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射频技术入门 三旗硬件部王杨2007 08 01 Index 射频行为损耗与增益分贝带宽环境中的射频匹配 射频硬件天线放大器滤波器混频器振荡器开关衰减器分配器耦合器 射频行为损耗与增益所有器件 有源和无源 都或者显示损耗特性 或者显示增益特性 如果出来的信号小于进来的信号 表明该器件有损耗 有很多具有损耗的器件 一些是无源的 一些是有源的 一个大的射频信号进去 变成一个小的射频信号出来 剩下的那部分没有出来的信号则转变成了热能 表现出损耗现象的器件将变暖 损耗越多 就越热 甚至熔化 这就是为什么无源器件中对功率的处理能力是非常重要的 增益 如果放大器输出的信号是输入信号的10倍 则该放大器的增益是10 如果有两个这样的放大器串接 增益结果将是100 而不是20 即信号放大10后 再放大10倍 最后的信号是原始信号的100倍 插入损耗 如果从一个无源器件出来的信号是进入信号的1 100 那么该器件的损耗为100 即将数据信号除以100可以得到输出信号的幅度 将信号通过一个无源器件所经历的损耗称为插入损耗 射频行为 cont d 分贝发射机发射的信号可能会是到达接收机信号的十亿倍 乘或除这么大的数字是很难把握的 于是就出现了使用加减法来代替乘除法的对数 在射频之中 只需要知道有关对数的两样东西 其一 对数是两个值的比值 其二该比值的单位是分贝 dB 其定义是10lg 输出功率 输入功率 如前所述 放大器的增益是100 换算成分贝 就是增益为20dB 只需要记住两种dB的转换就可以进行简单的分贝转换 3dB指的是2倍大 乘以2 10dB指的是10倍大 乘以10 3dB指的是减小到1 2 除以2 10dB指的是减小到1 10 除以10 E g 如果信号经历的增益为4000 那么增益为多少dB 4000 2X2X10X10X10 3dB 3dB 10dB 10dB 10dB 36dB 射频行为 cont d 带宽带宽是描述频率范围的方法 它等于器件或应用中最高频率和最低频率的差值 所以需要两个频率值来定义带宽 有时带宽也用百分比来表达 它等于实际带宽除以上下频率的平均值 带宽和数据承载能力 数据速率 有直接关系 无线系统的带宽越宽 在一定时间内所承载的数据就越多 所以数据速率就越高 带宽的另外两个术语就是倍频和十倍频 倍频和十倍频来源于对数算法 其中倍频是指两倍大 十倍频是指10倍大 如果器件的上边频是下边频的2倍大 那么器件具有倍频带宽 射频行为 cont d 环境中的射频趋肤效应 产生趋肤效应的原因是由于感抗的作用 导体内部比表面具有更大的电感L 因此对交流电的阻碍作用大 使得电流密集于导体表面 趋肤效应使得导体的有效横截面减小 因而导体对交流电的有效电阻比对直流电的电阻大 自由空间损耗 自由空间是指相对介电常数和相对导磁率都为1的均匀介质所存在的空间 它是一个理想的无限大的空间 是为简化问题研究而提出的一种科学抽象 自由空间无线电波传播 仅考虑由能量扩散引起的损耗 即接收机和发射机之间是无任何阻挡的视距路径时的传播损耗 吸收e g 微波炉内辐射水容易接收的某个频率的射频信号 当射频信号遇到水时 信号变得越来越小 谁就变得越来越热 这就是没有水的东西在微波炉里无法变热的原因 反射 射频频率和物体材料两个因素有关 如金属就会发生完全反射 混凝土发生部分反射 射频行为 cont d 匹配50欧姆的含义 二次世界大战器件 军队需要连接一些碰巧是50ohm阻抗的天线 结果他们开发了一些50ohm的电缆 后来称为RG 58 一旦他们有了这些电缆 其他所需要连接的东西都只能向50ohm看齐了 50ohm不是最佳的 拿电缆来说 75ohm的性能更加 即衰减更小 因为他是近期开发的 75ohm是用于有线电视中的阻抗 相应的有两种阻抗标准 射频用50ohm和视频用75ohm VSWR 电压驻波比 是描述匹配情况的数字度量 匹配越好 泄露越小 它没有度量单位 表达方式是X 1 X越大 泄露越多 射频硬件天线天线可以使有源器件也可以是无源器件 有源天线仅仅是比无源天线在内部多了一个放大器 天线的大小和形状取决于3个因素 天线需要处理的频率 无线电波传播的方向 天线发送或接收的功率 天线增益 与平常理解的增益不同 射频能量的绝对值并没有真正变大 这是方向增益而不是功率增益 是相对于各向同性天线的增益 度量单位为dBi 极化 当射频波在空中传播 正弦波自身有方向 垂直或水平 垂直极化正弦波传播时会上下变化 水平极化正弦波传播是会左右变化 极化是一种方法 把两个相同频率的不同信号同时放到同一个地方 理论上 通过使用水平和垂直极化 在同样的带宽内 可以实现2倍的转换 射频硬件 cont d 放大器放大器的三个基本属性 增益 噪声系数或输出功率 线性 放大器主要分三类 低噪声放大器LNA 高功率放大器HPA和其他 增益 使用dB度量 描述输出信号比输入信号大多少 噪声系数 低噪声放大器用于监听非常小的射频信号 所以他们必须非常安静 LNA的安静度量叫做噪声系数 NF 单位dB 噪声系数越低 LNA可以听到的信号越小 输出功率 HPA的基本属性之一就是输出功率 用W或dBm来度量 一般来说 功率越高越好 dBm的含义是比1mW大的dB数 1dBm 10lg 功率值W 1mW e g 30dBm等于1W 一个HPA并不意味着它很大的输出功率 但意味着它是发射器的最后的放大器 射频硬件 cont d 放大器 cont d 线性 用来度量放大器使信号形状失真的程度 射频载波的微小变化部分实际上都包含着信息 因此不需要的信号形状会使信息严重失真 传输曲线是一种可视化的方法来描述线性的概念 就是放大器的输出功率对输入功率的图 在A点之前的范围被称为放大器的线性区 要避免信号失真 放大器必须在这个区域内工作 ACPR 邻近信道功率比 ACPR度量了干扰或者说是相邻频率信道功率的大小 通常定义为相邻频道 或偏移 内平均功率与发射信号频道内的平均功率之比 ACPR描述了由于发射机硬件非线性造成的失真大小 ACPR对于WCDMA发射机来说是至关重要的 因为CDMA调制在调制载波中产生紧密相邻的频谱成分 这些成分的互调制导致中心载波两侧频谱的再生 发射机的非线性将使这些频谱再生成分进入相邻信道 射频硬件 cont d 滤波器任意时刻都有许多看不见的射频波以各种频率游荡在空气中 所有这些游荡的波试图通过接收机的天线进入接收机 并且许多都成功了 一些信号甚至通过了LNA 这些地方正是需要滤波器的地方 让许多可接受的信号进入 拒绝其他所有无用信号 滤波器分为四种 高通 低通 带阻 带通 通常来说 滤波器是无源器件 通过改变它们的插入损耗来工作 插入损耗是频率的函数 称为滤波器的频率响应曲线 双工器 把发射和接收的两个滤波器放入一个器件里 在WCDMA中使用 SAW滤波器 SAW表示声表面波 工作原理 首先 将射频信号转化为声音信号 然后将不需要的声音信号滤掉 最后把声音信号转化为射频信号 需要注意的是 放大器不是唯一有1dB压缩点和三阶互调点的器件 象滤波器这样的无源器件也有这些参数 在无源器件中 这两种参数测量的不是器件的输出功率 而是在不引起信号失真的情况下 器件能处理的功率 射频硬件 cont d 混频器混频器的目的就是改变信号的频率但保持信号的其它特性不变 两个信号 频率为f1和f2 进入混频器后 会出来两个不同的信号 f1 f2 f1 f2 其中有一个信号是不需要的 会在混频器后面跟一个滤波器将其滤掉 实际上 当两个信号进入混频器 输出的并不是两个很干净的信号 许多信号以各种频率出来了 这些不需要的信号被定义为噪声 混频器会将噪声引入到系统 这也是混频器后面有滤波器的另一个原因 混频器的一共有三个端口 两个输入端口 一个输出端口 三个端口的频率范围越宽 混频器损耗越大 性能越差 无源混频器会表现出插入损耗 为了区别 混频器中的插入损耗叫做转换损耗 CL CL越低越好 另一个重要参数是噪声系数 NF NF越低越好 射频硬件 cont d 振荡器给混频器提供一个输入的振荡器叫做本地振荡器 LO 所有的振荡器都是有源器件 理想状态是 接上电源之后 输出一个完美的预定频率的正弦波信号 振荡器有很多种型号 但是他们的目标是相同的 在给定的条件下 温度 频率等 提供最完美的正弦波 我们用得比较多的是TCXO 温补晶体振荡器 表现为准确的温度控制 射频硬件 cont d 开关所有的开关都是有源设备 就是说它们需要一定的功率来实现功能 有两个关键性能参数 损耗和转换速度 损耗分为两种 插入损耗和隔离度 在开关中插入损耗是1dB或者更小 最小的有用的隔离度大约是20dB e g MurataLMSM32AA 533 集成了SAW 使用在进入射频功放之前 用于降低Tx对Rx的干扰 射频硬件 cont d 衰减器衰减器就是反放大器 信号通过衰减器之后 功率会降低 减少的信号转换为热量散失了 衰减器分为 固定衰减器 电压可变衰减器 数字衰减器 其中固定衰减器是无源器件 电压可变衰减器与数字衰减器为有源器件 各种类型的衰减器的主要参数是准确性 无论是固定的还是可变的 衰减值不仅要求量的确切值 而且衰减值不能随时间 温度或其他因素改变 射频硬件 cont d 分配器分配器负责信号分配 分配器也叫功率分配器 简称功分器 所有的分配器都是无源器件 在实际测试中会使用到功分器 尤其是在进行RX性能测试的时候 射频硬件 cont d 耦合器信号从IN进入耦合器 信号从OUT输出 此外 当信号从IN到OUT的过程中 信号的一小部分被虹吸掉 在COUPLNG被取出来 被称作取样端口 一个耦合器对一个射频信号采样 如果有不对的地方 返回时就告诉其他器件进行改变 耦合器的类型 定向和双向 定向耦合器意味着它只有一个采样端口 只在一个方向工作 双向耦合器有两个采样端口 可以在两个方向上工作 正交耦合器 几乎与双向功率分配器完全一样 它的输出功率在两个输出间被均分 两个输出是反相的 射频系统卫星通信卫星技术是为解决RF行为视距传输局限而提出的 携带足够能量的任何防线的发射信号都能达到它的目的地接收机 这都是针对短距离而言 当RF信号需长距离传输时 就会出现问题 接收机由于地球存在曲率而被阻挡 携带足够能量的RF信号进行长距离传输时会发生的情况就是 信号奔向太空 正因为这样 FCC才能给在不同地方的不同呼叫方分配相同的频率 低频信号 频率小于30MHz RF能量收到电离层反射 而沿地球传播 卫星不需要接收这个频段的信号 同步卫星 在赤道上方22 000mile 在这个轨道上 卫星绕地球转动的速