率，在发射机中是用来在射频信号从天线发射之前，提高它的频率。在这种情况下，混频器把两个频率加到一起。如果进入混频器(IF)的信号是400MHz，需要输出的信号是900MHz，那么LO的频率是500MHz。但是混频器得到两个频率，不需要的频率100MHz被滤波器去除。

压控振荡器

一种特殊的振荡器通常称为压控振荡器或VCO。VCO就是可以对应输入电压变换输出正弦波频率的振荡器。随着作用于VCO的电压变换，VCO的输出频率改变不像一个固定频率的振荡器，VCO有一个可操纵的频率范围。频率范围越宽，振荡器就越贵，性能越差。这种情况下，性能差指的是正弦波的不完美性。

合成器

使用反馈

还有一种设备与振荡器有关，称为合成器。在一些情况下，从普通振荡器出来的正弦波不够完美。振荡器与其他电路结合起来，利用反馈，可以使正弦波更完美，这就是合成器的功能：一个振荡器加上一些其他使用反馈的电路来产生完美的正弦波。

锁相环

在电子系统中的反馈只是感觉某些器件的输出，如果输出不正确，就改变它的输入使它正常。这是合成器工作的基本原理，通过感应振荡器的输出，并且如果正弦波不够完美的话，在振荡器内部稍微改造一下来改善它的性能。当合成器执行反馈时，它们有时称为锁相环或PLL。
实际生活中的合成器非常复杂，也很昂贵。它们可以完成许多功能而不仅仅是反馈。合成器的一个功能就是完成频率的可编程性。合成器的输出频率可以是渐变的，也可以从一个离散频率迅速变到另外一个频率。由于这些离散频率，一个合成器就像一个内部装有几个不同频率振荡器的盒子。系统可以选择合成器输出哪个频率。这样，合成器可以即时转换到不同频率上。

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