1、射頻電路基礎知識射頻電路基礎知識RF Circuit Basic KnowledgeFCT Technician Training Material射頻電路基礎知識射頻電路的應用和分類 (Application For RF Circuit)射頻電路的基本理論和參數定義 (Basic Theory and Parameter Define)射頻電路中的常用元件和功能 (General Components and Their Function)射頻測試中的常用儀器介紹 (General Instruments In RF Test)1.1 射頻電路應用和分類(a)目前, 射頻(RF)電路主要用

2、于通信系統中,如:手機(Cell Phone),無線局域網(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.Line ( Coaxial Cable )Digital RadioSatellite1.2 射頻電路應用和分類(b)在RF通信系統中按照通信終端間是否有射頻電纜連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數字連接的Cable Modem,通過電話線傳輸的數字用戶回路(DSL),包括ADSL,HDSL,VDSL等.1.無線射頻通信

3、系統的:無線電話(手機),無線傳輸的電視和收音機廣播系統,無線局域網(Wireless LAN),藍牙(Blue Tooth)等1.3 射頻電路應用和分類(c)按照通信系統中各終端間傳輸信號是數字信號還是模擬信號又可分為模擬RF通信系統和數字RF通信系統:模擬RF通信系統,相對于數字RF通信系統,模擬RF通信系統較為落后,其抗干擾能力較弱,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(當前制式),音頻廣播(收音機),第一代的手機通信系統等.1.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.

4、1.4 射頻電路應用和分類(d)對于RF數字通信系統,根據數據速率的不同,可分為寬帶(高速)RF通信系統和窄帶(低速)通信系統,一般將通信速率大于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.常見的寬帶通信系統有微波幀中繼系統,LMDS(Local Multipoint Distribute Service，本地多點分配業務)以及將來的3G手機系統等.1.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 Cordless Telecommunications)等.1

5、.5 常見RF數字通信系統的速率和距離分布圖2 射頻電路的基本理論和參數定義射頻(RF)電路的定義傳輸線特性阻抗Z0RF功率定義和計算不連續端口的功率分布雙端口網絡和S參數信號調制方法2.1 射頻(RF)電路的定義RF: Radio Frequency,本身沒有嚴格的定義,目前一般將在空間傳播的頻率從3k到300G的電磁波稱為射頻.射頻電路: 處理信號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

6、用RF的相關理論來處理.2.2 傳輸線的特性阻抗Z0RF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,所以特性阻抗Z0是一個與信號頻率相關的復數,它主要由傳輸線自身的分布參數決定:Z0=SQRT(R+jL)/(G+jC)當傳輸線的損耗很小時,可以認為R=G=0,信號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置為50.2.3 RF功率定義和計算由于RF電路功率變化范圍很大,傳統的結性單位定義很不方便,故使用對數單位.定義線路中功率為1mW時為0dBm,由如下公式可

7、以對對數功率和線性功率進行互相轉換:A=10 x(log10(B/1mW)=10 x(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-30dBm1.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,如增益和損耗的單位.2.4 不連續端口的功率分布(a)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

8、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,此時我們稱之為匹配(Match),實際電路中,為了讓RF信號沿著設計的路徑通過,所有端口間應盡可能匹配!2.4 不連續端口的功率分布(b)反射系數:傳輸線上一點Z(端口)處反射信號電壓(或電流)與入射信號電壓(或電流)之比定義為電壓(或電流)反射系數z,該參數由傳輸線阻抗(Z0)和輸入端口(Zi)阻抗決定:z=(Zi-Z0)/(Zi+Z0)駐波比(VSWR):傳輸線上波腹點電壓振幅與波節點電壓振幅之比為電壓駐

9、波比,或稱為駐波系數. =|U|MAX/|U|MIN=(1+ |z|)/(1-| z|)當反射系數為0時,駐波比為1,當反射系數接近1(實際情況下不可能為1)時,駐波比取值接近無窮大2.5 雙端口網絡和S參數(a)我們可以將很多常用的RF電路簡化為上圖的雙端口網絡模型,其中:端口1為輸入端口,端口2為輸入端口;Zs為輸入信號源阻抗,ZL為負載阻抗;a1為端口1輸入功率,b1為端口1輸出功率(包括反射)1.a2為端口1輸入功率,b2為端口1輸出功率(包括反射)2.5 雙端口網絡和S參數(b)定義: a1=S11a1+S21a2 b2=S12a1+S22a2a2=0時: S11=b1/a1 S21

10、=b2/a1a1=0時: S22=b2/a2 S12=b1/a22.5 雙端口網絡和S參數(c)雙端口網絡: S11=b1/a1,可以認為是雙端口網絡輸出端匹配時輸入端口的反射系數.雙端口網絡: S21=b2/a1,可以認為是雙端口網絡輸出端匹配時的增益(Gain,此時雙端口網絡為功率放大器)或插入損耗(Insertion Loss,此時雙端口網絡為衰減器).雙端口網絡: S22=b2/a2,可以認為是雙端口網絡在輸入端接上匹配負載后輸出端的反射系數.雙端口網絡: S12=b1/a2,可以認為是雙端口網絡在輸入端接上匹配負載后的反向增益或反向插入損耗.2.6 信號調制方法(a)什么叫調制?調制

11、是將需要傳輸的信息編碼和處理,使其適合傳輸的過程.一般的調制過程是指將基帶信號搬移到更高的頻帶內.為什么需要調制?基帶信號一般不適合直接傳輸,需要將其移至適合在傳輸媒介傳輸和頻帶范圍內.提高頻率利用效率.利用較高的頻帶傳輸信號可有效降低接收和發送天線的尺寸(如語音信號不加以調制, 其最小波長(F=20KHz時)為15Km)1.可讓多個使用者同時復用一個頻段.2.6 信號調制方法(b)Baseband Signal(Information: Data, Voice, Video)Analog InformationDigital InformationCW CarrierAMFMPMASKFSK

12、PSKCombination(QAM,CAP,)Analog ModulationDigital Modulation2.6 信號調制方法(c)模擬調制:被調制信號為模擬信號.分為: 幅度調制(AM),頻率調制(FM)和相位調制(PM)數字調制:被調制信號為數字信號.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)2.6 信號調制方法(d)模擬調制:AMFMPM PM其實也是頻率調制,只是調制時對頻率的控制精度更高,調制電路也較為復雜.2.6 信號調制方法(e)數字調制:ASKFSKPSK1

13、.OOK2.6 信號調制方法(f)IQ調制在ASK與PSK組合調制時,信號幅值和相位以極坐標表示(以原點為極點)即可得出下圖,其水平方向分量稱為I,垂直方向分量稱為Q.f fMagnitudePhaseViVqQI2.6 信號調制方法(g)BPSKQI0 State1 StateBPSKConstellationDiagram星座圖2.6 信號調制方法(g)QPSKViVqQI000110114 Possible States星座圖2.6 信號調制方法(g)8QAMThree bits per baud QAM (8QAM)Possible States and the Resulting B

14、it Stream for 8QAM星座圖3 射頻電路中的常用元件和功能分路器(Splitter)耦合器(Coupler)衰減器(Attenuator)終端(Terminator)功率放大器(Power Amplifier)隔離器(Isolator)3.1 RF分路器分路器: 將一路輸入信號分為兩路或多路的無源RF器件,多數情況下所有輸出信號功率相等,特殊情況也有N:1分路器,輸入大功率信號時該器件稱為功分器.下圖為Wilkinson分路器模型:3.2 RF耦合器耦合器: 將兩路或多路RF信號耦合到一路信號中的器件,該器件主要作于增加信號功率.RF電路中較常使用的一類既可用作分路器也可用作耦合

15、器的器件, 稱為Hybrid,該器件用作分配器時除了分配功率外還可改變輸出信號的相位,但是用作耦合器時也要將輸入信號的相位錯開.3.3 RF衰減器(a)衰減器:衰減器是一類無源雙端口器件,信號從一個端口進入,當信號從另一端口輸出時信號幅值會有一定的衰減,我們將輸入信號與輸出信號的功率的差值(對數)稱為衰減值,單位為dB(相對值)衰減器另一重要的參數為輸入信號功率,由于RF信號功率絕大多數都會轉化為熱功率,因此較大功率的衰減器都會有散熱片,并且功率越大,體積越大.3.3 RF衰減器(b)RF電路上常用的衰減器結構有T型和型兩種,結構如下圖所示:衰減值計算:定義:Rins 為輸出短路時的輸入電阻,

16、Rino 為輸出開路時的輸入電阻.Ro=SQRT(Rins*Rino)m=R2/R1A=(1+m+SQRT(1+2m)/mAtten.(dB)=20Log(a)3.3 RF衰減器(c)步進衰減器和電可調衰減器步進衰減器:如上圖電路,將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:將上圖的電路集成到芯片內部,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,其衰減值可在線編程設定.3.4 RF終端終端(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50),主要用來消耗無用的RF功率,將其轉化為

17、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.3.5 RF功率放大器(a)功率放大器是一類將RF信號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匹配. 增益(Gain):在工作范圍內,功率放大器輸出信號與輸入信號功率的(對數)差值. 1dB壓縮點:由于放大器本身特性和工作環境,隨著功率放大器輸入功率增加到一定范圍,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范圍. 噪聲系數(Noise Figure):

18、放大器輸出信號的信噪比(信號與噪聲的比值)與輸入信號信噪比的差值.由于放大器本身的噪聲和環境噪聲,輸出信號的信噪比一定會比輸入信號的信噪比差.3.5 RF功率放大器(b)功率放大器電路:3.6 RF隔離器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,其內部的射頻信號只會沿一個特性的方向流動,即從端口1進去的信號只會從端口2出來,端口2進去的信號只會從端口3出來,端口3進出的信號只會從端口1出來. 使用如圖所示的連接后,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,故實現信號的單向流動,稱為“隔離”.這樣有利于保護輸出功率器件(一

19、般為放大器)被外界信號破壞.4 RF測試中的常用儀器功率計(Power Meter)信號發生器(Signal Generator)頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)網絡分析儀(Network Analyzer)4.1 功率計(a)功率計是一種檢測RF信號功率的儀表,因為RF信號有Cable中會有較大的損耗,為了保證測試精度,功率計分為兩部分,一部分為機身,另一部分為探頭.實際使用中探頭應盡可能靠近待測信號源.常用RF功率探頭有三種類型:熱敏電阻(Thermistor)傳感器熱電偶(Thermocouple)傳感器 1.二極管(Diode)傳感器 4.1 功率計(b)熱敏電阻型功率

20、傳感器的優點是測試量精度度,但是動態范圍窄,為-20dBm到+10dBm,此類傳感器不常被使用;熱電偶型傳感器具有上述傳感器的優點,并且具有較寬的動態范圍,為-30 dBm 到+20dBm.二極管型傳感器的優點是靈敏度極高,可達到-70dBm,但檢測功率超過-20dBm時,輸出電壓與輸入功率不再是線性相關的,需要使用其它方法配合才可測試更高的RF功率.4.2 信號發生器信號發生器是一類可以產生多種RF信號的儀器,在RF電路測試中作為信號源來使用,我們可以設置信號發生器輸出信號的如下參數: 頻率,功率(幅值),信號調制方式,調制信號內容,甚至包括調制信號的載波數.使用注意點:在打開信號發生器的輸出功率前一定要確認輸出端口已接有正確的負載,如無負載,端口功率反射回儀表內部,極有可能將儀表燒毀.4.3 頻譜分析儀(a)頻譜分析儀是一種觀測待測信號在頻域分布的儀表,其輸出圖形模