1、第2章 軟件無線電關鍵技術2.1 2.1 射頻射頻/ /微波技術微波技術2.1.1 概述射頻強調的是信號的輻射特性。射頻主要用途是迅速、準確地傳輸信息，克服距離上 的障礙，是傳輸信息的載體。射頻信號是模擬信號。微波是一種波長較短的電磁波，微波的波長在1mm1m 之間，其頻率范圍相當于300GHz300MHz。 微波技術是近代發展起來的一門尖端科學技術，在雷達、通信、導航、遙感、電子對抗以及工農業和科學研究等方面，微波技術都得到了廣泛的應用。2.1.2 2.1.2 微波微波“鐵三角鐵三角” 1.1.微波微波“鐵三角鐵三角”的概念的概念 射頻射頻/ /微波電路是構成通信系統、雷達系統和其它微微波電

2、路是構成通信系統、雷達系統和其它微波應用系統中的發射機和接收機的關鍵部件。波應用系統中的發射機和接收機的關鍵部件。 微波電路的核心問題是正確處理電路的阻抗、頻率和微波電路的核心問題是正確處理電路的阻抗、頻率和功率的關系功率的關系, ,射頻射頻/ /微波電路的根本是能量的傳輸或變換。微波電路的根本是能量的傳輸或變換。射頻射頻/ /微波電路可分為以下三大類。微波電路可分為以下三大類。 （1 1）微波無源電路）微波無源電路 如金屬諧振腔濾波器、介質腔體濾波器、微帶濾波如金屬諧振腔濾波器、介質腔體濾波器、微帶濾波器、功率分配器、耦合器、程控衰減器等。器、功率分配器、耦合器、程控衰減器等。（2 2）微波

3、有源電路）微波有源電路 如微波放大器、微波振蕩器、微波調制解調器、開關、如微波放大器、微波振蕩器、微波調制解調器、開關、移相器、混頻器、倍頻器、頻率合成器移相器、混頻器、倍頻器、頻率合成器, ,功率放大器等。功率放大器等。（3 3）T/RT/R組件組件 由上述多種元器件構成的微波發射接收功能模塊由上述多種元器件構成的微波發射接收功能模塊, ,或或稱為稱為T/RT/R組件。組件。 為了實現上述各個電路的功能為了實現上述各個電路的功能, ,需要解決的核心問題需要解決的核心問題是以下三大主要方面是以下三大主要方面: :頻率、阻抗和功率。只要合理地頻率、阻抗和功率。只要合理地處理好三者的關系處理好三者

4、的關系, ,就能實現預期的電路功能。就能實現預期的電路功能。 由于頻率、阻抗和功率是貫穿射頻由于頻率、阻抗和功率是貫穿射頻/ /微波工程的三大微波工程的三大核心指標核心指標, ,將其稱為將其稱為“射頻鐵三角射頻鐵三角”，形象地反映了射頻，形象地反映了射頻/ /微波工程的基本內容。微波工程的基本內容。 這三方面既有獨立特性這三方面既有獨立特性, ,又相互影響。這就是射頻又相互影響。這就是射頻/ /微波工程的核心問題。微波工程的核心問題。（1 1）頻率）頻率 頻率是射頻頻率是射頻/ /微波工程中最基本的一個參數微波工程中最基本的一個參數, ,對應對應于無線系統所工作的頻譜范圍于無線系統所工作的頻譜

5、范圍, ,也規定了所研究的微波也規定了所研究的微波電路的基本前提電路的基本前提, ,進而進而, ,決定微波電路的結構形式和器件決定微波電路的結構形式和器件材料。材料。 直接影響頻率的射頻直接影響頻率的射頻/ /微波電路有微波電路有: :1)1)信號產生器信號產生器 用來產生特定頻率的信號用來產生特定頻率的信號, ,如點頻振蕩器、機械調如點頻振蕩器、機械調諧振蕩器、壓控振蕩器、頻率合成器等。諧振蕩器、壓控振蕩器、頻率合成器等。2)2)頻率變換器頻率變換器 將一個或兩個頻率的信號變為另一個所希望的頻率將一個或兩個頻率的信號變為另一個所希望的頻率信號信號, ,如分頻器、變頻器、倍頻器、混頻器等。如分

6、頻器、變頻器、倍頻器、混頻器等。3)3)頻率選擇電路頻率選擇電路 在復雜的頻譜環境中在復雜的頻譜環境中, ,選擇所關心的頻譜范圍。經典選擇所關心的頻譜范圍。經典的頻率選擇電路是濾波器的頻率選擇電路是濾波器, ,如低通濾波器、帶通濾波器、如低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器等。高通濾波器和帶阻濾波器等。 近年發展起來的高速電子開關由于體積小近年發展起來的高速電子開關由于體積小, ,在許多在許多方面取代了濾波器實現頻率選擇。方面取代了濾波器實現頻率選擇。 在射頻在射頻/ /微波工程中微波工程中, ,這些電路可以獨立工作這些電路可以獨立工作, ,也可以也可以相互組合相互組合, ,還可以與

7、其它電路組合還可以與其它電路組合, ,構成射頻構成射頻/ /微波電路微波電路子系統。子系統。 這些電路的測量儀器有頻譜分析儀、頻率計數器、這些電路的測量儀器有頻譜分析儀、頻率計數器、功率計、網絡分析儀等。功率計、網絡分析儀等。（2 2）功率）功率 功率用來描述射頻功率用來描述射頻/ /微波信號的能量大小微波信號的能量大小, ,所有電路所有電路或系統的設計目標都是實現射頻或系統的設計目標都是實現射頻/ /微波能量的最佳傳遞。微波能量的最佳傳遞。 對射頻對射頻/ /微波信號功率影響的主要電路有微波信號功率影響的主要電路有: : 1)1)衰減器衰減器 控制射頻控制射頻/ /微波信號功率的大小。通常是

8、由有耗材料微波信號功率的大小。通常是由有耗材料( (電阻性材料電阻性材料) )構成。有固定衰減量和可調衰減量之分。構成。有固定衰減量和可調衰減量之分。2)2)功分器功分器 將一路射頻將一路射頻/ /微波信號分成若干路的組件微波信號分成若干路的組件, ,可以是等分可以是等分的的, ,也可是比例分配的也可是比例分配的, ,希望分配后信號的損失盡可能地希望分配后信號的損失盡可能地小。功分器也可用作功率合成器小。功分器也可用作功率合成器, ,在各個支路口接同頻在各個支路口接同頻同相等幅信號同相等幅信號, ,在主路疊加輸出。在主路疊加輸出。3)耦合器 定向耦合器是一種特殊的分配器。通常是耦合一小部分功率

9、到支路,用以檢測主路信號工作狀態是否正常。 分支線耦合器和環形橋耦合器實現不同相位的功率分配合成,配合微波二極管,完成多種功能微波電路,如:混頻、變頻、移相等。4)放大器 提高射頻/微波信號功率的電路。在射頻/微波工程中地位極為重要。 用于接收機中的小信號放大器,低噪聲高增益貫串設計任務的始終；用于發射機中的功率放大器,為了滿足要求的輸出功率,不惜器件和電源成本；用于測試儀器中的放大器,完善和豐富了儀器的功能。（3 3）阻抗）阻抗 阻抗是在特定頻率下阻抗是在特定頻率下, ,描述各種射頻描述各種射頻/ /微波電路對微波電路對微波信號能量傳輸影響的一個參數。微波信號能量傳輸影響的一個參數。 構成電

10、路的材料和結構對工作頻率的響應決定了構成電路的材料和結構對工作頻率的響應決定了電路阻抗參數大小。工程實際中電路阻抗參數大小。工程實際中, ,努力的方向是設法改進努力的方向是設法改進阻抗特性阻抗特性, ,實現能量的最大傳輸。實現能量的最大傳輸。 所涉及的射頻所涉及的射頻/ /微波電路有微波電路有: :1 1）阻抗變換器）阻抗變換器 增加合適的元件或結構增加合適的元件或結構, ,實現一個阻抗向另一個阻抗實現一個阻抗向另一個阻抗的過渡。的過渡。2 2）阻抗匹配器）阻抗匹配器 是一種特定的阻抗變換器是一種特定的阻抗變換器, ,實現兩個阻抗之間的匹配。實現兩個阻抗之間的匹配。3 3）天線）天線 是一種特

11、定的阻抗匹配器是一種特定的阻抗匹配器, ,實現射頻實現射頻/ /微波信號在封閉微波信號在封閉傳輸線和空氣媒體之間的匹配傳送。傳輸線和空氣媒體之間的匹配傳送。 可以看出可以看出: :射頻鐵三角滲透到射頻射頻鐵三角滲透到射頻/ /微波工程各個角落。微波工程各個角落。射頻射頻/ /微波工程核心問題就是建立穩定可靠的鐵三角。微波工程核心問題就是建立穩定可靠的鐵三角。 無論電磁場理論的方法還是等效網絡的方法都可歸結無論電磁場理論的方法還是等效網絡的方法都可歸結為折中處理頻率、阻抗、和功率的關系。為折中處理頻率、阻抗、和功率的關系。2.2.微波的特點微波的特點（1 1）似光性（波長短）似光性（波長短） 微

12、波波長較短時微波波長較短時 當微波的波長比地球上的宏觀物體當微波的波長比地球上的宏觀物體( (如飛機、艦船、如飛機、艦船、導彈、衛星、建筑物等導彈、衛星、建筑物等) )的幾何尺寸小得多時，微波照射的幾何尺寸小得多時，微波照射到這些物體上將產生強烈的反射。到這些物體上將產生強烈的反射。 此直線傳播的特點與幾何光學相似，故可以說微波此直線傳播的特點與幾何光學相似，故可以說微波具有具有“似光性似光性”。利用這一特殊，可以制成體積小、。利用這一特殊，可以制成體積小、方向性很強的微波天線，用來發射或接收微弱的微波方向性很強的微波天線，用來發射或接收微弱的微波信號，從而為雷達、微波中繼通信、衛星通信和導彈

13、等信號，從而為雷達、微波中繼通信、衛星通信和導彈等提供必要條件。提供必要條件。 微波最早的應用實例微波最早的應用實例雷達。雷達。微波波長較長時微波波長較長時 當微波的波長與實驗設備（比如波導、微帶、當微波的波長與實驗設備（比如波導、微帶、諧振腔呈其它微波元件）的尺寸相比在同數量級時，諧振腔呈其它微波元件）的尺寸相比在同數量級時，使得電磁能量分布于整個微波電路之中，形成所謂使得電磁能量分布于整個微波電路之中，形成所謂“分布參數分布參數”系統。系統。 這與低頻電路有原則區別，因為低頻時電場和這與低頻電路有原則區別，因為低頻時電場和磁場能量是分別集中于所謂磁場能量是分別集中于所謂“集總參數集總參數”

14、的各個元件中。的各個元件中。 （2 2）具有穿透性）具有穿透性 利用本身的高頻振蕩，微波可以穿透電離層。利用本身的高頻振蕩，微波可以穿透電離層。 由于微波不能被電離層所反射，所以微波的地面由于微波不能被電離層所反射，所以微波的地面通信只限于天線的視距范圍之內，遠距離微波通信需通信只限于天線的視距范圍之內，遠距離微波通信需要用中繼站接力。要用中繼站接力。 另一方面，微波能穿透電離層，可以用來進行宇另一方面，微波能穿透電離層，可以用來進行宇航通信、衛星通信和射電天文學研究等，因此微波開航通信、衛星通信和射電天文學研究等，因此微波開辟了電磁波譜中的一個的辟了電磁波譜中的一個的“宇宙窗口宇宙窗口”。

15、微波還可以穿過生物體，即能夠深入物質（介質）微波還可以穿過生物體，即能夠深入物質（介質）內部，研究分子和原子核的結構，內部，研究分子和原子核的結構， 是近代微波波譜學是近代微波波譜學和量子電子學所依據的基本物理基礎。和量子電子學所依據的基本物理基礎。宇宇宙宙窗窗口口 在微波波段有若干個可以通過電離層的在微波波段有若干個可以通過電離層的“宇宙宇宙窗口窗口”，因而微波是獨特的宇宙通訊手段。，因而微波是獨特的宇宙通訊手段。（3 3） 信息容量大（頻率高）信息容量大（頻率高） 由于微波頻率極高，它的實際可用頻帶很寬，可達由于微波頻率極高，它的實際可用頻帶很寬，可達10109 9 HzHz數量級，這是低

16、頻無線電波無法比擬的。頻帶寬數量級，這是低頻無線電波無法比擬的。頻帶寬意味著信息容量大，因而微波可作為多路通信的載頻。意味著信息容量大，因而微波可作為多路通信的載頻。 另外，微波受外界干擾小，且不受電離層變化影響，另外，微波受外界干擾小，且不受電離層變化影響，通信質量高于低頻無線電波通信質量高于低頻無線電波。（4 4）量子特性）量子特性 由于低頻電波的頻率很低，量子能量很小，不足以由于低頻電波的頻率很低，量子能量很小，不足以改變物質分子的內部結構或破壞分子間的鍵，量子特性改變物質分子的內部結構或破壞分子間的鍵，量子特性不明顯。不明顯。微波波段的電磁波，單個量子的能量為微波波段的電磁波，單個量子

17、的能量為1010-6 -6 1010-3-3eVeV。因此，微波可用來研究分子和原子的精細結構。同樣，因此，微波可用來研究分子和原子的精細結構。同樣，在超低溫時物體吸收一個微波量子也可產生顯著反應。在超低溫時物體吸收一個微波量子也可產生顯著反應。上述兩點對近代尖端科學，如微波波譜學、量子無上述兩點對近代尖端科學，如微波波譜學、量子無線電物理的發展都起著重要作用。線電物理的發展都起著重要作用。 利用此特性和原理，可研制適用于許多微波波段的利用此特性和原理，可研制適用于許多微波波段的器件器件。微波微波似光性似光性定位天線定位天線 頻率高頻率高 多路通信多路通信 穿透電離層穿透電離層 天文學研究天文

18、學研究 量子特性量子特性 微波波譜學微波波譜學 微波的特點歸納起來主要為以下幾方面：微波的特點歸納起來主要為以下幾方面：2.1.3 2.1.3 射頻前端（射頻前端（ RF Front - End RF Front - End ）射頻前端： 靠近天線的部分，發射、接收和處理射頻信號，包括發射通路和接收通路。射頻前端部件包括：天線無源器件 濾波器、功分器、定向耦合器、隔離器、衰減器、移相器、阻抗變換器、耦合器等。有源器件 LNA、PA、雙工器、開關等。 作為智能天線系統中的關鍵部件，射頻前端在一定程度上決定了整個系統的通信質量。 基本射頻前端接收機電路基本射頻前端接收機電路IFA解 調天 線IF混

19、 頻 器LO濾 波RFLNARF 包括接收天線、射頻濾波器、小信號低噪聲放包括接收天線、射頻濾波器、小信號低噪聲放大器、本振、混頻器、中頻濾波器、中頻放大器等。大器、本振、混頻器、中頻濾波器、中頻放大器等。基本射頻前端發射機電路基本射頻前端發射機電路放 大功 放天 線RF濾 波上 變 頻LO濾 波本 振IF濾 波放 大待 發 射基 帶信 號 包括中頻放大器、中頻濾波器、上變頻混頻器、包括中頻放大器、中頻濾波器、上變頻混頻器、射頻濾波器、射頻驅動放大器、射頻功率放大器、載射頻濾波器、射頻驅動放大器、射頻功率放大器、載波振蕩器、載波濾波器、發射天線等。波振蕩器、載波濾波器、發射天線等。1.1.微波

20、傳輸線微波傳輸線 傳輸線是用來將電磁能量和信息從一處傳輸到另一傳輸線是用來將電磁能量和信息從一處傳輸到另一處的裝置，應用于微波波段的傳輸線稱為微波傳輸線。處的裝置，應用于微波波段的傳輸線稱為微波傳輸線。 傳輸線是指能夠引導電磁波沿一定方向傳輸的導體、傳輸線是指能夠引導電磁波沿一定方向傳輸的導體、介質或由它們構成的導波系統的總稱，其所引導的電磁介質或由它們構成的導波系統的總稱，其所引導的電磁波稱為導行波。波稱為導行波。 信號從發射機到天線或從天線到接收機的傳送都是信號從發射機到天線或從天線到接收機的傳送都是由傳輸線來完成。由傳輸線來完成。 把導行波傳播的方向稱為縱向，垂直于導行波傳播把導行波傳播

21、的方向稱為縱向，垂直于導行波傳播的方向稱為橫向。的方向稱為橫向。 一般將截面尺寸、形狀、媒介分布、材料及邊界一般將截面尺寸、形狀、媒介分布、材料及邊界條件均不變的導波系統稱為規則導波系統條件均不變的導波系統稱為規則導波系統, , 又稱為均又稱為均勻傳輸線。勻傳輸線。 傳輸線本身的不連續性可以構成各種形式的微波傳輸線本身的不連續性可以構成各種形式的微波無源元器件，這些元器件和均勻傳輸線、有源元件及無源元器件，這些元器件和均勻傳輸線、有源元件及天線一起構成微波系統。天線一起構成微波系統。 微波傳輸線的用途和種類微波傳輸線的用途和種類 在不同的工作條件下，對傳輸線的要求是不同的，在不同的工作條件下，

22、對傳輸線的要求是不同的，因此須采用不同形式的傳輸線。在低頻時，普通的雙因此須采用不同形式的傳輸線。在低頻時，普通的雙導線就可完成傳輸作用，例如電力傳輸線。但是，隨導線就可完成傳輸作用，例如電力傳輸線。但是，隨著工作頻率的升高，由于導線的趨膚效應和輻射效應著工作頻率的升高，由于導線的趨膚效應和輻射效應的增大使它的正常工作被破壞。因此，在高頻和微波的增大使它的正常工作被破壞。因此，在高頻和微波波段必須采用與低頻情況下形式完全不同的傳輸線。波段必須采用與低頻情況下形式完全不同的傳輸線。 傳輸線不僅用于傳送電能和電信號，還可以構傳輸線不僅用于傳送電能和電信號，還可以構成電抗性的諧振元件。成電抗性的諧振

23、元件。 例如，長度小于例如，長度小于1/41/4波長的終端短路或開路的傳輸波長的終端短路或開路的傳輸線，其輸入阻抗是感抗或容抗；長度可變的短路線可線，其輸入阻抗是感抗或容抗；長度可變的短路線可用作調配元件（短截線匹配器）。用作調配元件（短截線匹配器）。 又如長度為又如長度為1/41/4波長的短路線或開路線分別等效于波長的短路線或開路線分別等效于并聯或串聯諧振電路，稱為諧振線；其中并聯或串聯諧振電路，稱為諧振線；其中1/41/4波長短波長短路線的輸入阻抗為無窮大，可用作金屬絕緣支撐等。路線的輸入阻抗為無窮大，可用作金屬絕緣支撐等。 此外，還可利用分布參數傳輸線的延時特性制成此外，還可利用分布參數

24、傳輸線的延時特性制成仿真線等電路元件。仿真線等電路元件。 一般來講，微波傳輸線從結構上大體可分為三類，一般來講，微波傳輸線從結構上大體可分為三類，第一類是雙導體結構的傳輸線，如平行雙導線、同軸線、第一類是雙導體結構的傳輸線，如平行雙導線、同軸線、帶狀線等。由于它主要傳播的是橫電磁波（波），帶狀線等。由于它主要傳播的是橫電磁波（波），稱為波傳輸線。稱為波傳輸線。 第二類是均勻填充介質的波導管，如矩形波導、第二類是均勻填充介質的波導管，如矩形波導、圓波導等，這一類傳輸線不能傳輸波，而只能圓波導等，這一類傳輸線不能傳輸波，而只能傳輸色散的橫磁波（波）或橫電波（波），傳輸色散的橫磁波（波）或橫電波（波

25、），稱為色散波傳輸線。稱為色散波傳輸線。 第三類是介質傳輸線。這類傳輸線傳輸的是色散第三類是介質傳輸線。這類傳輸線傳輸的是色散的橫電波（波）和橫磁波（波）混合波，并且的橫電波（波）和橫磁波（波）混合波，并且電磁波主要是沿線的表面傳播，稱為表面波傳輸線。電磁波主要是沿線的表面傳播，稱為表面波傳輸線。微波傳輸線的種類與用途微波傳輸線的種類與用途 類類 型型工工 作作 波波 型型名名 稱稱應應 用用 波波 段段TEM TEM 波波傳輸線傳輸線TEM 型波平行雙線平行雙線同軸線同軸線帶狀線、微帶帶狀線、微帶米波、分米波低頻端分米波、厘米波分米波、厘米波金屬波金屬波導導TETE、TM TM 型波型波矩形

26、波導、圓矩形波導、圓形波導、橢圓形波導、橢圓波導、脊波導波導、脊波導厘米波、毫厘米波、毫米波低頻端米波低頻端表面波表面波傳輸線傳輸線混合型混合型波波介質波導、介質介質波導、介質鏡象線、單根表鏡象線、單根表面波傳輸線面波傳輸線毫米波毫米波各種類型的傳輸線各種類型的傳輸線(a)(a) (b) (b) (c)(c) (d) (d) (e)(e) (f)(f)(a)(a)是平行雙線，是平行雙線，(b)(b)是同軸線，這兩種傳輸線都屬于是同軸線，這兩種傳輸線都屬于橫電磁波傳輸線；橫電磁波傳輸線；(c)(c)是矩形波導，是矩形波導，(d)(d)是圓形波導，這兩種傳輸是圓形波導，這兩種傳輸線是非橫電磁波傳輸

27、線。線是非橫電磁波傳輸線。圖圖(e)(e)中的微帶線，是準橫電磁波傳輸線；中的微帶線，是準橫電磁波傳輸線；圖圖(f)(f)中的光纖，是非橫電磁波傳輸線。中的光纖，是非橫電磁波傳輸線。 多種多樣的微波傳輸線是針對不同頻段和提高傳多種多樣的微波傳輸線是針對不同頻段和提高傳輸線的性能發展起來的，并投入具體的工程應用。輸線的性能發展起來的，并投入具體的工程應用。平行雙線：傳輸的是平行雙線：傳輸的是TEMTEM波，是使用最早最普遍的一種波，是使用最早最普遍的一種傳輸線；當頻率提高到其對應的波長與雙線的距離相傳輸線；當頻率提高到其對應的波長與雙線的距離相比擬時，其輻射損耗顯著增加；而減小平行雙線距離比擬時

28、，其輻射損耗顯著增加；而減小平行雙線距離會減小擊穿電壓降低其功率。會減小擊穿電壓降低其功率。同軸線：采用封閉結構減少了平行雙線可能出現的輻同軸線：采用封閉結構減少了平行雙線可能出現的輻射損耗；但隨著頻率的提高，會出現射損耗；但隨著頻率的提高，會出現TETE和和TMTM波，為了波，為了抑制抑制TETE和和TMTM波，必須減小截面尺寸，會增加內導體的波，必須減小截面尺寸，會增加內導體的損耗，降低傳輸功率。損耗，降低傳輸功率。金屬波導：和同軸線比較，波導管除去內導體，不僅降金屬波導：和同軸線比較，波導管除去內導體，不僅降低了內導體的損耗而且提高了傳輸線的功率容量；低了內導體的損耗而且提高了傳輸線的功

29、率容量；其缺點是比較笨重、高頻下批量成本高、其缺點是比較笨重、高頻下批量成本高、 頻帶較窄等。頻帶較窄等。 隨著航空、航天事業發展的需要隨著航空、航天事業發展的需要, , 對微波設備提出對微波設備提出了體積要小、重量要輕、了體積要小、重量要輕、 可靠性要高、性能要優越、可靠性要高、性能要優越、一致性要好、一致性要好、 成本要低等要求成本要低等要求, , 這就促成了微波技術這就促成了微波技術與半導體器件及集成電路的結合與半導體器件及集成電路的結合, , 產生了微波集成電路。產生了微波集成電路。 對微波集成傳輸元件的基本要求之一就是它必須具對微波集成傳輸元件的基本要求之一就是它必須具有平面型結構有

30、平面型結構, , 這樣可以通過調整單一平面尺寸來控制這樣可以通過調整單一平面尺寸來控制其傳輸特性其傳輸特性, , 從而實現微波電路的集成化。從而實現微波電路的集成化。傳輸線研究的問題和分析方法傳輸線研究的問題和分析方法 傳輸特性（模式、相速度、波長、波阻抗以及其傳輸特性（模式、相速度、波長、波阻抗以及其它相關的重要特性）、損耗特性、功率容量以及具體它相關的重要特性）、損耗特性、功率容量以及具體的工程用途等。的工程用途等。 采用電路方法研究傳輸線的共性問題，采用電路采用電路方法研究傳輸線的共性問題，采用電路和場分析結合的方法討論每一種傳輸線的個性問題。和場分析結合的方法討論每一種傳輸線的個性問題

31、。 一種工作頻率一種工作頻率 40.5GHz 到到 41.5GHz 的毫米波收發前端的毫米波收發前端2.2.軟件雷達軟件雷達 按照IEEE的標準定義，雷達是通過發射電磁波信號，接收來自其威力覆蓋范圍內目標的回波，并從回波信號中提取位置和其它信息，以用于探測、定位，以及有時進行目標識別的電磁波系統。 雷達根據反射波的延遲、多普勒頻移等參數提取出目標的距離、方位、高度及速度等信息。 由于微波具有頻帶寬、穿透電離層能較強、似光性等優點，雷達就是利用了微波這些特性的典型代表。 雷達的原理及其基本組成雷達的原理及其基本組成 由雷達發射機產生的電磁能由雷達發射機產生的電磁能, , 經收發開關后傳輸經收發開

32、關后傳輸給天線給天線, , 再由天線將此電磁能定向輻射于大氣中。電再由天線將此電磁能定向輻射于大氣中。電磁能在大氣中以光速磁能在大氣中以光速( (約約3 310108 8m/s)m/s)傳播傳播, , 如果目標恰如果目標恰好位于定向天線的波束內好位于定向天線的波束內, , 則它將要截取一部分電磁則它將要截取一部分電磁能。目標將被截取的電磁能向各方向散射能。目標將被截取的電磁能向各方向散射, , 其中部分其中部分散射的能量朝向雷達接收方向。雷達天線搜集到這部散射的能量朝向雷達接收方向。雷達天線搜集到這部分散射的電磁波后分散射的電磁波后, , 就經傳輸線和收發開關饋給接收就經傳輸線和收發開關饋給接

33、收機。接收機將這微弱信號放大并經信號處理后即可獲機。接收機將這微弱信號放大并經信號處理后即可獲取所需信息取所需信息, , 并將結果送至終端顯示。并將結果送至終端顯示。 脈沖雷達基本組成框圖脈沖雷達基本組成框圖 調制器電源收發開關高頻和混頻激勵器中放同步器信號處理高放激勵和同步微波顯示器底座和伺服發射機操作員天線接收機 雷達的工作頻率雷達的工作頻率 按照雷達的工作原理按照雷達的工作原理, , 不論發射波的頻率如何不論發射波的頻率如何, , 只只要是通過輻射電磁能量和利用從目標反射回來的回波要是通過輻射電磁能量和利用從目標反射回來的回波, , 以便對目標探測和定位以便對目標探測和定位, , 都屬于

34、雷達系統工作的范疇。都屬于雷達系統工作的范疇。常 用 的 雷 達 工 作 頻 率 范 圍 為常 用 的 雷 達 工 作 頻 率 范 圍 為 2 2 0 3 5 2 2 0 3 5 000MHz(220MHz35GHz), 000MHz(220MHz35GHz), 實際上各類雷達工作的頻率實際上各類雷達工作的頻率在兩頭都超出了上述范圍。在兩頭都超出了上述范圍。 例如天波超視距例如天波超視距(OTH)(OTH)雷雷達的工作頻率為達的工作頻率為4MHz4MHz或或5MHz, 5MHz, 而地波超視距的工作頻而地波超視距的工作頻率則低到率則低到2MHz2MHz。 在頻譜的另一端在頻譜的另一端, , 毫

35、米波雷達可以工毫米波雷達可以工作到作到94 GHz, 94 GHz, 激光激光(Laser)(Laser)雷達工作于更高的頻率。工雷達工作于更高的頻率。工作頻率不同的雷達在工程實現時差別很大。作頻率不同的雷達在工程實現時差別很大。 雷達頻率和電磁波頻譜雷達頻率和電磁波頻譜 甚低頻(超長波)低頻(長波)中頻(中波)高頻(短波)甚高頻(超短波)特高頻(分米波)超高頻(厘米波)極高頻(毫米波)亞毫米波100 km10 km1 km100 m10 m1 m10 cm1 cm1 mm0.1 mm雷達頻率廣播段紅外線音頻視頻微波段頻率3 kHz30 kHz300 kHz3 MHz30 MHz300 MHz

36、3 GHz30 GHz300 GHz3000 GHz波長 雷達的工作頻率和整個電磁波頻譜如圖所示雷達的工作頻率和整個電磁波頻譜如圖所示, , 實實際上絕大部分雷達工作于際上絕大部分雷達工作于200 MHz200 MHz至至10 000MHz10 000MHz頻段。頻段。 雷達頻段和對應的頻率雷達頻段和對應的頻率 收發共用一個發射機、 接收機的簡化相控陣雷達方框圖 發射機相控陣天線接收機和信號處理機記錄器顯示器觸發信號視頻信號視頻信號中心計算機控制波束計算機數據處理程序輸入指示信號 雷達分類雷達分類按工作頻段按工作頻段 米波雷達、分米波雷達、厘米波雷達以及毫米波米波雷達、分米波雷達、厘米波雷達以

37、及毫米波雷達等。雷達等。按戰術功能和用途按戰術功能和用途預警雷達預警雷達( (超遠程雷達超遠程雷達) ) 它的主要任務是發現洲際導彈、它的主要任務是發現洲際導彈、戰略轟炸機等戰略轟炸機等, , 以便及早發出警報。它的特點是作用以便及早發出警報。它的特點是作用距離遠達數千公里距離遠達數千公里, , 至于測定坐標的精確度和分辨力至于測定坐標的精確度和分辨力是次要的。是次要的。搜索和警戒雷達搜索和警戒雷達 其任務是發現飛機其任務是發現飛機, , 一般作用距離一般作用距離在在400 km400 km以上以上, , 有的可達有的可達600 km600 km。引導指揮雷達(監視雷達) 這種雷達用于對殲擊機

38、的引導和指揮作戰, 民用的機場調度雷達亦屬這一類。火控雷達 其任務是控制火炮(或地空導彈)對空中目標進行瞄準攻擊。制導雷達 控制導彈去攻擊目標。戰場監視雷達戰場監視雷達機載雷達機載雷達 機載截擊雷達、機載護尾雷達、機載導航雷達、機載截擊雷達、機載護尾雷達、機載導航雷達、 機載火控雷達機載火控雷達無線電測高儀無線電測高儀雷達引信（無線電引信）氣象雷達氣象雷達航行管制航行管制(空中交通空中交通)雷達雷達宇宙航行中用雷達宇宙航行中用雷達遙感設備遙感設備 此外，在飛機導航此外，在飛機導航, , 航道探測航道探測( (用以保證航行安用以保證航行安全全), ), 公路上車速測量等方面公路上車速測量等方面,

39、 , 雷達也在發揮其積極作雷達也在發揮其積極作用。用。 按工作體制按工作體制 連續波雷達、脈沖多普勒雷達、脈沖壓縮雷達、編碼連續波雷達、脈沖多普勒雷達、脈沖壓縮雷達、編碼脈沖雷達、動目標顯示雷達、捷變頻雷達、相控陣雷達脈沖雷達、動目標顯示雷達、捷變頻雷達、相控陣雷達以及合成孔徑雷達等。以及合成孔徑雷達等。 不同用途、不同功能的雷達對信號參數（載頻、不同用途、不同功能的雷達對信號參數（載頻、脈寬、內調制等）要求不同。脈寬、內調制等）要求不同。 由于不同用途的雷達其信號參數完全不同，導致由于不同用途的雷達其信號參數完全不同，導致功能單一、體制單一，無法適應在不同的環境下對不同功能單一、體制單一，無

40、法適應在不同的環境下對不同屬性的目標進行智能化跟蹤、探測的需要。對于目前屬性的目標進行智能化跟蹤、探測的需要。對于目前這種雷達參數相對固定不變的技術體制已經很難適應這種雷達參數相對固定不變的技術體制已經很難適應越來越復雜的作戰環境，雷達的生存能力也面臨挑戰。越來越復雜的作戰環境，雷達的生存能力也面臨挑戰。 “軟件雷達軟件雷達”是以軟件無線電為基礎提出的現代雷達是以軟件無線電為基礎提出的現代雷達設計新思想、新概念。它采用軟件無線電的設計理念，設計新思想、新概念。它采用軟件無線電的設計理念，雷達信號波形和參數可以通過軟件加載，根據不同的雷達信號波形和參數可以通過軟件加載，根據不同的作戰環境需求而適

41、時地改變，甚至進行作戰環境需求而適時地改變，甚至進行“捷變參捷變參”工作，工作，即雷達參數（載頻、脈寬、重復頻率、脈內調制方式、即雷達參數（載頻、脈寬、重復頻率、脈內調制方式、調制參數等）可以快速捷變，以有效應對電子戰的威脅。調制參數等）可以快速捷變，以有效應對電子戰的威脅。 “軟件雷達軟件雷達”的主要特點是雷達波形的軟件化、可的主要特點是雷達波形的軟件化、可編程、可升級。編程、可升級。 軟件雷達的信號波形和雷達處理算法不是固化的，軟件雷達的信號波形和雷達處理算法不是固化的，它可以隨著雷達信號處理技術的發展，新的雷達體制它可以隨著雷達信號處理技術的發展，新的雷達體制波形和處理算法可以重新通過加

42、載新的算法軟件來對波形和處理算法可以重新通過加載新的算法軟件來對雷達進行升級改造雷達進行升級改造 ，適應不斷變化的軍事需求。，適應不斷變化的軍事需求。 DAC 雷達 波形 產生 器 DSP + 軟件 數字 上變 頻 濾波 HPA 模擬 上變 頻 軟件雷達發射機軟件雷達發射機 )(2cos()()(0ttftats雷達信號：雷達信號： 根據所需發射的雷達信號波形，求出根據所需發射的雷達信號波形，求出 和和 后，后，雷達波形產生器輸出的正交數據為：雷達波形產生器輸出的正交數據為： )(ta)(t)(sin)()()(cos)()(ntanQntanI)(nI)(nQ 經過正交數字上變頻和經過正交數

43、字上變頻和D/AD/A變換即可得到一個中頻變換即可得到一個中頻信號，然后通過模擬上變頻，將其搬移到所需的雷達信號，然后通過模擬上變頻，將其搬移到所需的雷達信號載頻上，再經高功率放大后，通過雷達無線發射機信號載頻上，再經高功率放大后，通過雷達無線發射機可以在任一載頻上產生任何體制（波形）的雷達信號，可以在任一載頻上產生任何體制（波形）的雷達信號，前者主要取決于模擬上變頻器、功放和天線的工作帶寬，前者主要取決于模擬上變頻器、功放和天線的工作帶寬，而后者則主要取決于軟件。而后者則主要取決于軟件。 目前要實現全頻段（從短波到毫米波）的軟件化雷達目前要實現全頻段（從短波到毫米波）的軟件化雷達發射機還存在

44、相當大的難度，尤其是寬帶功放和天線是發射機還存在相當大的難度，尤其是寬帶功放和天線是其最主要的技術瓶頸。如果不考慮功放和天線，則實現其最主要的技術瓶頸。如果不考慮功放和天線，則實現一種多頻段、多體制、多功能的軟件化雷達發射機是一種多頻段、多體制、多功能的軟件化雷達發射機是完全可行的。完全可行的。 ADC 雷達 信號 處理 器 DSP + 軟件 數字 下變 頻寬帶接收前端 軟件雷達接收機軟件雷達接收機 通過目標反射的雷達信號由天線接收后，送到接收通過目標反射的雷達信號由天線接收后，送到接收前端把射頻信號變換為寬帶中頻信號，并進行放大后前端把射頻信號變換為寬帶中頻信號，并進行放大后再送到高速再送到

45、高速ADCADC變換為數字信號，然后由數字下變頻變換為數字信號，然后由數字下變頻變換為正交的基帶信號變換為正交的基帶信號 ，雷達信號處理器，雷達信號處理器對正交數據對正交數據 進行諸如檢波（求模）、進行諸如檢波（求模）、FFTFFT等運算，并與發射信號作相關處理，即可計算得到到達等運算，并與發射信號作相關處理，即可計算得到到達時間、多普勒頻移以及反射信號電平等參數，進而實現時間、多普勒頻移以及反射信號電平等參數，進而實現對目標的探測和定位。對目標的探測和定位。)(nI)(nQ)(、Q)(nnI)(、Q)(nnI 需要注意的是，為了能從反射的雷達信號中獲取與目標特性相關的信號到達時間、多普勒頻移

46、等信息，雷達發射機和雷達接收機的所有時鐘，包括本振以及ADC、DAC時鐘等都必須嚴格同步（因為1s 的同步誤差將導致150m的測距誤差）。為了解決軟件同步處理的困難，可以采取硬件相關處理的辦法來解決。 DAC 雷達雷達 波形波形 產生產生 器器 DSP DSP + + 軟件軟件 數字 上變 頻濾波 HPA模擬上變頻 軟件雷達系統的組成軟件雷達系統的組成 )(nI)(nQ分路 ADC 雷達雷達 信號信號 相關相關 處理處理 器器 數字 下變 頻寬帶接收前端)(nI)(nQ共用本振源T/R ADC 數字 下變 頻)(nQ)(nIsf 由圖可見，把雷達發射機輸出的中頻信號分成兩路，由圖可見，把雷達發

47、射機輸出的中頻信號分成兩路，其中的一路與雷達接收機前端輸出的中頻信號一起其中的一路與雷達接收機前端輸出的中頻信號一起同時送到兩個同步同時送到兩個同步A/DA/D變換器進行模數變換，并分別變換器進行模數變換，并分別經各自的數字下變頻器變換為正交基帶信號經各自的數字下變頻器變換為正交基帶信號 和和 ，這兩路正交數據再送到雷達信號相關，這兩路正交數據再送到雷達信號相關處理器進行相關運算，就可提取到達時間、多普勒頻移處理器進行相關運算，就可提取到達時間、多普勒頻移等有用信息。這種相關處理方法雖然增加了硬件的復雜等有用信息。這種相關處理方法雖然增加了硬件的復雜性，但降低了同步要求，尤其是避開了軟件同步的

48、困難，性，但降低了同步要求，尤其是避開了軟件同步的困難，是一種比較可行的軟件雷達系統實現方案。是一種比較可行的軟件雷達系統實現方案。)(、Q)(nnI)(、Q)(nnI2.2 2.2 智能天線技術智能天線技術一、概述一、概述 軟件無線電系統中的天線應具有自適應的能力，軟件無線電系統中的天線應具有自適應的能力，即能夠根據所選擇的不同頻段或不同應用，自動調整即能夠根據所選擇的不同頻段或不同應用，自動調整增益等參數，使系統完全適應不同的傳輸環境、要求。增益等參數，使系統完全適應不同的傳輸環境、要求。主要技術主要技術寬帶寬帶/ /多頻段天線多頻段天線 多頻段和寬帶天線的設計使天線能夠在寬頻段上多頻段和

49、寬帶天線的設計使天線能夠在寬頻段上工作，但多頻段意味著能在幾個分離的不同頻段上工作，工作，但多頻段意味著能在幾個分離的不同頻段上工作，在所設計的天線最高和最低頻率之間常常無相鄰覆蓋，在所設計的天線最高和最低頻率之間常常無相鄰覆蓋，而寬帶則意著天線設計的最高和最低頻段之間有相鄰而寬帶則意著天線設計的最高和最低頻段之間有相鄰覆蓋。覆蓋。 在實際應用中，要做到各個通信系統的互聯互通，在實際應用中，要做到各個通信系統的互聯互通，顯然要求射頻天線具有良好的多頻段性能和可程控的顯然要求射頻天線具有良好的多頻段性能和可程控的多頻段、多功率射頻轉換能力。多頻段、多功率射頻轉換能力。 寬帶天線設計的難點是同時滿

50、足小型化、寬帶、寬帶天線設計的難點是同時滿足小型化、寬帶、優良的時域特性以及系統性能優良等特點。優良的時域特性以及系統性能優良等特點。智能天線智能天線 智能天線是一種具有測向和波束形成能力的天線智能天線是一種具有測向和波束形成能力的天線陣列。它利用數字信號處理技術，產生空間定向波束，陣列。它利用數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準期望用戶信號到達方向，旁瓣或零陷使天線主波束對準期望用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分、高效利用期望用戶對準干擾信號到達方向，達到充分、高效利用期望用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。信號并刪除或抑制干擾信號的目的。二、智能天線

51、的概念和原理二、智能天線的概念和原理 智能天線是利用多個天線陣元的組合進行信號處理，自動調整發射和(或)接收方向圖，以針對不同的信號環境達到最優性能。 智能天線以多個高增益窄帶波束動態地跟蹤多個期望用戶；接收模式下，來自窄帶波束以外地信號被抑制；發射模式下，能使期望用戶接收的信號功率最大，同時使窄帶波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小。TalkTalk干擾干擾自適應陣列基站自適應陣列基站普通基站普通基站智能天線的作用 使用智能天線：能量僅指向小區內處于激活狀態的移動終端正在通信的移動終端在整個小區內處于受跟蹤狀態 不使用智能天線：能量分布于整個小區內所有小區內的移動終端均相互干擾，此干擾

52、是CDMA容量限制的主要原因普通天線智能天線有智能天線 能量只是指向有移動用戶活動的小區區域；手機在整個小區被跟蹤。沒有智能天線 能量分布于整個小區，在沒有移動用戶活動的區域，干擾不會下降。優點 智能天線潛在的性能效益表現在多方面，例如，抗多徑衰落、減小時延擴展、支持高數據速率、抑制干擾、減少遠近效應、減小中斷概率、改善誤比特率(BER,Bit Error Rate）性能、增加系統容量、提高頻譜效率、支持靈活有效的越區切換、擴大小區覆蓋范圍、靈活的小區管理、延長移動臺電池壽命、以及維護和運營成本較低等。 智能天線智能天線技術智能天線技術三、智能天線的形式三、智能天線的形式 根據工作方式的不同：

53、根據工作方式的不同：預多波束或切換波束系統；預多波束或切換波束系統；自適應陣列系統；自適應陣列系統； 根據波束形成的不同：根據波束形成的不同：陣元空間處理方式；陣元空間處理方式；波束空間處理方式；波束空間處理方式；切換波束系統切換波束系統 波束轉換天線具有有限數目的、固定的、預定義的方向圖，通過陣列天線技術在同一信道中利用多個波束同時給多個用戶發送不同的信號，它從幾個預定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號強度，當移動臺越過扇區時，從一個波束切換到另一個波束。在特定的方向上提高靈敏度，從而提高通信容量和質量。 每個波束的方向是固定的，并且其寬度隨著天線陣元數而變化。對于移動用戶，基站選擇不同的對

54、應波束，使接收的信號強度最大。但用戶信號未必在固定波束中心，當使用者是在波束邊緣，干擾信號在波束的中央，接收效果最差。因此，與自適應天線陣比較，波束轉換天線不能實現最佳的信號接收。由于扇形失真，波束轉換天線增益在方位角上不均勻分布。但波束轉換天線有結構簡單和不需要判斷用戶信號方向(DOA) 的優勢。自適應陣列系統自適應陣列系統 陣元空間處理方式陣元空間處理方式 陣元空間處理方式直接對各陣元按接收信號采陣元空間處理方式直接對各陣元按接收信號采樣進行加權求和處理后，形成陣列輸出，使陣樣進行加權求和處理后，形成陣列輸出，使陣列方向圖主瓣對準用戶信號到達方向。由于各列方向圖主瓣對準用戶信號到達方向。由

55、于各種陣元均參與自適應加權調整，這種方式屬于種陣元均參與自適應加權調整，這種方式屬于全自適應陣列處理。全自適應陣列處理。波束空間處理方式波束空間處理方式 包含兩級處理過程，第一級對各陣元信號進行固定包含兩級處理過程，第一級對各陣元信號進行固定加權求和，形成多個指向不同方向的波束；加權求和，形成多個指向不同方向的波束； 第二級對第一級的波束輸出進行自適應加權調整后第二級對第一級的波束輸出進行自適應加權調整后合成得到陣列輸出，此方案不是對全部陣元是從整合成得到陣列輸出，此方案不是對全部陣元是從整天計算最優的加權系數作自適應處理，而是僅對其天計算最優的加權系數作自適應處理，而是僅對其中的部分陣元作自

56、適應處理，因此，屬于部分自適中的部分陣元作自適應處理，因此，屬于部分自適應陣列處理；應陣列處理； 計算量小，收斂快，且具有良好的波束保形性能，計算量小，收斂快，且具有良好的波束保形性能，是當前自適應陣列處理技術的發展方向。是當前自適應陣列處理技術的發展方向。智能天線的結構智能天線的結構 典型陣列；典型陣列； 結構原理；結構原理； 系統組成。系統組成。典型陣列典型陣列 均勻線陣；均勻線陣； 隨機分步線陣；隨機分步線陣； 十字陣；十字陣； 圓陣；圓陣； 面陣，等。面陣，等。結構原理圖結構原理圖 智能天線的系統組成智能天線的系統組成 天線陣列：天線陣列：天線陣元數量與天線陣元的配置方式，對智能天天線

57、陣元數量與天線陣元的配置方式，對智能天線的性能有著重要的影響；線的性能有著重要的影響； 模數轉換：模數轉換：接收鏈路：模擬信號接收鏈路：模擬信號 數字信號數字信號發射鏈路：數字信號發射鏈路：數字信號 模擬信號模擬信號 智能處理：智能處理：天線波束在一定范圍內能根據用戶的需要和天線天線波束在一定范圍內能根據用戶的需要和天線傳播環境的變化而自適應地進行調整，包括：傳播環境的變化而自適應地進行調整，包括： 以數字信號處理器和自適應算法為核心的自適以數字信號處理器和自適應算法為核心的自適應數字信號處理器，用來產生自適應的最優權應數字信號處理器，用來產生自適應的最優權值系數：值系數： 以動態自適應加權網

58、絡構成自適應波束形成網以動態自適應加權網絡構成自適應波束形成網絡絡智能天線的賦形智能天線的賦形 波束形成技術：波束形成技術：使陣列天線方向圖的主瓣指向所需的方向，提高使陣列天線方向圖的主瓣指向所需的方向，提高陣列輸出所需信號的強度；陣列輸出所需信號的強度； 零點技術：零點技術：使陣列天線方向圖的零點對準干擾方向，減少干使陣列天線方向圖的零點對準干擾方向，減少干擾信號的強度；擾信號的強度； 空間譜估計技術：空間譜估計技術：處理帶寬內信號的到達方向處理帶寬內信號的到達方向DOADOA（Direction of Direction of ArrivalArrival）的問題；）的問題； 智能天線的常

59、用準則智能天線的常用準則 最大信干噪比準則：最大信干噪比準則：最佳加權使得陣列輸出信號的信號干擾噪聲比最佳加權使得陣列輸出信號的信號干擾噪聲比最大；最大； 最小均方誤差準則：最小均方誤差準則：最佳加權使得陣列輸出和有用信號的均方誤差最佳加權使得陣列輸出和有用信號的均方誤差最小；最小； 最小方差準則：最小方差準則：最佳加權使得陣列輸出噪聲的方差最小；最佳加權使得陣列輸出噪聲的方差最小； 最大似然準則：最大似然準則：經過空時加權后的估計信號與期望信號有最大經過空時加權后的估計信號與期望信號有最大可能的相似。可能的相似。 三類經典的波束形成算法（1）基于訓練序或者參考序列的波束形成算法 基于訓練信號

60、或者是參考信號的方法，不需要估計信號到達方向，對天線陣本身的結構也沒有過多的限制，而且這類算法易于實現，但是發射訓練信號會降低系統的利用率，而且算法的收斂速度較慢。 常見的算法有最陡梯度下降算法、LMS、NLMS、簡化的LMS以及后面將要提及的NVSS算法、MNLMS算法等。（2）基于DOA的波束形成算法基于DOA的算法，在參考用戶信號方向已知的情況下，根據線性約束最小方差準則，計算自適應權值。在參考信號方向未知的情況下，需要借助于MUSIC(多重信號分類)算法估計信號到達方向(DOA)。這類方法在分析上比較容易理解，但它有以下問題必須在無線系統中加以解決：(1)需要估計信號的到達方向，這就涉