射频电路设计完整版本.ppt

振荡器 以往的振荡器的设计要求电路满足Barkhausen判据 即振荡器放大单元的传递函数HA 与反馈单元的传递函数HF 之积等于1 但对于工作频率高于500MHz的振荡器设计 必须采用反射系数和传输系数以及相应的S参量来描述电路的特性 b1 ina1 a1 bS Sb1 参照上图 在输入端口满足下列条件 微波振荡器模型 所以 振荡条件 如果1 S in 0 则电路处于非稳定状态 考察输出端口可得到的振荡条件为 L out 1 如果考虑稳定系数k 则上述振荡条件可以归纳为 由于稳定系数k取决于有源器件的S参量 所以必须选择恰当的微波晶体管来设计振荡器 k 1 L out 1 S in 1 如果输入或输出任何一个端口符合振荡条件 则另一端口也都将产生振荡 下面证若输入端口符合振荡条件 输出端口满足振荡条件 而 out可表示为 所以 L 1 out 即输出端口也满足振荡条件 即 振荡器设计步骤 最后由 L S取值设计相应匹配电路 最通用的微波振荡器设计方法是两端口网络设计方法 首先要选择恰当的微波晶体管 使稳定系数k小于1 然后选择合适的 L 使 in 1 或者选择合适的 S 使 out 1 下面通过举例详细说明两端口网络方法设计微波振荡器的步骤 例在5GHz时 场效应管的共栅极S参量为S11 1 0116 0 0537i S12 0 2065 0 0344i S21 1 9931 0 303i S22 1 2061 0 1742i 设计一个负载阻抗为50 的5GHz振荡器 解 计算Rollett稳定系数确定晶体管的稳定性 表明晶体管具有潜在的不稳定性 振荡器设计举例 因为已给出了负载 所以设计时选择合适的 S 使 out 1 根据输入稳定性判定圆可知 反射系数 S取任意值时 微波管都工作于非稳定状态 在实际工作中 选取使输出反射系数模值 out 尽量大的 S值 由前面公式可知当 S S11 1时 out 有最大值且趋于无限大 若选取 S S11 1 振荡器将对负载阻抗的变化十分敏感 也就是说在 S S11 1的条件下 负载如果稍微偏离50 则会导致振荡器安全停振 实际选择非常靠近S11 1的 S值 若选择 S 9986 0 0523i 这对应于源阻抗为 该源阻抗可用开路短截线实现 其电长度为 输出反射系数为 等效于 为了使 out L 1成立 必须选择ZL Zout 计算可得传输线及短路短截线的电长度分别为96 45 下图是设计结果 对于厚度为40mil的RF 4介质基片 相对介电常数为4 6 传输线几何尺寸的计算结果如下 传输线特性阻抗均为50 但由于晶体管S参量与输出功率有关 所选择负载阻抗的实部可以略小于 Rout 原因是当输出功率增大时 晶体管的S参量变化导致Rout的减小 令ZL 45 j0 64 利用一个匹配网络可以将45 j0 64变换50 匹配网络如下图 为了安装隔直电容 TL3被分为两段 TL3A和TL3B 由于TL5和TL6直接与50 负载相连 所以他们的长度可为任意值 射频微波混频器 混频器的主要功能是将射频微波段的输入信号与本振射频微波信号相混合 利用混频管的非线性得到中频信号 便于后续电路进行处理 射频微波混频器的工作原理与其他频率段混频器的相同 但射频微波混频器在设计上有其特殊要求 一般来说有以下三点 有用输入信号与本振信号应有良好隔离度 混频管的输入端及输出端应有滤波电路以防止中频信号串入微波回路及微波信号串入中频回路 混频管的输入端应有阻抗匹配电路以减少有用信号及本振信号的失配损耗 介绍两种常见的微波混频器 单端混频器及平衡混频器 单端混频器 下图是微带单端混频器示意图 下面介绍其各部分的作用 输入部分 此设计较好解决了信号与本振间的混合与隔离 但存在信号和本振功率损耗 这是是单端混频器的一个缺点 输入信号与本振信号的混合由平行反向型定向耦合器完成 输入信号与本振信号分别由1 3口加入 输入信号由1 2直通臂去微波管 但有部分功率耦合至另一臂经4口被吸收负载吸收导致信号功率的损耗 由于1 3口为隔离口 信号功率不会串入本振回路 本振以一定的耦合度经2口去微波管 也有相当部分功率经4口被吸收负载消耗 匹配部分 匹配部分有下面三项 1 微波混频管直接与定向耦合器连接可能造成功率的失配损耗 因此必须在它们之间加入阻抗匹配网络 移相线使混频管输入阻抗变为一纯电阻 再由 4阻抗变换器实现与定向耦合器的匹配 2 混频管的输出端由 4开路线形成微波信号短路 中频信号由对微波信号呈现高阻的电感线引出 4开路线及高阻电感线共同构成输出端低通滤波电路 3 为防止中频能量泄漏至本振及信号输入电路 采用 4高阻短路线提供中频至地通路 由于其对微波呈现开路 因而没有影响 平衡混频器 下图是微带平衡混频器示意图 平衡混频器采用两只性能一致混频管进行混频 其与单端混频器的最大区别在于信号与本振混合电路部分 混合电路采用3dB功分定向耦合器 在各端口匹配条件下 1 3口为隔离口 这样本振与信号达到隔离 1至2 4口及3至4 2口都是功率平分 图中阻抗匹配电路及滤波电路与单端混频器相同 平衡混频器优点 相对于单端混频器 平衡混频器有下列优点 1 充分利用信号及本振功率 增加信号动态范围 由于这些优点 平衡混频器得到了广泛应用 3 抑制部分因混频而产生的谐波组合频率成分 减少干扰和失真 2 消除本振噪声 改善混频器的噪声系数 平衡混频原理 vs1 t Vscos st 2 vs2 t Vscos st vL1 t VLcos Lt vL2 t VLcos Lt 2 加载到D1 D2上的电压分别是 信号电压 本振电压 D1 D2在本振电压作用下的时变电导分别是 g1 t g0 2gncosn Lt g2 t g0 2gncosn Lt 2 设 s L if s L 则一次混频电导项与信号电压相乘 得两混频管的中频电流分别为 iif1 t g1Vscos st 2 Lt g1Vscos ift 2 iif2 t g1Vscos st Lt 2 g1Vscos ift 2 D1 D2产生的中频电流反相 而负载电流为二者相减 故 iif t 2g1Vscos ift 2 消除本振噪声 vn1 t Vncos L if t vn2 t Vncos L if t 2 加到D1D2的本振噪声电压信号的形式与前面本振信号一致 同前面方法一样可得到D1D2的中频噪声电流为 in1 t g1Vncos ift in2 t g1Vncos ift 负载上中频噪声电流为 in1 t in1 t 0 抑制部分组合频率 D1D2的混频电流一般表示式为 i1 t Inm ej n m 2 ej n L m s t i2 t Inm ej n 2 ej n L m s t 负载上中频电流为 i t i1 t i1 t inm t Inm e jn ej n 2 m 2 ej n L m s t 由上式可见 当n m时 imm t 0 即本振与信号的同次谐波的和频分量无输出 射频 微波系统 在无线系统中 射频发射机是重要子系统 无论是话音 图像还是数据信号要利用电磁波传送到远端 必须使用发射机产生信号 调制放大送到天线 发射机的特性与使用场合有关 远距离系统中 大功率低噪声是首要指标 空间和电池供电系统中 必须效率高 通信系统中 要求低噪声和高稳定 接收机是信号的还原过程 要求灵敏度高 失真小 能够重现异地发射机传来的信号特性 通信距离与发射机和接收机都有关系 现代无线系统中 发射机通常与接收机组合成收发机 或称T R组件 在收发机中 为了使用一个天线 必须采用双工器将发射信号与接收信号分离 防止发射信号直接进入接收机 使其烧毁 双工器可以是开关 环行器或滤波器组合 两个常用双工系统 右图是两个常用双工系统 图 a 适用于数据传输系统 开关控制发射与接收的切换 发射与接收频率相同 图 b 是异频双工 发射与接收频率不同 两个滤波器的中心频率不同 同时工作 互不影响 移动通信手机采取的即是此种工作方式 射频发射机基本知识1 1发射机基本参数 频率或频率范围考察微波振荡器的频率及其相关指标 频率或频段指标 温度频率稳定度 时间频率稳定性 频率负载牵引变化 压控调谐范围等 相关单位 MHz GHz ppm MHz V等 功率最大输出功率 频带功率波动范围 功率可调范围 功率的时间和温度稳定性 相关单位 mW dBm W dBw等 噪声包括调幅 调频和调相噪声 不必要的调制噪声将会影响系统的通信质量 谐波抑制工作频率的高次谐波输出 通常对二次 三次谐波抑制提出要求 基波与谐波的功率比为谐波抑制 两个功率dBm的差为dBc 典型值为70 90dBc 杂波抑制除基波和谐波外的任何信号与基波信号大小的比较 直接振荡源的杂波就是本底噪声 频率合成器的杂波除本底噪声外 还有可能是参考频率及其谐波 射频发射机基本知识2 要发射的低频信号 模拟 数字 图像等 与射频 微波信号的调制方式有三种可能形式 1直接产生发射机输出的微波信号频率 再调制待发射信号 在雷达系统中常用 用脉冲调制微波信号的幅度 即幅度键控 调制电路就是PIN开关 调制后信号经功放 滤波输出到天线 2将待发射的低频信号调制到发射中频 如70MHz 上 再与发射本振 微波 射频 混频得到的发射机输出频率 该信号信号经功放 滤波输出到天线 在通信系统中常用此方案 图像通信中 将图像信号先做基带处理 6 5MHz 再进行调制 3将待发射的低频信号调制到发射中频 如70MHz 上 经过多次倍频得到发射机频率 经功放 滤波输出到天线 近代通信中常用此方案 典型电路如图所示 可分成九个部分 中频放大器 中频滤波器 上变频混频器 射频滤波器 射频驱动放大器 射频功率放大器 载波振荡器 载波滤波器 发射天线 射频发射机基本知识3 2发射机基本结构 上变频混频器是非线性器件 其输出含有丰富谐波 上变频混频器的二阶谐波 两阶互调截止点 Second OrderInterceptPoint IP2 IP2 PRF PRF B LC PRF 输出端频率fRF fIF的信号功率LC 中频输入信号至射频输出信号的变频损耗10log Pin PRF B 输出端频率fRF 2fIF的信号功率 上变频混频器的三阶谐波 三阶互调截止点 Third OrderInterceptPoint IP3 IP3 PIN 2 AVtoRFTransmitter RFBPFpassband 3dB 902 928MHzstopband 975MHzVSWR 2 0 1typ Zo 50ohm UpConverterIFfreq 61 25 5MHzRFfreq 915 5MHzLOfreq 853 75MHz typ 2dBmConversionLoss 8dB typ Zo 50ohm LOcenterfreq 853 75MHz typ 2dBm min Zo 50ohm TVoutputFreq 61 25MHz Videoinput 1Vp p 75ohmAudioinput 20dBTVoutputZo 75ohm F type PowerSupply DC9V 100mA RFAMP passband 902 928MHzInsertionGain 15dBtyp Zo 50ohm 射频接收机基本知识1 射频接收机基本参数 1接收灵敏度描述接收机对小信号的反应能力 对于模拟接收机 满足一定信噪比时的输入信号功率值 对于数字接收机 满足一定误码率时的输入功率大小 一般指标 接收灵敏度在 85dBm以下 2选择性描述接收机对邻近信道频率的抑制能力 不允许同时有两个信号进入接收机 一般隔离指标在60dB以上 3交调抑制接收机会有双频交调失真 与发射机和功率放大器中 大信号时会出现三阶互调失真 一般要求 交调抑制在60dB以上 4频率稳定度接收机的本振信号的频率稳定度 影响到接收机的中频信号的质量 5本振辐射由于混频器的隔离不好 本振信号进入接收信号通路 通过天线辐射 引起系统的三阶交调失真加重 射频接收机基本知识2 接收机几乎都是超外差形式 接收本振与接收信号进行混频 得到中频信号放大处理后 解调信号 基本电路构成如图所示 一般地 中频放大器的灵敏度在 60dBm以下 接收机的调试要分段进行 每一大段都是对的 才能保证接收机工作正常 天线接收空间信号 射频滤波器通过预定波道频率 阻止邻近波道信号 高频放大器是小信号低噪声放大器 性能影响整机噪声系数和接收灵敏度 本振信号有足够的功率以驱动混频器 一般在7dBm以上 接收机的调试分段进行 每段都满足要求 才能保证接收整机正常工作 RFtoTVReceiver LOcenterfreq 853 75MHz 2dBm min Zo 50ohm IFAMPpassband 18dBtyp 57 67MHzZo 50ohm RFLNApassband 14dBtyp 902 928MHzNF 2 5dBtyp Zo 50ohm DownConverterIFfreq 61 25 5MHzRFfreq 915 5MHzLOfreq 853 75MHz typ 2dBmConversionLoss 8dB typ Zo 50ohm 射频接收机基本知识3 接收机灵敏度 接收机灵敏度的定义 式中 K 1 38 10 23 Joul K 是波尔兹曼常数 T为绝对温度 BW是系统的等效噪声带宽 SNRd系统解调 检波 要求的信噪比 Zs系统阻抗 FT Fin1 Fin2 Fin3 Fin1接收器各级总噪声系数 Fin2镜频噪声 Fin3宽带的本振调幅噪声 射频接收机基本知识4 接收机灵敏度 ReceiverSensitivity Fi Gi分别是第i级的噪声系数与增益 N接收机的总级数 不包含混频器 Fi Gi 分别是镜像频率的第i级噪声系数与增益 N接收机的总级数 不包含混频器 PLO本振输出功率dBm WNsb边带频率上的相位噪声dBc Hz Lsb带通滤波器边带频率上的衰减值dB MNBsb边带频率上的混频噪声 T0室温290K M边带频率的总个数 NT从接收端至混频器的总级数 Fin1接收器各级总噪声 Fin2镜频噪声 Fin3宽带的本振调幅噪声 灵敏度计算示例 其它指标如下 RF BPF2镜频衰減量 10dB等效噪声带宽BW 12KHzLO输出功率PLO 23 5dBmLO边带相位噪声 WNsb 165dBc Hz带通滤波器性能 0 0dB fLO fIF10 0dB 2fLO fIF20 0dB 3fLO fIF 边带频率上的混频噪声 MixerNoiseBalance 30 0dB fLO fIF25 0dB 2fLO fIF20 0dB 3fLO fIF系統要求信噪比SNRd 6dB 故可得Fin1 1 0 778 2 204 0 066 1 025 0 464 2 396 0 485 8 418 噪声系数 其中 计算至混频器的总增益 及WNsb 165dBc Hz To 290oK k 1 38x10 23 Joul oK 可得Fin3 1 984 1 984 0 628 0 628 0 198 0 198 5 62求FT Fin1 Fin2 Fin3 8 418 0 63 5 62 14 668接收灵敏度Sensitivity 接收選擇性亦可稱為邻信道選擇度 AdjacentChannelSelectivity ACS 是用來量化一個接收机對相邻近信道的接收能力 目前國際在频段規範方面要求趨向窄波道 接收選擇性在射頻接收机系统設計中愈来愈重要 接收机选择性 ReceiverSelectivity 射频接收机基本知识5 接收机选择性定义为 式中 ACS dB 对应于接收灵敏度 NominalReceiverSensitivity 的邻信道選擇性 AdjacentChannelSelectivity CR dB 同性道抑制率 CochannelRejection IFS dB 中頻滤波器在邻信道頻帶上的抑制衰減量 BW Hz 中頻噪声带寬 IFNoiseBandwidth Sp dBc 本振信号与fLO 頻率处邻信道载波功率比 如右图所示 PNSSB dBc Hz 本地振荡信号在差頻 offset 處的 相位噪声 射频接收机基本知识6 接收杂波响应 ReceiverSpuriousResponse 从中频端考虑 所有非设计所需的信号皆视为杂波信号 SpuriousSignal 大部份的接收杂波信号是从发射机来的混频谐波 HarmonicMixing 在实际中 杂波信号总会存在 主要看其功率是否在系统允许范围之内 常需考虑的接收杂波有下列三项 图示于下 1 镜频 Image fRF 2fIF 2 半中频 Half IF fRF fIF 2 3 中频 IF fIF 在全双工收发 Full DuplexerRadio 系统中 还会出現如图所示的另两项杂波 射频接收机基本知识7 接收互调截止点 ReceiverInterceptPoint 互调截止点 InterceptPoint 是射频 微波电路或系統线性度的评价指标 由此可推算出输入信号的失真度 Distortion 及互调产物 Intermodulation IM Products 其定义如图所示 注意IP2 IP3 IPn 实际中 常用的有二阶互调截止点 Second OrderInterceptPoint IP2 与三阶互调截止点 Third OrderInterceptPoi