[工学]射频电路专题实验.ppt

射频电路设计专题实验 -基础知识部分,张安学 Email : A Tel :Office : 西一楼C361,第一章、绪论,常用无线电频段及其应用 射频微波主要应用领域 为什么要学射频电路专题实验课程 射频、微波与低频电路的区别 射频电路分析方法 射频铁三角 射频设计五大要素 实验说明,一、常用无线电频段及其应用,MW band,普通RF到MW的过渡,有时用特定的字母来代表微波中的某一波段，这些字母代号起源于早期雷达研究保密的需要.,二、射频微波主要应用领域,卫星通信： C波段：上行6GHz，下行4GHz Ku波段：上行15GHz，下行12GHz 卫星间通信：36GHz,个人通信： 移动GSM900: 905-909MHz,950-954MHz 移动GSM1800: 1710-1720MHz,1805-1815MHz 联通GSM900: 909-915MHz,954-960MHz； 联通GSM1800: 1745-1755MHz,1840-1850MHz 计算机无线网络：2.5GHz，5.8GHz，36GHz,全球定位系统： 1227.60MHz,1575.42MHz 雷达远程警戒：P、L、S、C 精确制导：X、Ka,无线通讯系统 射频发、收机电路方块图,降频器,RF滤波器,前置 放大器,IF带通滤波器,RF滤波器,LNA,IF滤波器,IF放大器,接收天线,功率分配器,发射天线,功率放大器,升频器,IF放大器,Base Processor Unit (BPU),Gain Controller,PAD,PAD,PLL,VCO,连续波多普勒雷达结构示意图,三、为什么要学射频电路专题实验课程,射频/微波电路是构成通信系统、雷达系统和微波应用系统中的发射机和接收机的关键部件； 新型半导体制造技术的不断发展使得高速数字系统和高频模拟系统的应用领域不断扩张。计算机的运算次数进入十亿次，其频率也是微波频率。超高速集成电路的互耦也是微波互耦问题。微波的研究已进入集成电路和计算机领域。 射频/微波电路给人们的印象是抽象的概念和繁琐的公式，射频/微波电路实验可以通过直观的系统实验让学生了解所学何用。,四、射频、微波与低频电路的区别,1. 在直流和低频领域，一般认为金属导线就是一根连接线,不存在电阻、 电感和电容等寄生参数。而在射频/微波领域，金属导线不仅具有自身的电阻和电感或电容,而且还是频率的函数。寄生参数对电路工作性能的影响十分明显,必须仔细考虑,谨慎设计,才能得到良好的结果。,2. 射频条件下的电路存在趋肤效应。在直流情况下，电流在整个导体中流动。而在高频条件下电流只在导体表面流动。高频的交流电阻要大于直流电阻；,直流电流均匀分布,集肤效应带来的直接效果是：导体柱内部几乎物，并无能量传输。,微波传输线与低频传输线有着本质的不同：功率是通过导线之间的空间传输的。导线（Guide Line）只是起到引导的作用，而实际上传输的是周围空间(Space)。,微波集肤效应,l=3cm、r0=2mm导线线损耗R： 直流 ：2.07 Ohm 10GHz：2.07*1515 Ohm,TE10,TE01模,矩形波导：,圆波导：,同轴线：,带线：,微带线：,3. 随着频率的增加，当波长与电路尺寸相比拟时，电路会变为一个辐射体。这时，在电路之间、电路和外部环境之间会产生各种耦合效应，因而引出许多干扰问题;,4. 由于频率高的特性，许多在中、低频不会发生的现象纷纷出现，其中因阻抗不匹配所产生的反射尤为重要，其次线路板上一条线上的两点间不能再视为“同电位”了，这条线已由“短路线”变为“传输线”。,五、射频电路分析方法,“场”的分析方法：从麦克斯韦方程出发,在特定边界条件下解电磁波动方程,求得场量的时空变化规律,分析电磁波沿传输线的各种传输特性； “路”的分析方法：将传输线作为分布参数电路处理,用基尔霍夫定律建立传输线方程,求得传输线上电压和电流的时空变化规律,分析电压和电流的各种传输特性。 到底是用“场”的方法还是用“路”的方法,应由研究的方便程度来决定。,场的方法,路的方法,六、射频铁三角,由于频率、 阻抗和功率是贯穿射频/微波工程设计的三大核心指标,故将其称为射频铁三角。它能够形象地反映射频/微波设计的基本内容。这三方面既有独立特性,又相互影响。,滤波器 ( LPF, BPF, ) 振荡器 压控振荡器(VCO) 倍频/混频/分频器,衰减器 ( PADs) 功率分配器 耦合器 放大器 (LNA, PA ),阻抗转换器 匹配网络 天线,七、射频/微波电路训练 五大要素,设计工具,仿真软件,布线软件 雕刻机,测试设备,RF Design,八、课程说明,参考书： 射频/微波电路导论 雷振亚，西安电子科技大学出版社 ADS2008射频电路设计与仿真实例 徐兴福，电子工业出版社 实验内容： 1. 匹配网络设计； 2. 衰减器设计； 3. 功率分配器/合成器设计； 4. 微波/射频带通滤波器； 5. 低噪声放大器设计； 6. 微带天线设计； 7. 通信系统链路仿真； 考核方式：现场验收、实验报告,第二章、射频电路基础,集总参数元件的射频特性 传输线理论 Smith 圆图 微波网络理论 回波损耗和插入损耗 关于分贝的几个概念,一、 集总参数元件的射频特性,1. 金属导线,在直流和低频领域,一般认为金属导线就是一根连接线,不存在电阻、 电感和电容等寄生参数。实际上,在低频情况下,这些寄生参数很小,可以忽略不计。当工作频率进入射频/微波范围内时,情况就大不相同。金属导线不仅具有自身的电阻和电感或电容,而且还是频率的函数。寄生参数对电路工作性能的影响十分明显,必须仔细考虑,谨慎设计,才能得到良好的结果。,2. 电阻,物质的体电阻,Ca：电阻引脚的极板间等效电容； Cb：引线间电容; L ：引线电感,电阻的阻抗绝对值与频率的关系,3. 电容,L ：引线电感； Rs：引线导体损耗 Re：介质损耗电阻,4. 电感,Cs：寄生旁路电容 Rs：引线导体损耗 L ：导线电感,二、传输线理论,微波传输线是用以传输微波信息和能量的各种形式的传输系统的总称, 它的作用是引导电磁波沿一定方向传输, 因此又称为导波系统。 其所导引的电磁波被称为导行波。将截面尺寸、形状、媒质分布及边界条件均不变的导波系统称为规则导波系统, 又称为均匀传输线。,1、常见微波传输线的类型,2、基本传输线理论,传输线波动方程：,无耗传输线：,2、终端带负载的传输线分析,反射系数：,负载反射系数：,性质 反射系数是针对传输线上的某一截面处的反射系数而言的； 反射系数的模是无耗传输线系统的不变量，在传输线上处处相等； 反射系数呈二分之一波长周期性；,归一化阻抗,归一化导纳,归一化阻抗、导纳和传输线的特性阻抗无关，即和传输线的形式无关，本性质为Smith阻抗圆图与导纳圆图的基础。,（1）终端接匹配负载,（2）短路负载,（3）开路负载,三、Smith 圆图,阻抗与反射系数是传输线上两个重要的电特性参数。数学公式上的联系可以简化为图解法。史密斯圆图是将归一化阻抗（z=r+jx）的复数半平面（r0）变换到反射系数为1的单位圆（|=1）内。已知一点的阻抗或反射系数,用史密斯圆图能方便地算出另一点的归一化阻抗值和对应的反射系数。史密斯圆图概念清晰,使用方便,广泛用于阻抗匹配电路的设计中。随着近年来电子版圆图的普及,使得史密斯圆图得到了大量应用。,1. Smith圆图的特点,串联电容：,串联电容后将沿电阻圆向下方旋转,2. 串、并联器件在圆图上的实现,串联电感：,串联电感后将沿电阻圆向上方旋转,串联电阻：,串联电阻后将沿电抗圆向电阻增大的方向旋转,串联传输线：,串联传输线后将沿如图所示的轨迹顺时针旋转,并联电容：,并联电容后将沿电导圆向下方旋转,并联电感：,并联电感后将沿电导圆向上方旋转,并联电阻：,并联电阻后将沿电纳圆向电导增加的方向旋转,并联终端短路传输线：,并联终端短路传输线后将沿电导圆逆时针方向旋转,并联终端开路传输线：,并联终端开路传输线后将沿电导圆顺时针方向旋转,微带串连传输线实现：,微带并联传输线实现：,四、微波网络,如果我们不关心微波元器件内部的场分布，而只对其外部特性感兴趣，可将传输系统中不均匀性引起的端口传输特性的变化归结为等效微波网络。,多端口网络,散射矩阵：,1.散射矩阵,sii为除i端口外，其余端口内向波为零（匹配）、且不接信号源时，第i端口外向波与内向波之比（第i端口的反射系数）。,sij为除j端口外，其余端口内向波为零（匹配）、且不接信号源时，第i端口外向波与第j端口内向波之比（第j端口到第I端口传输系数）。,Zii为除i端口外，其余端口电流为零（开路）时，第i端口的电压与电流之比，即其他端口开路时，第i端口的输入阻抗（自阻抗）。,Zij为除j端口外，其余端口电流为零（开路）时，第i端口的电压与第j端口电流之比，即除第j端口外，其余端口开路时，第j端口到第i端口的转移阻抗（互阻抗）。,2. 阻抗矩阵,五、回波损耗和插入损耗,回波损耗：回波损耗是表示信号反射性能的参数，回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。,插入损耗：插入损耗是指插入电缆或元件产生的信号损耗，通常指衰减。,六、 关于分贝的几个概念,dB：相对功率，信号功率与参考功率比值的对数，可用来描述增益或衰减。,dBm：绝对功率，以1mw作为参考功率，信号功率与参考功率比值的对数。,dBw：绝对功率，以1W作为参考功率，信号功率与参考功率比值的对数。,dBV：是电压单位，表示以1V作为参考电压，信号电压和参考电压的比值取对数乘20 。若