《射频微波系统》PPT课件.ppt

第13章 射频/微波系统,13.1 射频发射机的基本知识13.2 射频接收机的基本知识13.3 全双工系统13.4 雷达基本原理13.5 通信基本原理,13.1 射频发射机的基本知识,13.1.1 发射机基本参数发射机的基本参数介绍如下：(1)频率或频率范围:用来考查微波振荡器的频率及其相关指标、温度频率稳定度、时间频率稳定性、频率负载牵引变化、压控调谐范围等,相关单位为MHz、GHz、ppm、MHz/V等。(2)功率:与功率有关的指标有最大输出功率、频带功率波动范围、功率可调范围、功率的时间和温度稳定性,相关单位为mW、dBm、W、dBW等。,(3)效率:供电电源到输出功率的转换效率。这一参数对于电池供电系统尤为重要。(4)噪声:包括调幅、调频和调相噪声,不必要的调制噪声将会影响系统的通信质量。(5)谐波抑制:工作频率的高次谐波输出功率大小。通常对二次、三次谐波抑制提出要求。基波与谐波的功率比为谐波抑制指标。工程实际中,基波与谐波两个功率dBm的差为dBc。(6)杂波抑制:除基波和谐波外的任何信号与基波信号的大小比较。直接振荡源的杂波就是本底噪声,频率合成器的杂波除本底噪声外,还有可能是参考频率及其谐波。,13.1.2 发射机基本结构要发射的低频信号（模拟、数字、图像等）与射频/微波信号的调制方式有三种可能形式：(1)直接产生发射机输出的微波信号频率,再调制待发射信号。在雷达系统中常用脉冲调制微波信号的幅度,即幅度键控。调制电路就是PIN开关。调制后信号经功放、滤波输出到天线。(2)将待发射的低频信号调制到发射中频（如70 MHz）上,与发射本振（微波/射频）混频得到发射机输出频率,再经功放、滤波输出到天线。在通信系统中常用此方案。图像通信中,一般先将图像信号先做基带处理（6.5 MHz）,再进行调制。,(3)将待发射的低频信号调制到发射中频（如70 MHz）上,经过多次倍频得到发射机频率,然后再经功放、滤波输出到天线。近代通信中常用此方案。发射机典型电路如图13-1所示,可分成九个部分:中频放大器、中频滤波器、上变频混频器、射频滤波器、射频驱动放大器、射频功率放大器、载波振荡器、载波滤波器、发射天线。,图 13-1 基本射频前端发射机电路,这些电路单元在前面均有介绍。放大器的基本原理与设计方法可参考第8章,滤波器的基本原理与设计方法可参考第7章,振荡器可参考第9章和第10章,天线在第12章有详细描述。在电路单元中还会用到耦合器、隔离器、匹配电路或衰减器等。一个发射机系统就是前面所学知识的组合。,13.1.3 上变频器1.基本电路原理发射混频器的基本电路结构图如图13-2所示。二极管上的电流为式中,I0为二极管的饱和电流,UIF是中频信号的振幅,fIF为中频信号的频率,ULO是载波信号的振幅,fLO是载波信号的频率。,（13-1）,图 13-2 发射混频器的基本电路,混频后的输出射频频率为fRF=mfIF+nfLO（13-2）其中m,n为任意非零整数。绝大多数情况下,RF频率应是载波与IF频率的和或差,即fRF=fLOfIF。根据发射机指标和系统参数取和频或差频,利用射频输出端的滤波器实现端口间的隔离。主要的噪声信号有:镜频信号fim=fLO+2fIF;载波信号的谐波nfLO,n为正整数;边带谐波信号 fsb=fLOmfIF这些噪声需要特别加以抑制处理。,2.上变频器的主要技术参数的定义和测量1)变频耗损或增益2)二阶互调IP2 IP2=PRF+(PRF-B-Lc）（13-4）其中,IP2为混频器的输入二阶互调截止点,单位为dBm;PRF为混波器RF输入端的输入信号功率,单位为dBm;Lc 是混波器输入信号频率fRF=fLO+fIF时的变频损耗,单位为dB;B是混波器输入信号频率fRF=fLO+0.5fIF时输出端频率为2fIF的信号功率,单位为dBm混频器的IP2测量电路与频谱示意图如图13-3(a)、(b)所示。,（13-3）,3)三阶互调IP3（13-5）其中,IP3为混频器的输入三阶互调截止点,Pin是混频器输入端的输入信号的功率,是混频器输出信号与内调制信号的功率差(dB)。混频器的IP3测量图及频谱示意图如图13-4(a)、(b)所示。,图 13-3 混频器的IP2测量电路与频谱(a)混频器的IP2测量电路；(b)混频器的IP2频谱图,图 13-4 混频器的IP3测量电路与频谱(a)混频器的IP3测量电路；(b)混频器的IP3频谱图,4)1dB压缩功率P1dB 功率放大器的1dB压缩功率是发射机最大发射功率的主要参数。对于放大器,P1dB是线性放大的最大输出功率,其定义如图13-5(a)、(b)所示。,图 13-5 1dB压缩和线性动态范围(a)放大器的PSAT,P1dB和1dB功率压缩点；(b)放大器的1dB压缩和线性LDR关系图,13.2 射频接收机的基本知识,13.2.1 射频接收机基本参数射频接收机的基本参数介绍如下：(1)接收灵敏度:描述接收机对小信号的反应能力。对于模拟接收机,满足一定信噪比时的输入信号功率;对于数字接收机,满足一定误码率时的输入功率。一般情况下接收灵敏度在85 dBm以下。,(2)选择性:描述接收机对邻近信道频率的抑制能力。不允许同时有两个信号进入接收机。一般地,隔离指标在60 dB以上。(3)交调抑制:接收机会有双频交调失真。在发射机和功率放大器中,大信号时会出现三阶互调失真。一般要求交调抑制在60 dB以上。(4)频率稳定度:描述接收机的本振信号的频率稳定度,影响接收机的中频信号的质量。(5)本振辐射:由于混频器的隔离不好,本振信号进入接收信号通路,通过天线辐射,引起系统的三阶交调失真加重。,13.2.2 接收机基本结构接收机几乎都是超外差形式,即本振信号与接收信号进行混频,得到中频信号,经放大处理后解调信号。1.基本电路基本射频前端接收机基本电路构成如图13-6所示。,图 13-6 基本射频前端接收机基本电路,天线接收空间信号,射频滤波器通过预定波道频率阻止邻近波道信号。高频放大器是小信号低噪声放大器,其性能影响整机噪声系数和接收灵敏度。本振信号有足够的功率以驱动混频器,一般地,本振功率在7 dBm以上。中频放大器的灵敏度一般在60 dBm以下,这是一个节点。接收机的调试要分段进行,每一大段都是对的,才能保证接收机工作正常。2.其他形式的接收机为了提高接收机的接收灵敏度,现代接收机采用二次混频方案,如图13-7所示。,图 13-7 二次混频接收机,13.2.3 接收机灵敏度接收机灵敏度的定义为（13-6）式中,K1.3810-23J/K,是波尔兹曼常数;T为绝对温度;Bw是系统的等效噪声频宽;SNRd是系统要求的信噪比;Zs是系统阻抗;FT是总等效输入噪声系数,由三大部分组成:接收器各级的增益与噪声系数Fin1、镜频噪声Fin2和宽带的本振调幅噪声Fin3,即FT=Fin1+Fin2+Fin3(13-7),(13-8),(13-9),(13-10),公式中变量说明如下:Fi为第i 级的噪声系数；Gj 为第i级的增益;Fi为镜像频率下的单级噪声系数;Gj 为镜像下的单级增益,G0=1；N为接收机的总级数（不包含混频器）;PLO为本振输出功率,单位为dBm;WNsb为边带频率上的相位噪声,单位为dBc/Hz;Lsb为带通滤波器边带频率上的衰减值,单位为dB;MNBsb为边带频率上的混频噪声；T0为室温290K;M 为边带频率的总个数；N为包含混频器在内从接收端至混频器的总级数。,射频前端接收器可分为天线、射频低噪声放大器、下变频器、中频滤波器、本地振荡器。其工作原理是将发射端所发射的射频信号由天线接收后,经LNA将功率放大，再送入下变频器与LO混频后由中频滤波器将设计所要的部分解调出有用信号。13.2.4 接收机灵敏度计算实例某接收系统各级增益及噪声系数列于表13-1中。,表 13-1 接收机指标分配实例,其他相关指标特性如下：RF-BPF2镜像衰减量为10 dB,等效噪声频宽为Bw=12kHz,LO输出功率为PLO=23.5 dBm,LO 单边带相位噪声为WNsb=-165 dBc/Hz,带通滤波器响应参数为0.0 dB fLOfIF、10.0 dB 2fLOfIF、20.0 dB 3fLOfIF，混频噪声均衡比(Mixer Noise Balance)为30.0 dB fLOfIF、25.0 dB 2fLOfIF、20.0 dB 3fLOfIF,系统的实测信噪比为SNR=6dB(3.981)。计算过程如下：步骤一：求F in1。由上述公式可计算出表13-2 所列结果。,表 13-2 Fin1的计算,故可得：Fin1=1+0.778+2.204+0.066+1.025+0.464+2.396+0.485=8.418步骤二：求Fin2(见表13-3和表13-4)。,表 13-3 Fin2的计算 1,表 13-4 Fin2的计算2,故可得 步骤三：求Fin3(见表13-5)。,表 13-5 Fin3的计算,混频器前的总增益为可得 Fin3=1.984+1.984+0.628+0.628+0.198+0.198=5.62 步骤四：求FT:F=Fin1+Fin2+Fin3=8.418+0.63+5.62=14.668,步骤五：求接收灵敏度:13.2.5 接收机的选择性接收选择性亦称为邻信道选择度ACS,是用来量化接收机对相邻近信道的接收能力。当今,频谱拥挤,波段趋向窄波道,更显示了接收选择性在射频接收器设计中的重要性。这个参数经常限制系统的接收性能。,接收选择度的定义为它由下列五大部分组合而成:单边带相位噪声、本地振荡源的噪声、中频选择性、中频带宽、同波道抑止率或截获率。式中,ACS 对应于接收灵敏度的邻信道选择性,单位为dB;CR为同信道抑止率,单位为dB;IFS为中频滤波器在邻信道频带上的抑制衰减量,单位为dB;Bw为中频噪声频宽与邻信道频率的差值,单位为Hz；Sp为本地振荡信号与出现在频率为fLO+处的邻信道噪声的功率比，单位为dBc;PNSSB(dBc/Hz)是本地振荡信号在差频处的相位噪声,单位为dBc/Hz,如图13-8所示。,(13-11),图 13-8 本地振荡的频谱,13.2.6 接收杂波响应从中频端观察,所有非设计所需的杂波信号皆为噪声信号,而大部分的接收噪声信号来源于RF与LO的谐波混频。在实际应用中,不可能没有杂波,要看杂波功率是否在系统允许范围之内。由混频器的特性可知,RF、LO与IF三端频率的相互关系为 较常出现的接收杂波响应有下列三项:镜频 fRF2fIF、半中频fRF(fIF/2)、中频fIF,如图13-9 所示。,(13-12),图 13-9 常见的接收杂波响应,在双工收发机中,即发射与接收同时作用时,还会再多出现两项杂波,如图13-10 所示。,图 13-10 双工接收的杂波,13.2.7 接收互调截止点互调截止点是射频/微波电路或系统线性度的评价指标,由此可推算出输入信号是否会造成失真度或互调产物。接收机的互调定义与功放或发射机的互调定义类似,如图 13-11 所示。,图 13-11 n阶互调截止点,1.二阶互调截止点IP2 IP2 是用来判断混频器对半中频噪声的抑制能力的主要参数。对于一个接收系统中混频器的输入二阶互调截止点IP2INPUT的计算方式为,(13-13),计算实例：计算如图13-12 所示接收系统的IP2。已知参数见表13-6。,图 13-12 接收系统的IP2计算实例,表 13-6 已知条件,由式(13-13)可得IP2INPUT=40-(-2+10-3)+2(10+0+15)=85 dBm2.半中频杂波抑制度1/2-IFR 半中频杂波抑制度定义为 假设FM接收机的混频器IP2INPUT=50 dBm,系统的接收灵敏度S=-115 dBm,同信道抑止率CR=5 dB,由式(13-14)可计算出此接收器的半中频杂波抑制度为,(13-14),3.射频放大器的接收增益（13-15）其中,GT为射频放大器的接收增益,Famp为射频放大器的噪声系数,Gamp为射频放大器的增益,Fmixer为混频器的噪声系数,此参数会降低混频器的杂波抑制度,降低的值为其中n为杂波响应的阶数(n1)。对半中频而言,n=2。,4.三阶互调截止点IP3IP3是用来决定接收系统抵御内调制失真的能力,计算步骤如下：(1)绘出系统的电路方块图,并标明各级的增益(单位为dB)、三阶互调截止点(单位为dBm)。对于滤波器和衰减器,IP3=。(2)换算出各级的等效输入互调截止点,公式如下:,式中,IPn是第n级的等效输入三阶互调截止点,单位为dBm；IP3n是第n级的三阶互调截止点,单位为dBm；Gi是各级的增益,单位为dB。(3)将各级的等效输入互调截止点(IPi)的单位从dBm换算成mW：IPn(mW)=10IPn(dBm)/10(4)假设各级的输入互调截止点皆独立不相关,则系统输入三阶互调截止点为各级的输入互调截止点的并联值,即,(5)将系统输入三阶互调截止点(IP3INPUT)的单位从mW换算成dBm:IP3INPUT（dBm）=10 lg(IP3INPUT（mW）)计算实例：以图13-13为例,计算系统输入三阶互调截止点IP3INPUT。已知条件见表 13-7。,图 13-13 接收系统的IP3计算实例,表 13-7 已知条件,依据式(13-16),计算得IP3INPUT=8.02mW=9.04 dBm5.内调制抑制率IMR内调制失真用于描述系统的非线性特性,三阶内交调失真是最常发生的。内调制抑制率的计算公式为式中,IMR 为内调制抑制度,单位为dB;IP3 为等效输入三阶互调截止点,单位为dBm；S是接收灵敏度，单位为dBm;CR是同信道抑制率,单位为dB。,(13-17),计算实例：假设前例接收系统的S=-115 dBm,CR=5 dB,则其内调制抑制率为IMR=(29.04-2(-115)-5)=81 dB,13.3 全双工系统,在现代发射机和接收机系统中,通常使用一个天线工作。发射信号和接收信号靠双工器分开,可以用作双工器的射频/微波元件有高速开关、滤波器、环行器等。图13-14 给出了两个常用双工系统,图（a）适用于数据传输系统,开关控制发射与接收的切换,发射与接收频率相同；图(b)是异频双工,发射与接收频率不同,两个滤波器的中心频率不同,同时工作,互不影响,这个电路就是移动通信手机的工作方式。,图 13-14 两个双工系统,13.4 雷达基本原理,雷达用于无线电探测与测距。其基本原理是发射电磁波,检测由目标反射回来的回波信号,判断目标的位置或形状、运动特征。雷达的基本构成是发射机、接收机和天线。距离由回波时间确定,方位由回波方向确定,运动速度由回波的多普勒频移确定。,实际的雷达系统要复杂得多。要针对不同用途,设计某些特定指标和功能。通常雷达的波束窄,频带窄,功率大。雷达分类如下：(1)按安装位置分：机载、地面、舰载、空间、导弹等。(2)按功能分：搜索、跟踪、搜索和跟踪。(3)按应用分：交通管理、气象、避让、防撞、导航、警戒、遥感、武器制导、速度测量等。(4)按波形分：脉冲、脉冲压缩、连续波、调频连续波等。,13.4.1 雷达方程图 13-15 所示的雷达的基本结构由发射机、接收机、天线和目标组成。发射功率为Gt,回波为Gr,天线增益为GGtGr,天线有效面积为AeAetAer,目标散射截面为,则回波功率为这就是雷达方程。它给出了目标距离与雷达发射功率,天线性能和目标特性之间的关系。,(13-18),图 13-15 雷达基本原理,如果给定最小可检测功率Si,min,就可得到雷达的最大作用距离为接收灵敏度Si,min与接收机噪声系数有关,即,(13-19),(13-20),故作用距离为考虑极化失配、天线偏焦、空气损耗等系统损耗Lsys,则作用距离还要缩短,即,(13-21),(13-21),计算实例:已知35 GHz脉冲雷达指标如下,计算最大作用距离。(目标直径为 1cm。)Pt=2000kW,T=290 K,G=66dB,（S0/N0）min=10dB B=250 MHz,Lsys=10 dB,F=5 dB,n=10已知条件换算成雷达方程内所用形式为Pt=2106 W,T=290 K,G=66 dB3.98106（S0/N0）min=10dB=10,B=2.5108 Hz Lsys=10dB=10,F=5 dB=3.16,n=10 4.4510-5m2,k=1.3810-23 J/K,代入式(13-22),可算得Rmax=35.8 km。从式(13-22)中可以看出,回波功率随距离按4次方变化,目标越近,回波功率急剧增大。回波还与天线、系统损耗和目标散射截面有关。13.4.2 雷达散射截面（RCS）不同目标形状对不同频率的信号的回波特性不同。考虑图13-16所示两种形状的目标,从电磁波的几何特性就可估计到回波功率不同。,图 13-16 雷达散射截面,目标的雷达散射截面与工作频率和目标结构有关。通过Maxwell方程在给定边界结构下的严格求解可以得到目标的RCS。对于简单结构可以较为严格地求解,大部分情况下要进行数值计算,结合测量的方法才能得到近似的RCS。表 13-8 给出了人体在不同频率下的RCS。,表 13-8 人体在不同频率下的RCS,在厘米波段,常见物体的RCS的近似值如表 13-9 所示。,表 13-9 厘米波段常见物体的RCS近似值,雷达散射截面RCS还可以用dBSm表示,即散射截面相对于1 m2的dB值,如10 m2就是10dBSm。,13.4.3 脉冲雷达脉冲雷达在测距方面用途很广。图13-17所示为调制脉冲、发射微波脉冲和回波信号的关系。发射平均功率为回波脉冲与发射脉冲之间的时间差tR与距离和光速c的关系为,(12-23),(12-24),可以想象,tR必须小于Tp,也就是说最大可测距离为,(12-25),图 13-17 脉冲雷达原理,增加脉冲周期,降低脉冲频率,可以提高自由距离。回波脉冲与杂波的比限定了灵敏度,脉冲宽度与匹配滤波器的带宽的关系取为B1（13-26）比较合适。,13.4.4 连续波雷达 连续波雷达又称为多普勒雷达,用来检测运动目标,测量目标的运动速度。如果声波或光波的源与目标有相对的运动,振荡器的频率就会有变化,这个现象就是多普勒频移现象。若雷达的频率为f0,目标的相对运动速度为vr,雷达与目标的距离为R,则电磁波到达和离开目标时相位的变化为（13-27）,目标与雷达的相对运动会引起的连续变化,对应于一定的角频率的变化,即故,（13-28）,（13-29）,由于vr远小于c,f0 很大时,处于微波频段,fd才能明显地测出来。接收信号频率为f0fd,“”对应于目标靠近,“”对应于目标远离。对于目标运动与视线有夹角的情况(如图13-18 所示),有 vr=vcos（13-30）,图 13-18 目标运动与雷达视线,计算实例：警用雷达的工作频率为10.5 GHz,汽车以100 km/h的速度面向雷达,求多普勒频率。已知=0,f=10.5 GHz,vr=v=100 km/h=27.78 m/s,故由式（13-29）得fd=1944 Hz由于无需脉冲调制,连续波雷达比脉冲雷达简单一些。回波信号与发射信号混频,差频为多普勒频率,放大后测量频率即可得到目标的运动速度。频率测量方法有两种,经典的方法是用一系列滤波器区分多普勒频率,现在可用计数器直接读出多普勒频率或直接显示目标速度。发射接收之间用环行器或极化隔离,也可分别用发射天线和接收天线。,13.5 通信基本原理,射频/微波通信系统包括数据链、散射通信、卫星通信、移动通信、无线网络等。视距通信中，地球表面大约50km设一个站,卫星通信只需要三颗空间卫星站就能覆盖全球,提供大量图像和声音通信波道。,13.5.1 FRIIS传输方程考虑图13-19 所示的发射接收系统,接收到的功率为 天线的增益与有效面积的关系为故,（13-31）,（13-32）,这就是FRIIS功率传输方程,接收的功率与两个天线的增益成正比,与距离的平方成反比。如果接收功率等于接收灵敏度,Pr=Si,min,则最大通信距离为 考虑系统损耗Lsys和接收机的噪声系数,则,（13-33）,（13-34）,图 13-19 发射机与接收机示意图,计算实例：两路通信系统,10 GHz发射机的输出功率为100 W,发射天线增益为36 dB,接收天线增益为30 dB,系统损耗为10 dB,求40 km处的接收功率。解 在式（13-32）中考虑系统损耗,则,13.5.2 空间损耗电磁波在空间传播,功率与距离的平方成反比,假定两个天线相同,则由式（13-32）得,（13-35）,计算实例：计算4 GHz信号在35 860 km处的衰减。由式（13-35）计算得SL=3.611019196 dB13.5.3 通信链及信道概算考虑系统损耗数据链的计算可以用式（13-32）表示,即,（13-36）,换算成分贝,有Pr=Pt+Gt+Gr-SL-Lsys（13-37）计算实例：卫星与地面站如图13-20 所示,工作频率为14.2 GHz,波长为0.0211 m,地面站发射功率为1250 W,传输距离为37 134 km,星载接收机噪声系数为6.59 dB,波道带宽为27MHz。计算各级指标分配情况。由式（13-35）得 SL=207.22 dB,图 13-20 卫星通信信道示意图,卫表通信系统的指标分配如表13-10 所示。,表13-10 卫星通信系统的指标分配,星载接收机的输出信噪比为信噪比高,保证了系统在恶劣天气和温差情况下能够良好地工作。13.5.4 通信系统简介1.微波中继和卫星通信系统图13-21 给出了微波中继通信、散射通信和卫星通信示意图。图（a）为地面中继站,由于地球的曲率,要求接力站50 km左右设一个,保证视线能够看得见。图（b）依靠电离层或流星散射,将信号传得更远。图（c）利用地球同步人造卫星、星载接力站保证信号的传输质量,三颗卫星可以覆盖整个地球。,图 13-21 微波中继、散射通信和卫星通信,卫星通信的微波频率分配见表 13-11。上行是地面发射,卫星接收。下行是卫星发射,地面站接收。可见,卫通系统是异频双工,用滤波器实现双工器。,表 13-11 卫星通信的微波频率分配,2.个人移动通信和蜂窝通信系统在地面建立蜂窝式分布的基站,组网覆盖大面积区域,可以降低单个设备的发射功率,实现互相通信,如图13-22 所示。实际中,基站不一定严格按照六边形分布。这个系统的优点是:(1)每个基站只管一个小区域,比较小的发射机功率即可满足通信要求。(2)频率可以重复使用。图中,字母相同的区域可以使用相同的频率。,(3)如果通信拥挤时,大的蜂窝系统可以变为小的蜂窝系统。(4)基站间可以互通电话,不会产生干扰。(5)依靠开关系统可使得各个用户实现通信。,图 13-22 蜂窝通信系统原理,第一代移动通信是在20世纪80年代中期产生,采用模拟调频体制。第二代是数字调制,采用时分多址TDMA、频分多址FDM、码分多址CDMA三种形式。第三代移动通信系统尚未产品化使用。TDMA采用开关按照时间顺序接通不同通道。FDMA系统采用不同本振频率、滤波器和混频器把各个通道设定为一定的频率再混合成比较宽的频带发射。CDMA是扩频通信的形式,用伪噪声码（PN码）与已调制的通道信号相乘得到一个特定信号,每个通道的频率相同,PN码不同。通常的GSM系统是TDMA或FDMA。表13-12 给出了常见系统的指标。,表 13-12 常见系统的指标,3.无线局域网WLAN 无线局域网或无线办公室的工作频率为0.9020.928 GHz,2.4002.483 GHz,18.8218.87GHz，19.1619.21 GHz。发射功率小于 1 W。,