射頻電路基礎知識
RFCircuit Basic Knowledge
1.射頻電路的應用和分類 (Application For RF Circuit) 2.射頻電路的基本理論和參數定義(Basic Theory and Parameter Define) 3.射頻電路中的常用元件和功能 (General Components and TheirFunction) 4.射頻測試中的常用儀器介紹 (General Instruments In RF Test) 1.射頻電路的應用和分類 (Application For RF Circuit) ▪目前, 射頻(RF)電路主要用于通信系統中,如:手機(Cell Phone),無線區域網路(Wireless LAN),無線廣播系統(電視和收音機)等;但也有其它方面的應用:如雷達探測系統用遠距離探測試,微波爐利用微波功率來加熱食物. ▪在RF通信系統中按照通信終端間是否有射頻電纜連接配接又可分為有線射頻通信系統和無線射頻通信系統 ▪有線射頻通信系統有:有線電視(CATV),通過有線電視線連接配接數字連接配接的Cable Modem,通過電話線傳輸的數字使用者回路(DSL),包括ADSL,HDSL,VDSL等. ▪無線射頻通信系統的:無線電話(手機),無線傳輸的電視和收音機廣播系統,無線區域網路(Wireless LAN),藍牙(BlueTooth)等 ▪按照通信系統中各終端間傳輸信号是數字信号還是模拟信号又可分為模拟RF通信系統和數字RF通信系統: 1.模拟RF通信系統,相對于數字RF通信系統,模拟RF通信系統較為落後,其抗幹擾能力較弱,點用帶寬較多,但系統較為簡單,主要用于較早開發的系統中,如:電視(目前制式),音頻廣播(收音機),第一代的手機通信系統等. 2.數字RF通信系統,由于其有較多優點,已經廣泛使用于多種通信系統中,如Wireless LAN,GSM手機,藍牙系統,衛星通信系統等. ▪對于RF數字通信系統,根據資料速率的不同,可分為寬帶(高速)RF通信系統和窄帶(低速)通信系統,一般将通信速率大于2Mbits的通信系統稱為寬帶RF通信系統,低于2Mbits的通信系統稱為低速RF通信系統. 1.常見的寬帶通信系統有微波幀中繼系統,LMDS(Local Multipoint Distribute Service，本地多點配置設定業務)以及将來的3G手機系統等. 2.常見的窄帶通信系統有:藍牙系統,2G手機系統,數字音頻廣播系統(DAB),數字無繩電話網(DECT,Digital Enhanced CordlessTelecommunications)等.
2.射頻電路的基本理論和參數定義(Basic Theory and Parameter Define)
2.1.射頻(RF)電路的定義 2.2.傳輸線特性阻抗Z0 2.3.RF功率定義和計算 2.4.不連續端口的功率分布 2.5.信号調制方法 2.1 RF: Radio Frequency,本身沒有嚴格的定義,目前一般将在空間傳播的頻率從3k到300G的電磁波稱為射頻. 射頻電路:處理信号的電磁波長與電路或器件尺處于同一數量級的電路可以認為是射頻(RF)電路,此時由于器件尺寸和導線尺寸的關系,電路需要用分布參數的相關理論來處理,這類電路都可以認為是射頻電路,對其頻率沒的嚴格的要求,如長距離傳輸的交流輸電線(50或60Hz)有時也要用RF的相關理論來處理. 2.2 RF傳輸線上的電壓與電流比稱為傳輸線的特性阻抗,由于電壓和電流都是矢量,是以特性阻抗Z0是一個與信号頻率相關的複數,它主要由傳輸線自身的分布參數決定:
Z0=SQRT((R+jωL)/(G+jωC))
當傳輸線的損耗很小時,可以認為R=G=0,信号頻率對特性阻抗值影響很小,此時可以認為Z0為與頻率無關的實數:
Z0=SQRT(L/C) 其中L和C為分布電感和分布電容.
目有多數測試系統傳輸線特性阻抗均設定為50Ω.
2.3 由于RF電路功率變化範圍很大,傳統的結性機關定義很不友善,故使用對數機關.定義線路中功率為1mW時為0dBm,由如下公式可以對對數功率和線性功率進行互相轉換:
A=10x(log10(B/1mW)=10x(log10B)+30
(其中A為對數功率,B為線性功率)
-線性功率為1W時, 對數功率為30dBm -線性功率為1uW時,對數功率為-30dBm
dBm為絕對功率,dB用來計算相對功率,主要用來計算功率的改變量,如增益和損耗的機關
dBi和dBd
dBi和dBd是表示天線功率增益的量，兩者都是一個相對值，但參考基準不一樣。dBi的參考基準為全方向性天線，dBd的參考基準為偶極子，是以兩者略有不同。一般認為，表示同一個增益，用dBi表示出來比用dBd表示出來要大2.15。
[例] 對于一面增益為16dBd的天線，其增益折算成機關為dBi時，則為18.15dBi（一般忽略小數位，為18dBi）。
[例]0dBd=2.15dBi。
2.4
▪RF功率沿傳輸線經過阻抗不連續端口時,有與光通過不連續介面的情況類似,入射功率會分成兩部分:端口吸收功率和反射功率.
▪定性的分析:當傳輸線阻抗與端口阻抗相差越大時反射功率越大,端口吸收功率越小;反之當二者阻抗相差越小時,反射功率越小,端口吸收功率越大. ▪考慮兩種極限情況:輸入端口阻抗為0或為無窮大時,端口完全無法吸收功率,此時反射功率與入射功率相等,而端口吸收為0;當端口的輸入阻抗與傳輸線阻抗完全相同時,輸入功率完全被端口吸收,反射功率為0,此時我們稱之為比對(Match),實際電路中,為了讓RF信号沿着設計的路徑通過,所有端口間應盡可能比對! 2.5什麼叫調制? 調制是将需要傳輸的資訊編碼和處理,使其适合傳輸的過程.一般的調制過程是指将基帶信号搬移到更高的頻帶内.将基帶信号搬移到更高的頻帶内. ▪ 為什麼需要調制? 1.基帶信号一般不适合直接傳輸,需要将其移至适合在傳輸媒介傳輸和頻帶範圍内. 2.提高頻率利用效率. 3.利用較高的頻帶傳輸信号可有效降低接收和發送天線的尺寸(如語音信号不加以調制, 其最小波長(F=20KHz時)為15Km) 4.可讓多個使用者同時複用一個頻段.
▪模拟調制:被調制信号為模拟信号.
分為:幅度調制(AM),頻率調制(FM)和相位調制(PM)
▪數字調制:被調制信号為數字信号.
分為:振幅鍵控(ASK),頻移鍵控(FSK),相移鍵控(QSK),開關鍵控調制(OOK)以及ASK與PSK的組合調制如(DPSK,QPSK,8PSK等)
3.射頻電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.衰減器(Attenuator) 4.終端(Terminator) 5.功率放大器(Power Amplifier) 6.隔離器(Isolator) ▪分路器: 将一路輸入信号分為兩路或多路的無源RF器件,多數情況下所有輸出信号功率相等,特殊情況也有N:1分路器,輸入大功率信号時該器件稱為功分器. ▪下圖為Wilkinson分路器模型:
▪耦合器: 将兩路或多路RF信号耦合到一路信号中的器件,該器件主要作于增加信号功率. ▪RF電路中較常使用的一類既可用作分路器也可用作耦合器的器件,稱為Hybrid,該器件用作配置設定器時除了配置設定功率外還可改變輸出信号的相位,但是用作耦合器時也要将輸入信号的相位錯開. ▪衰減器:衰減器是一類無源雙端口器件,信号從一個端口進入,當信号從另一端口輸出時信号幅值會有一定的衰減,我們将輸入信号與輸出信号的功率的內插補點(對數)稱為衰減值,機關為dB(相對值) ▪衰減器另一重要的參數為輸入信号功率,由于RF信号功率絕大多數都會轉化為熱功率,是以較大功率的衰減器都會有散熱片,并且功率越大,體積越大.
步進衰減器和電可調衰減器
步進衰減器:如上圖電路,将多個不同衰減器串連起來,通過開關有切換可以得到不同的衰減值,這樣的衰減器即為步進衰減器.
電可調衰減器:将上圖的電路內建到晶片内部,再利用邏輯電路對和開關進行控制,即可得到電可調衰減器,其衰減值可線上程式設計設定.
▪終端(Terminator)是一個RF負載,無源器件,特性阻抗應于RF電路的特性阻抗相同(一般為50Ω),主要用來消耗無用的RF功率,将其轉化為熱能. ▪與衰減器類似,由于散熱方面的原因,較大功率的終端表面布滿散熱片,并且額定輸入功率越大,體積越大. ▪正常工作的終端表面溫度較高,使用時應注意以防燙傷. ▪功率放大器是一類将RF信号幅值放大的有源器件,低頻電路中的放大電路使用方法類似,但使用時應注意輸入輸出阻抗比對.
增益(Gain):在工作範圍内,功率放大器輸出信号與輸入信号功率的(對數)內插補點.
1dB壓縮點:由于放大器本身特性和工作環境,随着功率放大器輸入功率增加到一定範圍,放大器增益開始減小,當增益減小1dB時,此時的輸入功率稱為1dB壓縮點.該參數定義了放大器的工作範圍.
噪聲系數(Noise Figure):放大器輸出信号的信噪比(信号與噪聲的比值)與輸入信号信噪比的內插補點.由于放大器本身的噪聲和環境噪聲,輸出信号的信噪比一定會比輸入信号的信噪比差.
▪ 隔離器是一種鐵氧體磁性元件,是利用鐵氧體材料的旋磁效應制成的,其内部的射頻信号隻會沿一個特性的方向流動,即從端口1進去的信号隻會從端口2出來,端口2進去的信号隻會從端口3出來,端口3進出的信号隻會從端口1出來.
使用如下圖所示的連接配接後,端口1的功率會流到端口2,從端口2反向流進的功率會在端口3被電阻(終端)消耗,而不會流到端口1,故實作信号的單向流動,稱為“隔離”.這樣有利于保護輸出功率器件(一般為放大器)被外界信号破壞.
4.射頻測試中的常用儀器介紹 (General Instruments In RF Test)