射频电路基础知识

发布时间：2021-06-05

射频电路基础知识

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

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射频电路基础知识

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.

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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

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

ASK

FSK

PSK