射频电路基础知识
RFCircuit Basic Knowledge
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 TheirFunction)
4.射频测试中的常用仪器介绍 (General Instruments In RF Test)
1.射频电路的应用和分类 (Application For RF Circuit)
▪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.
▪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
▪有线射频通信系统有:有线电视(CATV),通过有线电视线连接数字连接的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(BlueTooth)等
▪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.
2.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.
▪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 Distribute Service，本地多点分配业务)以及将来的3G手机系统等.
2.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 CordlessTelecommunications)等.
2.射频电路的基本理论和参数定义(Basic Theory and Parameter Define)
2.1.射频(RF)电路的定义
2.2.传输线特性阻抗Z0
2.3.RF功率定义和计算
2.4.不连续端口的功率分布
2.5.信号调制方法
2.1 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.
2.2 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50Ω.
2.3 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(log10(B/1mW)=10x(log10B)+30
(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
dBi和dBd
dBi和dBd是表示天线功率增益的量，两者都是一个相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子，所以两者略有不同。一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。
[例] 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数位，为18dBi）。
[例]0dBd=2.15dBi。
2.4
▪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!
2.5什么叫调制?
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.将基带信号搬移到更高的频带内.
▪ 为什么需要调制?
1.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.
2.提高频率利用效率.
3.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)
4.可让多个使用者同时复用一个频段.
▪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)
3.射频电路中的常用元件和功能 (General Components and TheirFunction)
1.分路器(Splitter)
2.耦合器(Coupler)
3.衰减器(Attenuator)
4.终端(Terminator)
5.功率放大器(Power Amplifier)
6.隔离器(Isolator)
▪分路器: 将一路输入信号分为两路或多路的无源RF器件,多数情况下所有输出信号功率相等,特殊情况也有N:1分路器,输入大功率信号时该器件称为功分器.
▪下图为Wilkinson分路器模型:
▪耦合器: 将两路或多路RF信号耦合到一路信号中的器件,该器件主要作于增加信号功率.
▪RF电路中较常使用的一类既可用作分路器也可用作耦合器的器件,称为Hybrid,该器件用作分配器时除了分配功率外还可改变输出信号的相位,但是用作耦合器时也要将输入信号的相位错开.
▪衰减器:衰减器是一类无源双端口器件,信号从一个端口进入,当信号从另一端口输出时信号幅值会有一定的衰减,我们将输入信号与输出信号的功率的差值(对数)称为衰减值,单位为dB(相对值)
▪衰减器另一重要的参数为输入信号功率,由于RF信号功率绝大多数都会转化为热功率,因此较大功率的衰减器都会有散热片,并且功率越大,体积越大.
步进衰减器和电可调衰减器
步进衰减器:如上图电路,将多个不同衰减器串连起来,通过开关有切换可以得到不同的衰减值,这样的衰减器即为步进衰减器.
电可调衰减器:将上图的电路集成到芯片内部,再利用逻辑电路对和开关进行控制,即可得到电可调衰减器,其衰减值可在线编程设定.
▪终端(Terminator)是一个RF负载,无源器件,特性阻抗应于RF电路的特性阻抗相同(一般为50Ω),主要用来消耗无用的RF功率,将其转化为热能.
▪与衰减器类似,由于散热方面的原因,较大功率的终端表面布满散热片,并且额定输入功率越大,体积越大.
▪正常工作的终端表面温度较高,使用时应注意以防烫伤.
▪功率放大器是一类将RF信号幅值放大的有源器件,低频电路中的放大电路使用方法类似,但使用时应注意输入输出阻抗匹配.
增益(Gain):在工作范围内,功率放大器输出信号与输入信号功率的(对数)差值.
1dB压缩点:由于放大器本身特性和工作环境,随着功率放大器输入功率增加到一定范围,放大器增益开始减小,当增益减小1dB时,此时的输入功率称为1dB压缩点.该参数定义了放大器的工作范围.
噪声系数(Noise Figure):放大器输出信号的信噪比(信号与噪声的比值)与输入信号信噪比的差值.由于放大器本身的噪声和环境噪声,输出信号的信噪比一定会比输入信号的信噪比差.
▪
隔离器是一种铁氧体磁性元件,是利用铁氧体材料的旋磁效应制成的,其内部的射频信号只会沿一个特性的方向流动,即从端口1进去的信号只会从端口2出来,端口2进去的信号只会从端口3出来,端口3进出的信号只会从端口1出来.
使用如下图所示的连接后,端口1的功率会流到端口2,从端口2反向流进的功率会在端口3被电阻(终端)消耗,而不会流到端口1,故实现信号的单向流动,称为“隔离”.这样有利于保护输出功率器件(一般为放大器)被外界信号破坏.
4.射频测试中的常用仪器介绍 (General Instruments In RF Test)
