射頻技術(shù)入門

1、射頻技術(shù)入門三旗硬件部 王楊2007.08.01Index射頻行為射頻行為 損耗與增益 分貝 帶寬 環(huán)境中的射頻 匹配射頻硬件射頻硬件 天線 放大器 濾波器 混頻器 振蕩器 開關(guān) 衰減器 分配器 耦合器射頻行為射頻行為損耗與增益損耗與增益所有器件(有源和無源)都或者顯示損耗特性，或者顯示增益特性。如果出來的信號小于進(jìn)來的信號，表明該器件有損耗。有很多具有損耗的器件，一些是無源的，一些是有源的。一個(gè)大的射頻信號進(jìn)去，變成一個(gè)小的射頻信號出來，剩下的那部分沒有出來的信號則轉(zhuǎn)變成了熱能。表現(xiàn)出損耗現(xiàn)象的器件將變暖，損耗越多，就越熱，甚至熔化。這就是為什么無源器件中對功率的處理能力是非常重要的。增益如

2、果放大器輸出的信號是輸入信號的10倍，則該放大器的增益是10。如果有兩個(gè)這樣的放大器串接，增益結(jié)果將是100(而不是20)。即信號放大10后，再放大10倍，最后的信號是原始信號的100倍。插入損耗如果從一個(gè)無源器件出來的信號是進(jìn)入信號的1/100，那么該器件的損耗為100，即將數(shù)據(jù)信號除以100可以得到輸出信號的幅度。將信號通過一個(gè)無源器件所經(jīng)歷的損耗稱為插入損耗。射頻行為射頻行為(contd)分貝分貝發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號可能會是到達(dá)接收機(jī)信號的十億倍，乘或除這么大的數(shù)字是很難把握的，于是就出現(xiàn)了使用加減法來代替乘除法的對數(shù)。在射頻之中，只需要知道有關(guān)對數(shù)的兩樣?xùn)|西。其一，對數(shù)是兩個(gè)值的比值；其二

3、該比值的單位是分貝(dB)。其定義是10lg(輸出功率/輸入功率)。如前所述，放大器的增益是100，換算成分貝，就是增益為20dB。只需要記住兩種dB的轉(zhuǎn)換就可以進(jìn)行簡單的分貝轉(zhuǎn)換： +3dB指的是2倍大(乘以2) +10dB指的是10倍大(乘以10) -3dB指的是減小到1/2(除以2) -10dB指的是減小到1/10(除以10) E.g. 如果信號經(jīng)歷的增益為4000，那么增益為多少dB？ 4000= 2 X 2 X 10 X 10 X 10 =3dB+3dB+10dB+10dB+10dB=36dB射頻行為射頻行為(contd)帶寬帶寬帶寬是描述頻率范圍的方法，它等于器件或應(yīng)用中最高頻率和

4、最低頻率的差值，所以需要兩個(gè)頻率值來定義帶寬。有時(shí)帶寬也用百分比來表達(dá)，它等于實(shí)際帶寬除以上下頻率的平均值。帶寬和數(shù)據(jù)承載能力(數(shù)據(jù)速率)有直接關(guān)系。無線系統(tǒng)的帶寬越寬，在一定時(shí)間內(nèi)所承載的數(shù)據(jù)就越多，所以數(shù)據(jù)速率就越高。帶寬的另外兩個(gè)術(shù)語就是倍頻和十倍頻。倍頻和十倍頻來源于對數(shù)算法，其中倍頻是指兩倍大，十倍頻是指10倍大。如果器件的上邊頻是下邊頻的2倍大，那么器件具有倍頻帶寬。射頻行為射頻行為(contd)環(huán)境中的射頻環(huán)境中的射頻趨膚效應(yīng)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)的原因是由于感抗的作用,導(dǎo)體內(nèi)部比表面具有更大的電感L,因此對交流電的阻礙作用大,使得電流密集于導(dǎo)體表面.趨膚效應(yīng)使得導(dǎo)體的有效橫截面減小,因而

5、導(dǎo)體對交流電的有效電阻比對直流電的電阻大. 自由空間損耗自由空間是指相對介電常數(shù)和相對導(dǎo)磁率都為1的均勻介質(zhì)所存在的空間，它是一個(gè)理想的無限大的空間，是為簡化問題研究而提出的一種科學(xué)抽象。自由空間無線電波傳播，僅考慮由能量擴(kuò)散引起的損耗，即接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間是無任何阻擋的視距路徑時(shí)的傳播損耗。吸收 e.g.微波爐內(nèi)輻射水容易接收的某個(gè)頻率的射頻信號。當(dāng)射頻信號遇到水時(shí)，信號變得越來越小，誰就變得越來越熱。這就是沒有水的東西在微波爐里無法變熱的原因。反射射頻頻率和物體材料兩個(gè)因素有關(guān)。如金屬就會發(fā)生完全反射，混凝土發(fā)生部分反射。射頻行為射頻行為(contd)匹配匹配50歐姆的含義二次世界大戰(zhàn)器件

6、，軍隊(duì)需要連接一些碰巧是50ohm阻抗的天線。結(jié)果他們開發(fā)了一些50ohm的電纜，后來稱為RG-58。一旦他們有了這些電纜，其他所需要連接的東西都只能向50ohm看齊了。 50ohm不是最佳的。拿電纜來說，75ohm的性能更加(即衰減更小)。因?yàn)樗墙陂_發(fā)的，75ohm是用于有線電視中的阻抗。相應(yīng)的有兩種阻抗標(biāo)準(zhǔn)：射頻用50ohm和視頻用75ohm。VSWR電壓駐波比。是描述匹配情況的數(shù)字度量，匹配越好，泄露越小。它沒有度量單位，表達(dá)方式是X：1，X越大，泄露越多。 VSWR回波損耗含義1.0：1無窮完美匹配，沒有任何泄露，不可能達(dá)成1.4：115.6dB有兩匹配，很小泄露2.0：19.5d

7、B良好匹配，可接受的泄漏量，通常作為設(shè)計(jì)目標(biāo)射頻硬件射頻硬件天線天線可以使有源器件也可以是無源器件。有源天線僅僅是比無源天線在內(nèi)部多了一個(gè)放大器。天線的大小和形狀取決于3個(gè)因素：天線需要處理的頻率；無線電波傳播的方向；天線發(fā)送或接收的功率。天線增益與平常理解的增益不同，射頻能量的絕對值并沒有真正變大。這是方向增益而不是功率增益。是相對于各向同性天線的增益。度量單位為dBi。極化當(dāng)射頻波在空中傳播，正弦波自身有方向：垂直或水平。垂直極化正弦波傳播時(shí)會上下變化，水平極化正弦波傳播是會左右變化。極化是一種方法，把兩個(gè)相同頻率的不同信號同時(shí)放到同一個(gè)地方。理論上，通過使用水平和垂直極化，在同樣的帶寬內(nèi)

8、，可以實(shí)現(xiàn)2倍的轉(zhuǎn)換。射頻硬件射頻硬件(contd)放大器放大器的三個(gè)基本屬性：增益、噪聲系數(shù)或輸出功率、線性。放大器主要分三類：低噪聲放大器LNA、高功率放大器HPA和其他。增益使用dB度量，描述輸出信號比輸入信號大多少。噪聲系數(shù)低噪聲放大器用于監(jiān)聽非常小的射頻信號，所以他們必須非常安靜。LNA的安靜度量叫做噪聲系數(shù)(NF)，單位dB。噪聲系數(shù)越低，LNA可以聽到的信號越小。輸出功率HPA的基本屬性之一就是輸出功率，用W或dBm來度量。 一般來說，功率越高越好。 dBm的含義是比1mW大的dB數(shù)。 1dBm=10lg(功率值W/1mW)， e.g.30dBm等于1W。 一個(gè)HPA并不意味著它

9、很大的輸出功率， 但意味著它是發(fā)射器的最后的放大器。W表示的功率dBm表示的功率0.1mW-10dBm1mW0dBm1W30dBm2W33dBm1000W60dBm射頻硬件射頻硬件(contd)放大器(contd)線性用來度量放大器使信號形狀失真的程度。射頻載波的微小變化部分實(shí)際上都包含著信息，因此不需要的信號形狀會使信息嚴(yán)重失真。傳輸曲線是一種可視化的方法來描述線性的概念，就是放大器的輸出功率對輸入功率的圖。 在A點(diǎn)之前的范圍被稱為放大器的線性區(qū)。要避免信號失真，放大器必須在這個(gè)區(qū)域內(nèi)工作。ACPR(鄰近信道功率比)ACPR度量了干擾或者說是相鄰頻率信道功率的大小。通常定義為相鄰頻道（或偏移

10、）內(nèi)平均功率與發(fā)射信號頻道內(nèi)的平均功率之比，ACPR描述了由于發(fā)射機(jī)硬件非線性造成的失真大小。ACPR對于WCDMA發(fā)射機(jī)來說是至關(guān)重要的，因?yàn)镃DMA調(diào)制在調(diào)制載波中產(chǎn)生緊密相鄰的頻譜成分。這些成分的互調(diào)制導(dǎo)致中心載波兩側(cè)頻譜的再生，發(fā)射機(jī)的非線性將使這些頻譜再生成分進(jìn)入相鄰信道。 射頻硬件射頻硬件(contd)濾波器任意時(shí)刻都有許多看不見的射頻波以各種頻率游蕩在空氣中。所有這些游蕩的波試圖通過接收機(jī)的天線進(jìn)入接收機(jī)，并且許多都成功了。一些信號甚至通過了LNA，這些地方正是需要濾波器的地方，讓許多可接受的信號進(jìn)入，拒絕其他所有無用信號。濾波器分為四種：高通、低通、帶阻、帶通。通常來說，濾波器

11、是無源器件，通過改變它們的插入損耗來工作。插入損耗是頻率的函數(shù)，稱為濾波器的頻率響應(yīng)曲線。雙工器把發(fā)射和接收的兩個(gè)濾波器放入一個(gè)器件里。在WCDMA中使用。SAW濾波器SAW表示聲表面波，工作原理：首先，將射頻信號轉(zhuǎn)化為聲音信號，然后將不需要的聲音信號濾掉，最后把聲音信號轉(zhuǎn)化為射頻信號。需要注意的是：放大器不是唯一有1dB壓縮點(diǎn)和三階互調(diào)點(diǎn)的器件。象濾波器這樣的無源器件也有這些參數(shù)。在無源器件中，這兩種參數(shù)測量的不是器件的輸出功率，而是在不引起信號失真的情況下，器件能處理的功率。射頻硬件射頻硬件(contd)混頻器混頻器的目的就是改變信號的頻率但保持信號的其它特性不變。兩個(gè)信號(頻率為f1和f

12、2)進(jìn)入混頻器后，會出來兩個(gè)不同的信號：f1+f2、f1-f2，其中有一個(gè)信號是不需要的，會在混頻器后面跟一個(gè)濾波器將其濾掉。實(shí)際上，當(dāng)兩個(gè)信號進(jìn)入混頻器，輸出的并不是兩個(gè)很干凈的信號。許多信號以各種頻率出來了，這些不需要的信號被定義為噪聲?；祛l器會將噪聲引入到系統(tǒng)，這也是混頻器后面有濾波器的另一個(gè)原因?；祛l器的一共有三個(gè)端口，兩個(gè)輸入端口，一個(gè)輸出端口。三個(gè)端口的頻率范圍越寬，混頻器損耗越大，性能越差。無源混頻器會表現(xiàn)出插入損耗，為了區(qū)別，混頻器中的插入損耗叫做轉(zhuǎn)換損耗(CL)，CL越低越好。另一個(gè)重要參數(shù)是噪聲系數(shù)(NF)，NF越低越好。射頻硬件射頻硬件(contd)振蕩器給混頻器提供一個(gè)

13、輸入的振蕩器叫做本地振蕩器(LO)。所有的振蕩器都是有源器件，理想狀態(tài)是，接上電源之后，輸出一個(gè)完美的預(yù)定頻率的正弦波信號。振蕩器有很多種型號，但是他們的目標(biāo)是相同的，在給定的條件下(溫度、頻率等)提供最完美的正弦波。我們用得比較多的是TCXO(溫補(bǔ)晶體振蕩器)，表現(xiàn)為準(zhǔn)確的溫度控制。射頻硬件射頻硬件(contd)開關(guān)所有的開關(guān)都是有源設(shè)備，就是說它們需要一定的功率來實(shí)現(xiàn)功能。有兩個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)：損耗和轉(zhuǎn)換速度。損耗分為兩種：插入損耗和隔離度。在開關(guān)中插入損耗是1dB或者更小。最小的有用的隔離度大約是20dB。e.g.Murata LMSM32AA-533:集成了SAW，使用在進(jìn)入射頻功放之前

14、，用于降低Tx對Rx的干擾射頻硬件射頻硬件(contd)衰減器衰減器就是反放大器，信號通過衰減器之后，功率會降低，減少的信號轉(zhuǎn)換為熱量散失了。衰減器分為：固定衰減器、電壓可變衰減器、數(shù)字衰減器。其中固定衰減器是無源器件，電壓可變衰減器與數(shù)字衰減器為有源器件。各種類型的衰減器的主要參數(shù)是準(zhǔn)確性。無論是固定的還是可變的，衰減值不僅要求量的確切值，而且衰減值不能隨時(shí)間、溫度或其他因素改變。射頻硬件射頻硬件(contd)分配器分配器負(fù)責(zé)信號分配，分配器也叫功率分配器，簡稱功分器。所有的分配器都是無源器件。在實(shí)際測試中會使用到功分器，尤其是在進(jìn)行RX性能測試的時(shí)候。射頻硬件射頻硬件(contd)耦合器信

15、號從IN進(jìn)入耦合器，信號從OUT輸出。 此外，當(dāng)信號從IN到OUT的過程中， 信號的一小部分被虹吸掉，在COUPLNG被取出來，被稱作取樣端口。一個(gè)耦合器對一個(gè)射頻信號采樣，如果有不對的地方，返回時(shí)就告訴其他器件進(jìn)行改變。耦合器的類型： 定向和雙向定向耦合器意味著它只有一個(gè)采樣端口，只在一個(gè)方向工作。雙向耦合器有兩個(gè)采樣端口，可以在兩個(gè)方向上工作。 正交耦合器幾乎與雙向功率分配器完全一樣，它的輸出功率在兩個(gè)輸出間被均分，兩個(gè)輸出是反相的。射頻系統(tǒng)射頻系統(tǒng)衛(wèi)星通信衛(wèi)星技術(shù)是為解決RF行為視距傳輸局限而提出的。攜帶足夠能量的任何防線的發(fā)射信號都能達(dá)到它的目的地接收機(jī)，這都是針對短距離而言。當(dāng)RF信號需長距離傳輸時(shí)，就會出現(xiàn)問題，接收機(jī)由于地球存在曲率而被阻擋。攜帶足夠能量的RF信號進(jìn)行長距離傳輸時(shí)會發(fā)生的情況就是，信號奔向太空。正因?yàn)檫@樣，F(xiàn)CC才能給在不同地方的不同呼叫方分配相同的頻率。低頻信號(頻率小于30MHz)，RF能量收到電離層反射，而沿地球傳播，衛(wèi)星不需要接收這個(gè)頻段的信號。同步衛(wèi)星在赤道上方22,000mile，在這個(gè)軌道上，