射频微波系统ppt课件

射频微波系统 1 第13章射频 13 1射频发射机的基本知识13 2射频接收机的基本知识13 3全双工系统13 4雷达基本原理 13 5通信基本原理 射频微波系统 2 13 1射频发射机的基本知识 13 1 1发射机基本参数 发射机的基本参数介绍如下 1 频率或频率范围 用来考查微波振荡器的频率及其相关指标 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 相关单位为MHz GHz ppm MHz V等 2 功率 与功率有关的指标有最大输出功率 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 相关单位为mW dBm W dBW等 射频微波系统 3 3 效率 供电电源到输出功率的转换效率 这一参数对于电池供电系统尤为重要 4 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 5 谐波抑制 工作频率的高次谐波输出功率大小 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指标 工程实际中 基波与谐波两个功率dBm的差为dBc 6 杂波抑制 除基波和谐波外的任何信号与基波信号的大小比较 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 射频微波系统 4 13 1 2发射机基本结构 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 与发射本振 微波 射频 混频得到发射机输出频率 再经功放 滤波输出到天线 在通信系统中常用此方案 图像通信中 一般先将图像信号先做基带处理 6 5MHz 再进行调制 射频微波系统 5 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 然后再经功放 滤波输出到天线 近代通信中常用此方案 发射机典型电路如图13 1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 射频微波系统 6 图13 1基本射频前端发射机电路 射频微波系统 7 这些电路单元在前面均有介绍 放大器的基本原理与设计方法可参考第8章 滤波器的基本原理与设计方法可参考第7章 振荡器可参考第9章和第10章 天线在第12章有详细描述 在电路单元中还会用到耦合器 隔离器 匹配电路或衰减器等 一个发射机系统就是前面所学知识的组合 射频微波系统 8 13 1 3上变频器 1 基本电路原理 发射混频器的基本电路结构图如图13 2所示 二极管上的电流为式中 I0为二极管的饱和电流 UIF是中频信号的振幅 fIF为中频信号的频率 ULO是载波信号的振幅 fLO是载波信号的频率 13 1 射频微波系统 9 图13 2发射混频器的基本电路 射频微波系统 10 混频后的输出射频频率为 fRF mfIF nfLO 13 2 其中m n为任意非零整数 绝大多数情况下 RF频率应是载波与IF频率的和或差 即fRF fLO fIF 根据发射机指标和系统参数取和频或差频 利用射频输出端的滤波器实现端口间的隔离 主要的噪声信号有 镜频信号fim fLO 2fIF 载波信号的谐波nfLO n为正整数 边带谐波信号fsb fLO mfIF 这些噪声需要特别加以抑制处理 射频微波系统 11 2 上变频器的主要技术参数的定义和测量 1 变频耗损或增益2 二阶互调IP2IP2 PRF PRF B Lc 13 4 其中 IP2为混频器的输入二阶互调截止点 单位为dBm PRF为混波器RF输入端的输入信号功率 单位为dBm Lc是混波器输入信号频率fRF fLO fIF时的变频损耗 单位为dB B是混波器输入信号频率fRF fLO 0 5fIF时输出端频率为2fIF的信号功率 单位 为 dBm混频器的IP2 测量电路与频谱示意图如图13 3 a b 所示 13 3 射频微波系统 12 3 三阶互调 IP3 13 5 其中 IP3为混频器的输入三阶互调截止点 Pin是混频器输入端的输入信号的功率 是混频器输出信号与内调制信号的功率差 dB 混频器的IP3测量图及频谱示意图如图13 4 a b 所示 射频微波系统 13 图13 3混频器的 IP2 测量电路与频谱 a 混频器的IP2测量电路 b 混频器的IP2频谱图 射频微波系统 14 图13 4混频器的IP3测量电路与频谱 a 混频器的IP3测量电路 b 混频器的IP3频谱图 射频微波系统 15 4 1dB压缩功率P1dB 功率放大器的1dB压缩功率是发射机最大发射功率的主要参数 对于放大器 P1dB是线性放大的最大输出功率 其定义如图13 5 a b 所示 射频微波系统 16 图13 5 1dB压缩和线性动态范围 a 放大器的PSAT P1dB和1dB功率压缩点 b 放大器的1dB压缩和线性LDR关系图 射频微波系统 17 13 2射频接收机的基本知识 13 2 1射频接收机基本参数射频接收机的基本参数介绍如下 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 对于数字接收机 满足一定误码率时的输入功率 一般情况下接收灵敏度在 85dBm以下 射频微波系统 18 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 一般地 隔离指标在60dB以上 3 交调抑制 接收机会有双频交调失真 在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 描述接收机的本振信号的频率稳定度 影响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 射频微波系统 19 13 2 2接收机基本结构 接收机几乎都是超外差形式 即本振信号与接收信号进行混频 得到中频信号 经放大处理后解调信号 1 基本电路 基本射频前端接收机基本电路构成如图13 6所示 射频微波系统 20 图13 6基本射频前端接收机基本电路 射频微波系统 21 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 其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 一般地 本振功率在7dBm以上 中频放大器的灵敏度一般在 60dBm以下 这是一个节点 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 2 其他形式的接收机 为了提高接收机的接收灵敏度 现代接收机采用二次混频方案 如图13 7所示 射频微波系统 22 图13 7二次混频接收机 射频微波系统 23 13 2 3接收机灵敏度 接收机灵敏度的定义为 13 6 式中 K 1 38 10 23J K 是波尔兹曼常数 T为绝对温度 Bw是系统的等效噪声频宽 SNRd是系统要求的信噪比 Zs是系统阻抗 FT是总等效输入噪声系数 由三大部分组成 接收器各级的增益与噪声系数Fin1 镜频噪声Fin2和宽带的本振调幅噪声Fin3 即FT Fin1 Fin2 Fin3 13 7 13 8 射频微波系统 24 13 9 13 10 射频微波系统 25 公式中变量说明如下 Fi为第i级的噪声系数 Gj为第i级的增益 Fi为镜像频率下的单级噪声系数 Gj为镜像下的单级增益 G0 1 N为接收机的总级数 不包含混频器 PLO为本振输出功率 单位为dBm WNsb为边带频率上的相位噪声 单位为 dBc Hz Lsb为带通滤波器边带频率上的衰减值 单位为dB MNBsb为边带频率上的混频噪声 T0为室温290K M为边带频率的总个数 N为包含混频器在内从接收端至混频器的总级数 射频微波系统 26 射频前端接收器可分为天线 射频低噪声放大器 下变频器 中频滤波器 本地振荡器 其工作原理是将发射端所发射的射频信号由天线接收后 经LNA将功率放大 再送入下变频器与LO混频后由中频滤波器将设计所要的部分解调出有用信号 13 2 4接收机灵敏度计算实例 某接收系统各级增益及噪声系数列于表13 1中 射频微波系统 27 表13 1接收机指标分配实例 射频微波系统 28 其他相关指标特性如下 RF BPF2镜像衰减量为10dB 等效噪声频宽为Bw 12kHz LO输出功率为PLO 23 5dBm LO单边带相位噪声为WNsb 165dBc Hz 带通滤波器响应参数为0 0dB fLO fIF 10 0dB 2fLO fIF 20 0dB 3fLO f IF 混频噪声均衡比 MixerNoiseBalance 为30 0dB fLO fIF 25 0dB 2fLO fIF 20 0dB 3fLO fIF 系统的实测信噪比为SNR 6dB 3 981 计算过程如下 步骤一 求Fin1 由上述公式可计算出表13 2所列结果 射频微波系统 29 表13 2 Fin1的计算 射频微波系统 30 故可得 Fin1 1 0 778 2 204 0 066 1 025 0 464 2 396 0 485 8 418 步骤二 求Fin2 见表13 3和表13 4 射频微波系统 31 表13 3Fin2的计算1 射频微波系统 32 表13 4Fin2的计算2 射频微波系统 33 故可得步骤三 求Fin3 见表13 5 射频微波系统 34 表13 5 Fin3的计算 射频微波系统 35 混频器前的总增益为可得Fin3 1 984 1 984 0 628 0 628 0 198 0 198 5 62步骤四 求FT F Fin1 Fin2 Fin3 8 418 0 63 5 62 14 668 射频微波系统 36 步骤五 求接收灵敏度 13 2 5接收机的选择性接收选择性亦称为邻信道选择度ACS 是用来量化接收机对相邻近信道的接收能力 当今 频谱拥挤 波段趋向窄波道 更显示了接收选择性在射频接收器设计中的重要性 这个参数经常限制系统的接收性能 射频微波系统 37 接收选择度的定义为 它由下列五大部分组合而成 单边带相位噪声 本地振荡源的噪声 中频选择性 中频带宽 同波道抑止率或截获率 式中 ACS对应于接收灵敏度的邻信道选择性 单位为dB CR为同信道抑止率 单位为dB IFS为中频滤波器在邻信道频带上的抑制衰减量 单位为dB Bw为中频噪声频宽 与邻信道频率的差值 单位为Hz Sp为本地振荡信号与出现在频率为fLO 处的邻信道噪声的功率比 单位为dBc PNSSB dBc Hz 是本地振荡信号在差频 处的相位噪声 单位为dBc Hz 如图13 8所示 13 11 射频微波系统 38 图13 8本地振荡的频谱 射频微波系统 39 13 2 6接收杂波响应 从中频端观察 所有非设计所需的杂波信号皆为噪声信号 而大部分的接收噪声信号来源于RF与LO的谐波混频 在实际应用中 不可能没有杂波 要看杂波功率是否在系统允许范围之内 由混频器的特性可知 RF LO与IF三端频率的相互关系为较常出现的接收杂波响应有下列三项 镜频fRF 2fIF 半中频 fRF fIF 2 中频fIF 如图13 9所示 13 12 射频微波系统 40 图13 9常见的接收杂波响应 射频微波系统 41 在双工收发机中 即发射与接收同时作用时 还会再多出现两项杂波 如图13 10所示 射频微波系统 42 图13 10双工接收的杂波 射频微波系统 43 13 2 7接收互调截止点 互调截止点是射频 微波电路或系统线性度的评价指标 由此可推算出输入信号是否会造成失真度或互调产物 接收机的互调定义与功放或发射机的互调定义类似 如图13 11所示 射频微波系统 44 图13 11n阶互调截止点 射频微波系统 45 1 二阶互调截止点IP2IP2是用来判断混频器对半中频噪声的抑制能力的主要参数 对于一个接收系统中混频器的输入二阶互调截止点IP2INPUT的计算方式为 13 13 射频微波系统 46 计算实例 计算如图13 12所示接收系统的IP2 已知参数见表13 6 射频微波系统 47 图13 12接收系统的IP2计算实例 射频微波系统 48 表13 6已知条件 射频微波系统 49 由式 13 13 可得 IP2INPUT 40 2 10 3 2 10 0 15 85dBm 2 半中频杂波抑制度1 2 IFR 半中频杂波抑制度定义为假设FM接收机的混频器IP2INPUT 50dBm 系统的接收灵敏度 S 115dBm 同信道抑止率CR 5dB 由式 13 14 可计算出此接收器的半中频杂波抑制度为 13 14 射频微波系统 50 3 射频放大器的接收增益 13 15 其中 GT为射频放大器的接收增益 Famp为射频放大器的噪声系数 Gamp为射频放大器的增益 Fmixer为混频器的噪声系数 此参数会降低混频器的杂波抑制度 降低的值为 其中n为杂波响应的阶数 n 1 对半中频而言 n 2 射频微波系统 51 4 三阶互调截止点IP3IP3是用来决定接收系统抵御内调制失真的能力 计算步骤如下 1 绘出系统的电路方块图 并标明各级的增益 单位为dB 三阶互调截止点 单位为dBm 对于滤波器和衰减器 IP3 2 换算出各级的等效输入互调截止点 公式如下 射频微波系统 52 式中 IPn是第n级的等效输入三阶互调截止点 单位为dBm IP3n是第n级的三阶互调截止点 单位为dBm Gi是各级的增益 单位为dB 3 将各级的等效输入互调截止点 IPi 的单位从dBm换算成mW IPn mW 10IPn dBm 10 4 假设各级的输入互调截止点皆独立不相关 则系统输入三阶互调截止点为各级的输入互调截止点的并联值 即 射频微波系统 53 5 将系统输入三阶互调截止点 IP3INPUT 的单位从mW换算成dBm IP3INPUT dBm 10lg IP3INPUT mW 计算实例 以图13 13为例 计算系统输入三阶互调截止点IP3INPUT 已知条件见表13 7 射频微波系统 54 图13 13接收系统的IP3计算实例 射频微波系统 55 表13 7已知条件 射频微波系统 56 依据式 13 16 计算得 IP3INPUT 8 02mW 9 04dBm 5 内调制抑制率IMR 内调制失真用于描述系统的非线性特性 三阶内交调失真是最常发生的 内调制抑制率的计算公式为式中 IMR为内调制抑制度 单位为dB IP3为等效输入三阶互调截止点 单位为dBm S是接收灵敏度 单位为dBm CR是同信道抑制率 单位为dB 13 17 射频微波系统 57 计算实例 假设前例接收系统的S 115dBm CR 5dB 则其内调制抑制率为 IMR 2 9 04 2 115 5 81dB 射频微波系统 58 13 3全双工系统 在现代发射机和接收机系统中 通常使用一个天线工作 发射信号和接收信号靠双工器分开 可以用作双工器的射频 微波元件有高速开关 滤波器 环行器等 图13 14给出了两个常用双工系统 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 这个电路就是移动通信手机的工作方式 射频微波系统 59 图13 14两个双工系统 射频微波系统 60 13 4雷达基本原理 雷达用于无线电探测与测距 其基本原理是发射电磁波 检测由目标反射回来的回波信号 判断目标的位置或形状 运动特征 雷达的基本构成是发射机 接收机和天线 距离由回波时间确定 方位由回波方向确定 运动速度由回波的多普勒频移确定 射频微波系统 61 实际的雷达系统要复杂得多 要针对不同用途 设计某些特定指标和功能 通常雷达的波束窄 频带窄 功率大 雷达分类如下 1 按安装位置分 机载 地面 舰载 空间 导弹等 2 按功能分 搜索 跟踪 搜索和跟踪 3 按应用分 交通管理 气象 避让 防撞 导航 警戒 遥感 武器制导 速度测量等 4 按波形分 脉冲 脉冲压缩 连续波 调频连续波等 射频微波系统 62 13 4 1雷达方程 图13 15所示的雷达的基本结构由发射机 接收机 天线和目标组成 发射功率为Gt 回波为Gr 天线增益为G Gt Gr 天线有效面积为Ae Aet Aer 目标散射截面为 则回波功率为这就是雷达方程 它给出了目标距离与雷达发射功率 天线性能和目标特性之间的关系 13 18 射频微波系统 63 图13 15雷达基本原理 射频微波系统 64 如果给定最小可检测功率Si min 就可得到雷达的最大作用距离为接收灵敏度Si min与接收机噪声系数有关 即 13 19 13 20 射频微波系统 65 故作用距离为考虑极化失配 天线偏焦 空气损耗等系统损耗Lsys 则作用距离还要缩短 即 13 21 13 21 射频微波系统 66 计算实例 已知35GHz脉冲雷达指标如下 计算最大作用距离 目标直径为1cm Pt 2000kW T 290K G 66dB S0 N0 min 10dB B 250MHz Lsys 10dB F 5dB n 10 已知条件换算成雷达方程内所用形式为 Pt 2 106W T 290K G 66dB 3 98 106 S0 N0 min 10dB 10 B 2 5 108Hz Lsys 10dB 10 F 5dB 3 16 n 10 4 45 10 5m2 k 1 38 10 23J K 射频微波系统 67 代入式 13 22 可算得Rmax 35 8km 从式 13 22 中可以看出 回波功率随距离按4次方变化 目标越近 回波功率急剧增大 回波还与天线 系统损耗和目标散射截面有关 13 4 2雷达散射截面 RCS 不同目标形状对不同频率的信号的回波特性不同 考虑图13 16所示两种形状的目标 从电磁波的几何特性就可估计到回波功率不同 射频微波系统 68 图13 16雷达散射截面 射频微波系统 69 目标的雷达散射截面与工作频率和目标结构有关 通过Maxwell方程在给定边界结构下的严格求解可以得到目标的RCS 对于简单结构可以较为严格地求解 大部分情况下要进行数值计算 结合测量的方法才能得到近似的RCS 表13 8给出了人体在不同频率下的RCS 射频微波系统 70 表13 8人体在不同频率下的RCS 射频微波系统 71 在厘米波段 常见物体的RCS的近似值如表13 9所示 射频微波系统 72 表13 9厘米波段常见物体的RCS近似值 射频微波系统 73 雷达散射截面RCS还可以用dBSm表示 即散射截面相对于1m2的dB值 如10m2就是10dBSm 射频微波系统 74 13 4 3脉冲雷达 脉冲雷达在测距方面用途很广 图13 17所示为调制脉冲 发射微波脉冲和回波信号的关系 发射平均功率为回波脉冲与发射脉冲之间的时间差tR与距离和光速c的关系为 12 23 12 24 射频微波系统 75 可以想象 tR必须小于Tp 也就是说最大可测距离为 12 25 射频微波系统 76 图13 17脉冲雷达原理 射频微波系统 77 增加脉冲周期 降低脉冲频率 可以提高自由距离 回波脉冲与杂波的比限定了灵敏度 脉冲宽度与匹配滤波器的带宽的关系取为B 1 13 26 比较合适 射频微波系统 78 13 4 4连续波雷达 连续波雷达又称为多普勒雷达 用来检测运动目标 测量目标的运动速度 如果声波或光波的源与目标有相对的运动 振荡器的频率就会有变化 这个现象就是多普勒频移现象 若雷达的频率为f0 目标的相对运动速度为vr 雷达与目标的距离为R 则电磁波到达和离开目标时相位的变化为 13 27 射频微波系统 79 目标与雷达的相对运动会引起 的连续变化 对应于一定的角频率的变化 即故 13 28 13 29 射频微波系统 80 由于vr远小于c f0很大时 处于微波频段 fd才能明显地测出来 接收信号频率为f0 fd 对应于目标靠近 对应于目标远离 对于目标运动与视线有夹角的情况 如图13 18所示 有 vr vcos 13 30 射频微波系统 81 图13 18目标运动与雷达视线 射频微波系统 82 计算实例 警用雷达的工作频率为10 5GHz 汽车以100km h的速度面向雷达 求多普勒频率 已知 0 f 10 5 GHz vr v 100km h 27 78m s 故由式 13 29 得 fd 1944 Hz 由于无需脉冲调制 连续波雷达比脉冲雷达简单一些 回波信号与发射信号混频 差频为多普勒频率 放大后测量频率即可得到目标的运动速度 频率测量方法有两种 经典的方法是用一系列滤波器区分多普勒频率 现在可用计数器直接读出多普勒频率或直接显示目标速度 发射接收之间用环行器或极化隔离 也可分别用发射天线和接收天线 射频微波系统 83 13 5通信基本原理 射频 微波通信系统包括数据链 散射通信 卫星通信 移动通信 无线网络等 视距通信中 地球表面大约50km设一个站 卫星通信只需要三颗空间卫星站就能覆盖全球 提供大量图像和声音通信波道 射频微波系统 84 13 5 1FRIIS传输方程 考虑图13 19所示的发射接收系统 接收到的功率为天线的增益与有效面积的关系为故 13 31 13 32 射频微波系统 85 这就是FRIIS功率传输方程 接收的功率与两个天线的增益成正比 与距离的平方成反比 如果接收功率等于接收灵敏度 Pr Si min 则最大通信距离为考虑系统损耗Lsys和接收机的噪声系数 则 13 33 13 34 射频微波系统 86 图13 19发射机与接收机示意图 射频微波系统 87 计算实例 两路通信系统 10GHz发射机的输出功率为100W 发射天线增益为36dB 接收天线增益为30dB 系统损耗为10dB 求40km处的接收功率 解在式 13 32 中考虑系统损耗 则 射频微波系统 88 13 5 2空间损耗 电磁波在空间传播 功率与距离的平方成反比 假定两个天线相同 则由式 13 32 得 13 35 射频微波系统 89 计算实例 计算4GHz信号在35860km处的衰减 由式 13 35 计算得 SL 3 61 1019 196dB 13 5 3通信链及信道概算 考虑系统损耗数据链的计算可以用式 13 32 表示 即 13 36 射频微波系统 90 换算成分贝 有 Pr Pt Gt Gr SL Lsys 13 37 计算实例 卫星与地面站如图13 20所示 工作频率为14 2GHz 波长为0 0211m 地面站发射功率为1250W 传输距离为37134km 星载接收机噪声系数为6 59dB 波道带宽为27MHz 计算各级指标分配情况 由式 13 35 得 SL 207 22dB 射频微波系统 91 图13 20卫星通信信道示意图 射频微波系统 92 卫表通信系统的指标分配如表13