射频电路-实验指导书

实验一：滤波器（Filter）一、实验目的：1.了解基本低通及带通滤波器之设计方法。2.利用实验模组实际测量以了解滤波器的特性。二、 实验设备： 项次设备名称数量备注1MOTECH RF2000 测量仪1套2低通滤波器模组1组RF2KM6-1A，（mod-6A） 3带通滤波器模组1组RF2KM6-1A，（mod-6B）4示波器1台550 BNC 连接线2条CA-1、CA-261M BNC 连接线2条CA-3、CA-4三、 实验理论分析：（一） 滤波器的种类 以信号被滤掉的频率范围来区分，可分为低通（Lowpass）、高通（Highpass）、带通（Bandpass）及带阻（Bandstop）四种。若以滤波器的频率响应来分，则常见的有巴特渥兹型(Butter-worth)、切比雪夫I型(Tchebeshev Type-I)、切比雪夫型(T chebeshev Type-)及椭圆型(Elliptic)等，若按使用元件来分，则可分为有源型及无源型两类。其中无源型又可分为L-C型(L-C Lumped)及传输线型(Transmission line)。而传输线型以其结构不同又可分为平行耦合型(Parallel Coupled)、交叉指型(Interdigital)、梳型(Comb-line)及发针型(Hairpin-line)等等不同结构。本实验以较常用的巴特渥兹型(Butter-worth)、切比雪夫I型 (Tchebeshev Type-I)为例，说明其设计方法。 首先了解Butter-worth及Tchebeshev Type-I低通滤波器的响应图。(a) Butterowrth (b) Tchebyshev Type 其中 rp(dB)是通带纹波(passband ripple), N为元件级数数（order of element for lowpass prototype）为截通比（stopband-to-passband ratio），= fc / fx (for lowpass) = B Wp / BWx (for bandpass)其中 fc是-3 dB截止频率（3 dB cutoff frequency） fx是截止频率（stopband frequency） BWp是通带频宽（passband bandwidth） BWx是截止频宽（stopband bandwidth）Tn(w)为柴比雪夫多项式(Tchebyshey polynom als)其中，图6-1(a)(b)即是三级巴特渥兹型B（3，）与三种不同纹波和级数的切比雪夫型的截通比响应的比较图。理论上，在通带内巴特渥兹型是无衰减的（Maximun flat），而切比雪夫型较同级数的巴特渥兹型有较大的衰减量。实际应用上，除非在通带内要求必须是平坦响应（flat response）外，大多允许通带少量的衰减而采用切比雪夫型以获得较大的截通效应或减少元件级数。 图6-1（a）巴特渥兹型与切比雪夫型通带响应比较图 图6-1（b）巴特渥兹型与切比雪夫型截通带响应比较图 其中 B（3，）是指三级巴特渥兹型的衰减响应 T（0.25，3，）是指纹波为0.25dB 的三级切比雪夫型的衰减响应 T（0.5，5，）是指纹波为0.5dB 的五级切比雪夫型的衰减响应 T（1，7，）是指纹波为1dB 的七级切比雪夫型的衰减响应（二）低通滤波器设计方法： （A）巴特渥兹型（Butterworth Lowpass Filter） 步骤一：决定规格。 电路阻抗（Impedance）：Z0（ohm） 截止频率(Cutoff Frequency)：fc(Hz) 截通频率(Stopband Frequency)：fc(Hz) 通带衰减量 阻带衰减量 步骤二：计算元件级数(Order of elements,N). , N取最接近的整数 步骤三：计算原型元件值（Prototype Element Values，gK）。 步骤四：先选择串L并C型或并C串L型，再依据公式计算实际电感电容值。（a）串L并C型 （b）并C串L型 （B）切比雪夫I型(Tchebyshev Type-I Lowpass Filter) 步骤一：决定规格。 电路阻抗(Impedance): Zo(ohm) 截止频率(Cutoff Frequency): fc(Hz) 阻带频率(Stopband Frequency): fx(Hz) 通带纹波量(Maximum Ripple at passband): rp(dB) 阻带衰减量(Minimum Attenuation at stopband): Ax(dB) 步骤二：计算元件级数(Order of elements,N). ， 其中 N取最接近的奇整数。 采用奇整数是为了避免切比雪夫低通原型在偶数级时，其输入与输 出阻抗不相等。 步骤三：计算原型元件值(Prototype Element Values,gk)。 其中 步骤四：先选择串L并C型或并C串L型，再依据公式计算实际电感电容值。（a）串L并C型 （b）并C串L型（二）带通滤波器设计方法： 步骤一：决定规格。 电路阻抗(Impedance): Zo(ohm) 上通带频率(upper passband edge frequency): fPU(Hz) 下通带频率(lower passband edge frequency): fPL(Hz) 上截止频率(upper stopband edge frequency): fXU(Hz) 下截止频率(lower stopband edge frequency): fXL(Hz) 通带衰减量(Maximum Attenuation at passband): AP(dB) 阻带衰减量(Minimum Attenuation at stopband): AX(dB) 步骤二：计算元件级数(Order of elements,N) 。 其中 （1）巴特渥兹型(Butter-worth) ， N取最接近的整 数 . （2）切比雪夫I型 (Tchebeshev Type) ，N取最接近的奇 整 数 步骤三：计算低通原型元件值（Prototype Element Values,gk），其公式如前所示。并选择串L并C型或并C串L型，计算出实际电容（Cp）、（Ls）值。 （a）串L并C型 （b）并C串L型 步骤四：计算带通原型元件变换值。由低通原型实际元件值依据下列变换对照表计算出带通原型实际元件值，并用带通原型变换电器取代低通原型电路元件，以完成带通电路结构。低通原型电路元件带通原型变换电路变换公式CpLpCp电容 电感LsCsLs图6-1(a) N=5 串L并C型低通滤波器电路原型图6-1(a)N=5并C串L型低通滤波器电路原型 图6-1(c) N=5 串L并C型带通滤波器电路原型 图6-1(d) N=5 并C串L型带通滤波器电路原型四。、设计实例：（一） 设计一个衰减为3dB，截止频率为75MHz的切比雪夫型1dB 纹波LC低通滤波器（Zo=50ohm），并且要求该滤波器在100MHz至少有20dB 的衰减。 解： 步骤一：决定规格。 电路阻抗(Impedance): Zo = 50ohm 截止频率(Cutoff Frequency): fc = 75MHz 截通频率(Stopband Frequency): fx = 100MHz 通带衰减量(Max. Attenuation at cutoff frequency): Ap = 3dB 阻带衰减量(Min. Attenuation at stopband frequency): Ax = 20dB 步骤二：计算元件级数(Order of elements,N) 。 , N取最接近的整数. N=5 步骤三：计算原型元件值(Prototype Element Values,gk) 。g1g2g3g4g52.20721.12793.10251.12792.2072 步骤四：选择并C串L型。 C1C2C3C4C5理论值93.658pF119.67nH131.65pF119.67nH93.658pF采用值94pF120nF132pF120nH94 pF 实验二：放大器设计（Amplifier Design）一、实验目的：1.了解射频放大器的基本原理与设计方法。2.利用实验模组实际测量以了解放大器的特性。二、 实验设备： 项次设备名称数量备注1MOTECH RF2000 测量仪1套2放大器模组1组RF2KM7-1A，（mod-7A）（mod-7B）3示波器1台450 BNC及1M BNC 连接线4条CA-1、CA-2 、CA-3、CA-45直流电源连接线1条DC-1三、 实验理论分析：一个射频晶体放大顺电路可分为三大部分：二端口有源电路 、输入匹配电路及输出匹配电路，如图7-1所示。一般而言，二端口有源电路采用共射极（或共源极）三极管（BJT、FET）电路，除有源器件外，还包括直流偏压电路。而输入匹配电路及输出匹配电路大多采用无源电路，即是利用电容、电感或传输线来设计电路。一般放大器电路，依信号输入功率不同可以小信号放大器、低噪声放大器及功率放大器三类。而小信号放大器依增益规格及设计参量，可分成最大增益及固定增益两类。而就S参数设计参量则可有单边设计及双边设计两种。本单元仅就小信号放大器来说明射频放大器之基本理论及设计方法。二端口有源电路输出匹配电路 输入匹配电路SIN = S11LGOS = IN*L = OUT *GS GL OUT = S22图8-1放大器电路方块图R SR L（一） 单边放大器设计（Unilateral Amplifier Design）所谓单边设计即是忽略有源器件S参数中的S12，即是S12=0。此时可得IN = S11 及 OUT = S22则放大器之单边转换增益(Unilateral Transducer Gain,GTU)为 其中 假若电路又符合下列匹配条件S = S11* 及 L = S22*则可得到此放大器电路之最大单边转换增益(Maximum Unilaterla Transducer Gain,GTU,max) （二） 双边放大器设计(Bilateral Amplifier Dseign)双边设计即是考虑有源器件S参数中的S12，即是S120。此时可得 及 若利用最大增益匹配法（亦称共轭阻抗匹配法），则可得 S =IN* 及 L =OUT*经过推导可利用下列公式计算出最佳输入反射系数Sm和最佳输出反射系数 Lm 。 ，其中 （三） 单边设计评量因子（Unilateral Figure of Merit , M）在判断有源元件是否适用单边设计时，主要看它的评量因子是否够小。一般而言，当M值小于0.03或-15dB 时即可采用单边设计。其计算公式如下：最大增益误差比则为 其中GT是有源元件的转换增益(Transducer Gain) （四） 放大器的稳定条件（Stability Criteria）（1） 无条件稳定Unconditionally stable）一个良好的放大器设计电路除考虑增益和输出入匹配外，沿须考虑放大器在工件频段中是否为无条件稳定，以避免电路产生振荡。对于一放大器电路而言，其有源器件在S=0及 L=0情况下，无条件稳定之充要条件为K 1 ， |S11| 1 且 |S22| 1，|S11| 1，|S22| 1 而条件稳定则是|cS| - rS| 1，|S11| 1 或 |cL| - rL| 1，|S22| 1| S22 | 1| S11 | 1 稳定区域(斜线区)图7-2(a)无条件稳定圈示意图不稳定区域(交叉区)稳定区域(斜线区)| |cS| - rS | 1| S11 | 1| |cL| - rL | 1| S22 | 0.03，所以不可以用单边设计，而须采用双边设计。经双边设计计算公式，可得 最佳输入反射系数 Sm=0.821172.6o最佳输出反射系数 Lm=0.78741.2o最大转换增益 GTmax=20.821dB。 本例中最佳输入反射系数和最佳输出反射系数经匹配F0，再加入偏压电路后，可得下列放大器电路及模拟结果。图7-3 (a)放大器电路图图7-3(b) 模拟结果 实验三：振荡器设计（Oscillator Design）一、实验目的：1.了解射频振荡器的基本原理与设计方法。2.利用实验模组实际测量以了解振荡器的特性。二、 实验设备： 项次设备名称数量备注1MOTECH RF2000 测量仪1套2振荡器模组1组RF2KM8-1A3示波器1台450 BNC及1M BNC 连接线4条CA-1、CA-2 、CA-3、CA-45直流电源连接线1条DC-1三、 实验理论分析： 一个射频晶体振荡器电路可分为三大部分：二端口有源电路、谐振电路及输出负载匹配电路，如图8-1所示。一般而言，二端口有源电路采用共射极（或共源极）三极管（BJT、FET）电路，除有源元件外，还包括射极（或源极）反馈电路及其直流偏压电路。而谐振电路及输出负载匹配电路大多采用无源元件电路,即是利用电容、电感或传输线来设计电路。一般振荡器电路可以稳定振荡的条件有三个： （一）二端口有源电路的稳定因子(Stability Factor)，K必须小于1，即K 1 。二端口有源电路 无源谐 振电路 输出负载 匹配电路Sin = 1 Lout = 1 K 1|L | 1 |S | 1图8-1振荡器电路方块图及振荡条件 根据上述的理论,可以依下列步骤利用S参数设计一振荡器. 四、 实验设计步骤：步骤一：设定振荡频率(f0)与输出负载阻抗(RL)。一般射频振荡器的输出负载阻抗设定为50。步骤二：依据供应电源选用半导体、元件及设定三极管的偏压条件(VCE,IC)，决定出在该振荡频率下的三极管的S参数(S11,S21,S12,S22)。步骤三：将步骤二所获得的S参数代入下列公式以计算出稳定因子K的值。 其中 步骤四：检查K值是否小于1。若是K值不够小时（最好为负数），可使用射极（或源极）反馈电路来降低K值，如图8-2（a）所示。步骤五：将反馈电路的Z参数（Zf）与三极管的Z参数（Za）串加在一起以获得新的二端口有源电路的S参数（Sm） 。公式如图8-2（b）中所列。有源元件Za反馈电路 Zf二端口有源电路Zm Zm = Za + Zf 图8-2(a) 主动元件与回授电路的串接 图8-2(b)Z参数与S参数之转换公式步骤六：利用下列公式计算出负载稳定圈（Load stability circle）的圆心（A）与半径（b），并绘出以L 为主的史密斯圆圈，如图8-3所示。同理亦可计算出振源稳定圈（Source stability circle）的圆心（C）与半径（d）.负载稳定圈|S- A|= b(|S|= 1)经1/S22映射至L 平面bA|S|= 1|L|= 1|S| 1及 |S| 1|S|S1a|，如图8-4所示。 步骤十一：分别将Z f、Z S、Im ZL1a 转成实际元件值, Z f、Z Cs可选用电容或传输线，Im ZL1a 则可选用电容、电感或传输线。 （1）反馈电路（a） 若选用电容或等效传输线，其值公式为 或 传输线阻抗Zo，长度为 （b） 若选用电感或等效传输线，其值公式为 或 传输线阻抗Zo, 长度为 （2）谐振电路(a) 若选用电容或等效传输线，其值公式为 1 2f0|ZS| CS= 或 传输线阻抗ZO, 长度为(b) 若选用电感或等效传输线，其值公式为 2f0 |ZS| LS= 或 传输线阻抗ZO, 长度为 （3）输出负载匹配电路（a） 若Im ZL1a 0则选用并联电感或等效匹配传输线 五、 实验设计实例： 试利用AT41511设计一800MHz放大器。其中电源为12VDC，负载阻抗为50。AT41511之S参表(VCE=8V，IC=25mA，Zo=50，TA=25)如下列。Freqency(GHz)S11S21S12S22Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.0.50.49-15312.7980.030500.42-350.60.48-15910.7940.034520.39-350.70.48-1639.3900.037530.38-350.80.47-1678.2870.040550.37-360.90.47-1707.3850.044560.36-371.00.47-1716.6820.047570.37-381.50.441774.9710.065590.40-422.00.411633.4610.083580.42-45设计结果：（1） 经公式计算可得有源元件之原始K值（=1.021）大于1，故须设计反馈电路，以使有源元件在设计频率上有振荡的可能。（2） 选用一个18 pF的电容来做反馈电路，在经公式计算后可得修正后的有源元件电路之K值（=-0.84）远小于1，故本设计可行。（3） 选用一个11.5pF电容来做谐振电路，并假设其内电阻为2.5；将其反射系数 （S1）经下列（1/S22） 映射公式转换成L1，并标记其值到|L| = 1的史密斯圆图上，可得其确实落于|S| 1及|L| |S1a|。（6） 选用电感来设计输出负载匹配电路，经公式计算可得其值为50nH。（7） 可将电路代入射频模拟软件分析验证。图8-5(a)800MHz振荡器电路图图8-5(b)模拟结果（S11线性分析） 实验四：射频前端发射器 （RF Front-end Transmitter）一、实验目的：1.了解射频前端发射器之基本架构与主要设计参数。2.利用实验模组的实际测量得以了解射频前端发射器之特性。二、 实验设备： 项次设备名称数量备注1MOTECH RF2000 测量仪1套2发射器模组1套3微带天线1组RF2KM10-1A4示波器1台550 BNC及1M BNC 连接线4条CA-1、CA-2 、CA-3、CA-46直流电源连接线1条DC-1三、 基本结构与设计参数说明：在无线通讯中，射频发射器担任着重要的角色。无论是语间、数位资料等信号要利用电磁波经由空气传送到远端，皆须使用到射频前端发射器。其主要中图111所示，大抵可分成九个部分。1 中频放大器(IF Amplifier)2 中频滤波器(IF Bnadpass Filter)3 知频混频器(Up-Mixer; Up Converter)4 射频滤波器(RFBandpass Filter)5 射频驱动放大器(RF Driver Amplifier)6 射频功率放大器(RF Power Amplifier)7 载波振荡器(Carrier Oscillator; Local Oscillator)8 载波滤波器(LO BPF)9 发射天线(Antenna) 其中放大器的基本原理与设计方法可参考主题七，而滤波器的基本原理与设计方法已可参考主题六的说明。至于振荡器的部分，可于主题八与与主题九获得一些参考. 天线部分则可由主题十得到概念. 所以,在此单元中将就升频器部分的基本原理做一说明.并介绍发射器的几个重要设计参数.IFBPFIFAMPLOBPFRFBPFRFAMPLOAntennaSignalFrom BasebandProcessing UnitMIXERPA 图11-1基本射频前端发射器结构图(一) 升频混频器的基本原理升频混频器的基本电路结构图如图11-2所示.在二极管上的电流可以(11-1)表示.其中 IS= 二极管的饱和电流 VIF= 中频信号的振幅大小 fIF = 中频信号的频率大小 VLO= 载波信号的振幅大小 FLO = 载波信号的频率大小混频后的输出射频频率为 其中 m，n可为任一正负整数在绝大多数的应用上,RF频率应是载波及IF频率的和或差,即是.至于取和频或差频则根据发射器射频规格及系统参数,利用射频输出端的滤波器可以阻隔三端间的互相干扰( ISOLATION),以避免其他不必要的混频信号漏(LEAKAGE)到输出端造成的噪声(SPURIOUS). 主要的噪声信号,有下列几种: (假设)1. 镜频信号 ( IMAGE FREQUENCY ): 2. 载波信号的谐波( CARRIER HARMONICS ): ，n=正整数3. 旁波带谐波信号( HARMONIC SIDEBANDS ): 上述噪声皆是在混频器及滤波器设计中,须特别加以抑制处理的.匹配電路匹配電路匹配電路濾波器IFPIFRFPRFLO圖11-2 基本混波器電路結構圖混波二極體(二) 混频器的主要技术参数(1) 变频耗损或增益( CONVERSION LOSS/GAIN,L C) 除非有特别注明,一般所称的变频耗损皆是以上式为定义,即是指单边带变频耗损( SINGLE-SIDEBAND(SSB) CONVERSION LOSS ), 也就是只考虑射频输出信号频率为fLO+fIF或fLO-fIF. 若是定义为双边带变频耗损(DOUBLE-SIDEBAND(DSB) CONVERSION LOSS), 则会较单边带转频耗损低3dB.(2) 输入端回波耗损或电压驻波比( PORT RETURN LOSS OR VSWR)如同其他射频电路,输入端的回波耗损或电压驻波比是评断匹配与否的重要参数.对混频器而言,其输入端电压驻波比规格一般是定在2 : 1 (IRL=-10 ), 最差为 2.5 : 1 (-7.3 ). 而各端口的回波耗损,受LO端输入功率的增加,各端口的阻抗会随之降低,致使各端口的回波耗损变大.(3) 信号端与本振端的隔离比(PORT ISOLATION)信号端与本振端的隔离比为评量LO端与RF端之间,及LO 端与IF端之间噪声的干扰抑制程度.(4) LO端最低输入功率(MINIMUM LO POWER REQUIRED)对于混频器而言,LO端最低输入功率的大小直接影响到混频的效果好坏.所以,一般订定有此项规格.而功率越低者,在应用上越方便.(5) 镜象抑制度( IMAGE REJECTION)对于降频混频器而言,IF 输出信号频率可由LO与RF两输入端信号频率相减而得.以fIF=fRF-fLO為例为例,镜象为fim = 2fLO-fRF.即是说若RF端输入镜象信号亦可得到同频的IF信号, fim -fRF = fIF. 镜象所造成的问题有二.第一是提供干扰信号通路,即是镜象信号会从RF端进入后,也可以从IF端输出.如此势必干扰到真正系统设计的RF信号的变频输出.第二是使得混频器的噪声指数(NIOSE FIGURE)增加3 dB .解决之道是在RF输入端加一个镜象滤波器来抑制镜象信号的输入.而对于升频混频器而言,大致与降频混频器相似,只是RF输入端改成IF输入端.(6) 噪声抑制度(SPURIOUS REJECTION)对混频器而言,噪声的定义是指在输出端非是设计所需频率(fIF)的其他信号.尤其是输入信号的谐波所混频出来的结果.一般是利用输出端的滤波器来抑制噪声.(7) 二阶互调截止点(SECOND-ORDER INTERCEPT POINT,IP2) (以降频器为例)IP2 = PRF +（PRF B - LC）其中。IP2=混频器的输入二阶互调截止点.（dBm） PRF = 混波器RF输入端的输入信号功率。（dBm） LC = 混波器输入信号频率fRF=fLO+fIF时,所没得的转频耗损（Conversion Loss）。（dB） B =混波器输入信号频率fRF=fLO+0.5fIF时,所没得输出端频 率为2fIF的信号之功率.（dBm）降频器的IP2测量电路应与频谱示意图,如图12-3(a)(b)所示.升频器则亦类似.带通滤波器带通滤波器频谱分析仪信号产生器信号产生器混波器fLOfRF PRFfOUT图12-3(a)降频器的IP2测量fLOfRFfIF2fIF(dBm)B(dBm)PRF(dBm)Lc(dB)POUT(dBm)图12-3(b) 降频器的频谱图(8) 三阶互调截止点( THIRD-ORDER INTERCEPT POINT,IP3)其中IP3 = 混频器的输入三阶互调截止点. PIN = 混频器输入端的输入信号的功率. = 混频器输出端中,设计输出信号与内调制(INTER-MODULATION,IM)信号的功率差. (dB)以升频器为例,混频器的IP3测量图及频谱示意图,如图示2-4(a)(b)所示.f1 fLOfRF1fRF2f2f1fLOfLO +2f1 f2 fLO +2f2 f1 fLO+f1 fLO+f2 (dB) PIN (dBm) Intermodulation Signals Desired Signals 图12-4(b) 升频器的IP3频谱图图12-4(a)混频器的IP3测量图f2 混频器信号产生器信号结合器频谱分析仪带通滤波器带通滤波器(三) 发射器的重要设计参数 (1) 1分贝压缩功率(1dBCompression, P1dB )功率放大器的1分贝压缩功率即是发射器最大发射功率的主要参数.一般而言,对于放大器其P1dB可说是线性放大的最大输出功率,而P1dB则为放大器的最大饱和输出功率(SATURATION POWER).其定义如图示12-5(a)(b)所示.PIN (dBm)POUT (dBm)PSAT P1dB 1dB PD1dB Compression Point 图12-5(a)放大器的PSAT，P1dB和1dB 功率压缩点Linear Dynamic Range (LDR) of amplifier1 dB CompressionPowerGain(dB)Pin The higher the 1dB CompressionThe larger is the LDR of amplifier. 图12-5(b)放大器的1dB Compression和 LDR关系图 (2) 内调制失真 ( Intermodulation Distortion)对于发射器的内调制失真是由于发射天线接收到同通道其它较大功率信号后,经功率放大器内调制混频所产生的再发射信号所造成.解决的方法是在发射天线与功率放大器之间加接一个或多个环行器(CIRCULATOR ) 来降低发射器的内调制失真. (3) 杂波抑制比(Spurious Rejection)对于射频前端发射器而言,较大的噪声信号是因为功率放大器的大信号放大所产生的谐波. 其它噪声则是由载波振荡器与混频器所混频出来的.一般规格定为低于主要载波信号功率70至90 .以降低对其它通道的干扰. (4) 载波频率稳定度(Carrier Frequency Stability)发射器的载波频率需要符合系统规格,以避免在通道与其他信道的干扰,尤其在窄频带系统中更形重要.可利用锁相回路技术(Phase Locked Loop)及增加载波频率的稳定性. (5) 邻近信道功率(Adjacent Channel Power)此项参数是因于系统的调制方法或是由于发射器快速的开关所造成.在窄频带系统中,一般规格是设定在低于载波信号功率50dB .而在宽频带系统中,则会要求到80dB . (6) 发射启动时间(Transmitter Turn-on Time)对于数字通讯系统而言,发射器的发射启动时间使很重要的参数,其必须够短以免限制到系统的信息流通量(System Throughpu