射频系统讲座140304

射频系统概述射频链路基本构架射频链路关键指标射频收发信机的基础部件射频收发信机的指标分解和推算热噪声EMIEMC射频电路微型化和高集成度设计射频仿真软件1234567891000-02XpeedIC技术讲座何青松[e-mail]1射频部分是电子通信系统链路的一段，是电子信号链路中的电信号转化为电磁波信号并在空中传输的部分，射频信号用电磁波作为传输媒介，用电磁波的频率、相位、幅度的变化来表达信号，用以代替传输导线，实现远距离低成本传输信号。一条完整的射频链路，由发信机、空间信号、接收机三部分组成。发信机：电子信号变换到射频信号，放大后由天线发射电磁波信号到空间。接收机：天线接收空间电磁波信号，放大后转换问为电子信号。传输空间：地面大气层环境，自由空间，传输线等。自由空间传输损耗公式：Ls=32.45+20lgF+20lgD（F频率，单位为MHZ；D距离，单位为Km）距离增大一倍，信号减小6dB。移动通讯4G_LTE被分配在2到3GHz，但很想要回收利用以前广播电视的UHF频段(470_806MHz)，作为室内覆盖频率。GPS卫星离地高度约两万公里，L1信号频率1575.42MHz，发射功率40W，天线增益6dBi，地面信号最强度多少dBm？-128.4dBm.XpeedIC技术讲座射频系统02-102现代射频收发信机通常是数字超外差收发信机，基本架构如下图：收发信机：天线，射频放大，混频，中频放大，D/A变换+数字调制解调。RF前端指数字中频之前的所有电路。AD变换器也划归到RF专业，是因为AD变换后的数字信号才利于较远距离传输，AD变换器放置在RF单元之内。XpeedIC技术讲座射频系统10-153基础部件：天线单元：天线，双工器/合路器，传输线。射频放大单元：低噪声放大器，射频滤波器，驱动放大器，功率放大器。混频单元：混频器，频率源（晶体振荡器，TCXO，锁相环，VCO）中频放大单元：中频放大器，中频滤波器，中频AGC电路，调制解调单元：模拟调制解调器，A/D变换器，数字调制解调器。射频链路中的线性器件：只实现信号幅度变化，器件为线性器件(伏安特性线为斜直线)。天线，放大器，衰减器，滤波器，AGC/ALC电路，传输线等。线性器件，都要考虑它的线性度，也就是在多大的信号幅度内，正弦波不发生变形，不产生新的频率。常用1dB压缩点P1dB，三阶交调截取点IP3来描述放大器的线性度。射频链路中的非线性器件：利用器件的非线性特性，来实现信号频率或相位变换。混频器，AD/DA变换器，调制解调器，VCO(频率源)，倍频器，移相器等。非线性器件都是按照一定三角函数数学模型设计的，信号频率或相位按三角函数公式变化时，其幅度也会按照三角函数公式变化，单就幅度而言，也要求非线性器件对信号幅度的变换成线性，否则，也会产生新的非预期信号成分。要点：不产生非预期的新频率的信号。XpeedIC技术讲座射频系统15-204射频电路的最主要的特点是：电磁波信号载波是正弦波模拟量，频率高信号微弱，很多空间电磁波叠加在一起，容易被干扰和扭曲，寄生出其他信号。电磁波发射和接受经过多次幅度放大和频率变换，电路环节多结构复杂。射频电路参数要求多，要求高，而且参数之间相互制约。射频部件结构复杂尺寸大，高度集成比较困难。正因为空间中各种信号混杂，在时间轴上很难分辨，所以分析射频信号采用频域分析方法，频域分析方法的基础是傅立叶变换，要求射频工程师建立起区别去其他电子工程师的频域概念，用频点，频段的思维去研究电子信号。试问，用示波器和频谱仪加上宽带天线，观察室内电磁波信号，各是什么情况？画出1Hz和2Hz的信号叠加在一起的波形，即Y=cosx+cos2X。限幅正弦波，分解在频率轴上，可能会是什么情况？XpeedIC技术讲座射频系统20-255S参数：散射参数，基于入射波和出射波功率。S11:P1端口的反射波能量/P1端口的入射波能量(正向增益,衰减)S21:P2端口的获得波能量/P1端口的入射波能量(反射比)S12:P1端口的获得波能量/P2端口的入射波能量(反射比)S22:P2端口的反射波能量/P1端口的入射波能量(方向隔离度)S参数也是复数，包含了有波幅度和相位变化。实际常用S参数的绝对值(模)，表示有功功率的变化，并且常用dB记数。S参数也是随频率不同而不同的，S参数的频率响应曲线是最常用的射频电磁破描述方法。XpeedIC技术讲座射频系统25-30Z参数，Z0=50ohm高频电磁波，难以直接测量瞬时的电压，但是可以通过检波后，测量电压。测量的电压读数与负载相关，为了便于测量和描述电磁波，就规定了负载值，计量电磁波的功率。。不同阻抗的端口相接，会有能量反射，为了实现电磁波最高效率被传输和利用，相连接的端接口必须阻抗匹配。对于射频系统内众多的射频系统和部件器件，逐步规定出统一的阻抗，当今最常见的是50欧姆阻抗，曾经有300欧姆差分阻抗(平行双向为传输线，现在已经绝迹)，电视行业的75欧姆系统，现在也正在向50欧姆统一。但是实际上，每个射频部件的端口虽然被设计成50欧姆，并不是完全是纯电阻的50ohm,可能还有寄生的电感电容。还有好些器件，比如晶体管，不可能设计成输入输出端口是50欧姆，必须另外设计匹配电路，把它的端口变换为50欧姆。另外还有天线，空间特征阻抗时377欧姆，从阻抗匹配的角度看，天线是一个从50欧姆到377欧姆的阻抗变换器。Z参数不是纯电阻，还有电感电容特性，它是一个复数阻抗。Z=R+jX端口阻抗有电感电容特性，那它在不同频率的阻抗一定不同。因为感抗容抗都和频率成比例：XL=2πfLXC=1/2πfC端口阻抗绘制在圆图上，就是Smith阻抗圆图。6直流和低频时，电磁波能量绝大部分被限制在导体，可以理解为导体电子内运动携带能量或信号；高频时，电磁场辐射出导体，在周边空间也有很强的能力量，导体电子和周边电磁波同时携带能量和信号。良导体没有消耗能量，导体外的电磁场会在导体上形成交变电场，这个交变电场又在良导体周边形成电磁场，就形成了电磁波反射。对于任何电磁波位置，电磁波能量被反射，或者继续往前传输，或者被消耗（转化成热能量，其实也是电磁波，是电子无序运动，并通过所谓的热传导通道转移能量。能量守恒）。没匹配的端口，看上去就是上诉三种情况的综合，如果从很宽的频段来看，某些频率的电磁波恰好满足电磁反射的条件（波长和相位都正好）就反射，被传输或者被转化成热也一样。对于确定频率的信号，波长已经不能改变，只能改变相位，满足条件。让反射回来再次被反射调头，或者被消耗成热，不同相位的同频率波相加拂去也会改变。插接在两个原本不匹配的端口间的这个部件，就是匹配电路。一般都是LC电路，L延时C超前，恰当的组合，实现了摸个频率的电磁波的相位和幅度的改变，实现前后端口电波顺利传输。有时也有R电阻，用于消耗不需要的频率信号，或者消耗反射回来的信号。双端口部件级联，一般先匹配输出再匹配输入，就如疏通堵车。再调整其他参数。网络分析仪只有一个端口接在3dB衰减器的一端，3dB衰减器的另一端开路，试问，测量到的回波损耗S11为多少值？XpeedIC技术讲座射频系统30-357表征信号功率：热噪声功率，信号功率，载波功率，接收灵敏度，干扰容忍度等。表征信号频率和相位：工作频率带宽，调频调相调制度，相位噪声，时延群时延等。表征信号放大：增益和衰减，噪声系数，线性度，滤波特性，AGC动态等。表征信号保真的：器件线性度P1/IP2/IP3/IM3，滤波器特性，上下行隔离度，带内EMI等，带内平坦度，相位时延，相位误差，频率抖动，多径干扰，多普勒效应等。表征信号转换的：天线增益和方向图，混频器增益和隔离度，本振稳定度，A/D分辨率等。射频电路的所有指标，都是为了保真：尽可能保持，在杂乱的空间长途跋涉后的电磁波信号，和发射时的信号形状完全一样。关于分贝：dB=10lgP1/P2(一般用来描述功率，在电子学的射频专业和声学里面应用较多)描述信号绝对功率：dBm，dBw，dBuV（dBuV=dBm+107,Z0=50ohm)描述信号功率相对值：dB，dBc，(相对于Carrier)描述天线增益：dBi，dBd(i:initial原始d:dipole偶极子，0dBd=2.15dBi)分贝是一个记数方法，是历史产物，正在被科学记数法和国际单位制代替。还有类似的术语，也正在被代替。例如电压驻波比VSWR，dBuV，匹马力，英制单位等等。XpeedIC技术讲座射频系统35-508射频电路部件，实现正弦波Asin(ωt+φ)的幅度频率相位，按预想规则进行变化，以传递信息。在实际的通信系统中，从时间轴上看，射频信号一段时间内是一串完全相同的正弦波，调制只发生在一瞬间，正弦波发生了变化，并按新的波形持续一段时间，直到下一次调制。XpeedIC技术讲座射频系统45-50三角函数公式里，两个或多个正弦波，进行数学运算后，会产生新的频率的正弦波。射频电路中，为了实现频率变换，常用的三角函数公式：混频器：cosA*cosB=[cos(A+B)+cos(A-B)]/2倍频器：sin2A=2sinA*cosA调制解调器：cosA*cosB-sinA*sinB=cos(A+B)正交信号产生：SinA=cos(A+π/4)任何实物都有器两面性，如果这些变换产生的信号是不需要的，就是干扰，甚至正好落在工作信号的频带上，形成致命干扰。9射频电路分析有很多公式和分析软件，特别是Agilent的系统级分析软件很多，基本方法都是：明确各个部件指标，推算出级联后总体指标。增益：级联相加（前提是所有部件不能??）噪声：和信号同比例增加，而且增加的更快(噪声也是信号，只是是否需要)线性度：信号幅度越来越大，处理信号的部件线性度要求越来越高。IM3/IP3，P1等。频响曲线：增益频率曲线，噪声频率曲线，脱敏频率曲线等频率响应曲线。信号变换：调制解调，A/D和D/A，频率源XpeedIC技术讲座射频系统55-6010典型放大器匹配电路设计工作直流偏置电压电流计算交流扼流圈选择输出输入端口匹配电路PCB布局规范RF线阻抗计算接地和接地孔牢靠通过仿真，定性LC器件取值变化所对应S参数。调试时兼顾各项指标。XpeedIC技术讲座射频系统65-7011电磁波是实实在在的能量，是虚拟的电场和磁场环环相扣的电磁场，空间电磁波不需要没有地。电信号，电源，都讲在Ground，到地什么是Ground？信号地就是一个参考点，认为这个点电位为0，仅仅是个接地符号。在电路板上，往往是最大片的到处都铺满的铜层。在采用市电供电的电系统，信号往往都接到了接地线上，然后接到了地球上。但是个人手持电子产品(除开充电时)，并没有这样。干净的电源正端，也可以看作是交流信号的地。地，大地，安全地，对于地球上的电子系统，地球才是真正的地。地是大面积的导体，但不是超导体，所以所谓地的各点之间仍然有微弱的电位差，会让原理图上的地，变得不严格。尽量做理想的地，比划分出不够好的数字地模拟地射频地，更加便于实施，也更能有效地抑制意外的EMI发射。PCB板上器件要接地尽可能严格，多层PCB可以设置一层完整的铜形成地，通过管脚附近的via尽快接地。如果分了多块地，每块地不要串联，要以总线方式，并接在一块主地上。XpeedIC技术讲座射频系统75-8012热噪声：在高于绝对0°(-273℃或0K)的任何温度下，物质中的电子都在持续地做无规则热运动。热噪声功率Np=KTB(功率单位为W,Kb是玻尔兹曼常数1.38×10(-23)J/K,T是绝对温度单位为K,B是带宽单位为Hz)室温23摄氏度，带宽为1Hz时，热噪声功率为：Np=1.38e-23*296=0.409e-20=-203.9dBW=-173.9dBm这就是常说的基底噪声：-174dBm/Hz（-174精确在288.5K,15.5摄氏度）噪声永恒，除非超导。所以，工作带内，热噪声和信号永不分家，一起被放大和