rf circuit design(topic 1)95645.ppt

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1、RF Circuit Design:Theory and Application,福州大学通信工程系许志猛,TOPIC 1,射频/微波工程基础,主要内容,射频技术简介射频/微波工程中的核心问题射频微波基础概念射频收/发机及主要器件介绍射频/微波电路的应用总结,射频电路的广泛应用,射频是什么频率？计算机主板电路工作频率越来越高移动通信 GHz其他无线通信系统如无线网卡、蓝牙技术、WiMAX、UWB、RFID、无线收费系统,无线通信的迅猛发展是近年射频与微波电路发展的最大推动力,通讯系统回顾,射频并没有严格的定义，通常是指30MHz 4GHz频段。,讯号源,发射端,频道（通道）,接收端,目的地,失

2、真,干扰,杂讯,衰减,无线通信系统基础框图,无线调制原理,常用无线电波频段分布,VSAT:Very Small Aperture Terminal,口径小于3m（1.2-2.8m）,DBS:Direct Broadcasting Satellite Service,ISM:Industrial Scientific Medical Band,常用移动通信系统频段分布,常用频带简称,VLF:Very low Frequency特低频(3KHz-30KHz)LF:Low Frequency低频(30KHz-300KHz)MF:Medium Frequency中频(300KHz-3000KHz)HF

3、:High Frequency高频(3MHz-30MHz)VHF:Very High Frequency特高频(30MHz-300MHz)UHF:Ultra High Frequency超高频(300MHz-3000MHz)SHF:Super High Frequency极高频(3GHz-30GHz)EHF:Extremely High Frequency至高频(300GHz-3000GHz),射频/微波的基本特性,似光性产生镜面反射，回波探测穿透性遥感技术，医学非电离性核磁共振微波波谱学信息性带宽大,频率升高有什么优、缺点？,分布参数的影响（一）,A,VAB 0,B,C,VAC 0,dAB,

4、dAC/2,“结构就是电路”是射频/微波电路的显著特征。,为什么需要开设新的课程？,此时基尔霍夫定律不再适用，Why？,分布参数的影响（二）,以开路/短路传输线为例,长度 l,射频电路的特点,一方面，随着频率升高到射频频段，通常在分析DC和低频电路时乐于采用的基尔霍夫定律、欧姆定律以及电压电流的分析工具，已不精确或不再适用。分布参数的影响不容忽略。另一方面，纯正采用电磁场理论方法，尽管可以很好地进行全波分析和计及分布参数的影响，但很难触及高频放大器、VCO、混频器等实用内容。,射频电路设计,对于射频设计工作，不仅仅是考虑分布参数的影响就够了，还包括从电路功能看，可能包括调制、解调、振荡、变频、

5、功率放大、低噪声放大以及天线等部分。从解决问题看，可能包括噪声、稳定性、阻抗匹配、EMI、EMC以及天线辐射等问题从工作性质看，可能包括布线、调板等。从解决问题的手段看，一方面是经验积累，另一方面是理论分析与仿真。,射频/微波工程中的核心问题,射频/微波工程中所要解决的核心问题有三大主要方面：频率阻抗功率由于频率、阻抗和功率是贯穿射频/微波工程的三大核心指标,故将其称为射频铁三角。它能够形象地反映射频/微波工程的基本内容。这三方面既有独立特性,又相互影响。,射频铁三角,Impedance TransformersMatching NetworksAntenna,Filters(LPF,BPF,

6、)OscillatorsVoltage-controlled Oscillator(VCO)Freq.Doublers/Multipliers/DividersMixers(Frequency Converter),Attenuators(PADs)Power SplittersCouplersAmplifiers(SSA,LNA,PA),Scalar/VectorNetwork Analyzer,Power Meter,Frequency Counter,Impedance Analyzer,Spectrum Analyzer,传输线：能传输电气能量的线。一般指长线。,比如：1m长的金属线。

7、依速度,c=f=3.0108m/s,If f=50Hz,=6000Km,f=300MHz,=1m,电压呈周期变化,则前者称为短线（导线），后者称为长线（传输线）。,导线电压、电流变化可忽略,射频/微波电路基本概念（一）,传输线基础,在电路操作频率较高及电路尺寸较大的情况下，导线长度接近信号波长的1/n时(一般n10)，则需将其视为传输线。,何时需要将一根导线视为传输线？,Examples:,808x-10 MHz,Pentium-4 1GHz,eeff=4 and board size 30 x 30 cm2 is assumedfmax=2 x clock frequency,传输线基础,试

8、问：上列两种CPU的主机板上的BUS线，哪一种情况下必须视为传输线？,传输线基础,长线传输线几何尺寸与其上所传输的电磁波的波长 还长或者可以比拟某一瞬间传输线上各点电压或电流大小和方向均不相同电路特性用分布参数表示短线传输线几何尺寸远小于其上所传输的电磁波长传输线上各点电压或电流大小和方向近似相等电路特性用集总参数表示电长度传输线几何尺寸与其上所传输的电磁波长的比值,同轴线,平行板传输线,带线,微带线,圆波导,矩型波导,脊波导,介质传输线,椭圆波导,介质杆传输线,双线,矩形介质杆传输线,常见传输线的类型,h,微带线的结构图,UWB Filter,射频/微波电路基本概念（二）,电路分类按传输线类

9、型分类按工艺分：微波混合集成电路：采用分离元件及分布参数电路混合集成微波集成电路（MIC）：采用管芯及陶瓷基片微波单片集成电路（MMIC）：采用半导体工艺的微波集成电路按有源电路和无源电路分,射频/微波电路基本常识（二）,微波混合集成电路,微波集成电路（MIC）,微波单片集成电路（MMIC）,射频/微波电路基本常识（三）,c=velocity of wave=3 x 108 m/sr=relative dielectric constant f=frequency of signal,Hz=wavelength of signal,m,射频电路常用参数指标（1）,dB为相对单位，dBm为绝对单

10、位。,双端口网络,P1,P2,射频/微波电路基本常识（三）,射频电路常用参数指标（2）,射频/微波电路基本常识（三）,F=Noise FigureNF(dB)=Noise FactorSNR=signal-to-noise power ratio,(SNR)in,(SNR)out,2-PortNetwork,射频电路常用参数指标（3）,射频/微波电路基本常识（三）,相位噪声,Single Sided Band Phase Noise,fo,fo+f,SSB Phase Noise(dBc/Hz)offset f,Spurs(dBc),RBW,RBW=ResolutionBand Widthof

11、 spectrumanalyzer,Example：The testing result is as follows:the SSB phase noise is less than-97.5dBc/Hz100KHz,and less than-120dBc/HzlMHz,the output power is large than 8dBm at the center frequency.振荡器在偏离载频100KHz时的相位噪声为-97.5dBcHz，在偏离载频1MHz的相位噪声为-120dBcHz。振荡器的输出功率大于8dBm。,射频电路常用参数指标（4）,不匹配：有劲使不上,匹配：最大功

12、率传输,ZS,ZL=ZS*即匹配(Matched),射频/微波电路基本常识（四）,匹配概念,传输线,源（激励）,微波元件,接收（负载）,传输线,射频/微波网络按网络与传输系统的通道口数目来分可分为：,一端口网络-与传输系统有一个联络通道 ex:Source/Load,二端口网络-与传输系统有二个联络通道 ex:Attenuator/Amplifier,三端口网络-与传输系统有三个联络通道 ex:Power Divider,四端口网络-与传输系统有四个联络通道 ex:Directional Coupler,射频/微波电路基本常识（五）,描述网络特性矩阵，根据不同定义，常用的有Z,Y,A,S四种。

13、,传输系统及网络,射频/微波电路基本常识（六）,常见射频信号接头各种电路模块需要用接插件连接起来。这种连接可以是硬连接,也可以通过电缆软连接。电缆分为柔性电缆、软电缆和半刚性电缆。工程中的具体选择由总体结构、成本与性能等因素决定。接头的特性见下页。这些接头都是阴阳配对使用。旋接时一手捏紧阴头端，另一手旋转阳头端螺套，使接头插针沿轴向拔出或插入，不应旋转阴头端，以免损伤插针和插孔。接头另一端焊接射频/微波电路或与合适的电缆相接。,频率低，中功率，低价,频率低，低价,小型化，现代多用,尺寸大，结构稳定,尺寸大，质量高,高频，高价，高质量,常见射频信号接头特性表,无线通信系统射频收/发机电路方框图,

14、RF滤波器,前置放大器,IF带通滤波器,RF滤波器,LNA,接收天线,功率分配器,功率放大器,升频器,IF放大器,BaseProcessorUnit(BPU),GainController,PAD,PAD,PLL,VCO,发射天线,下变频器,IF带通滤波器,IF放大器,主要器件介绍,功率衰减器功分器定向耦合器滤波器放大器振荡器压控振荡器微带天线混频器,射频/微波电路的应用,经典用途:通信和雷达系统最近发展最快的：个人通信系统 主要应用实例无线通信系统 雷达系统 导航系统 遥感 射频识别 医学应用,广播系统,汽车和高速公路,传感器,电子战系统,空间研究,无线输电,RF Circuit Desig

15、n总结（一）,普通电路分析方法适用的上限频率是多少？RF：VHF（30300MHz）S波段（24GHz）；MW：C波段（48GHz）及其以上射频/微波技术所涉及的是甚高频(VHF)到毫米波段或者P波段到毫米波段无线电信号的发射与接收设备的设计与生产。,RF Circuit Design总结（二）,什么特性使得电子元件的高频性能和低频性能有如此大的差别？分布参数模块的几何尺寸与信号的工作波长可以比拟同一功能的模块，在不同的工作频段的结构和实现方式大不相同“结构就是电路”是射频/微波电路的显著特征射频/微波电路的设计目标就是处理好材料、结构与电路功能的关系,RF Circuit Design总结（

16、三）,“新”电路理论是什么？基本理论经典的电磁场理论 射频电路的分析方法：“场”的方法基于麦克斯韦方程的设计方法“路”的方法基于基尔霍夫定律基本原理的设计方法射频电路基础理论：分布参数概念 双线传输线理论 微波网络理论理论如何应用于RF电路实际设计？,射频电路学习训练 五大要素,设计理论,布线、制板,电路测量,教材,设计工具,仿真软件,布线软件雕刻机,测试设备,传输线理论匹配理论功率衰減器功率分接器方向耦合器滤波器,放大器振荡器无线传输系统,提供电路设计程序MathCAD*.mcd filesTRL80WinSmithSimth V2.0CAD-MsANT,S11/S21量测功能测量功率功能频率测量功能另含多个电路模块,布线软件、PCB雕刻机,电路的模拟程序AnSoft_Designer SVAnSoft HFSSADS,THE END,作业与思考题在RF频段，基尔霍夫定律能否继续使用？为什么？若能使用，其前提是什么？,