射频微波系统.ppt

1、第13章 射频/微波系统,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,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。,(3) 效

2、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。,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：

3、 (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70 MHz）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（6.5 MHz）, 再进行调制。,(3) 将待发射的低频信号调制到发射中频（如70 MHz）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

4、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。,图 13-1 基本射频前端发射机电路,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。,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

5、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）,图 13-2 发射混频器的基本电路,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=fLOfIF。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=fLOmfIF 这些噪声需要特别加以抑制处理。,2. 上变频器的主要技术参数的定义和测量 1

6、) 变频耗损或增益 2) 二阶互调IP2 IP2=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）,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

7、,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。,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,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,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。,图 13-5 1dB压缩和线性动态范围 (a) 放大器的PSAT, P1dB和1dB功

8、率压缩点； (b) 放大器的1dB压缩和线性LDR关系图,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85 dBm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。一般地,隔离指标在60 dB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60 dB以上。 (

9、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。,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。,图 13-6 基本射频前端接收机基本电路,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

10、地,本振功率在7 dBm以上。中频放大器的灵敏度一般在60 dBm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。,图 13-7 二次混频接收机,13.2.3 接收机灵敏度 接收机灵敏度的定义为 （13 - 6） 式中, K1.3810-23J/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Fin

11、2和宽带的本振调幅噪声Fin3,即 FT=Fin1+Fin2+Fin3 (13-7),(13-8),(13-9),(13-10),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。,射频前端接收器可分

12、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。 ,表 13-1 接收机指标分配实例,其他相关指标特性如下： RF-BPF2镜像衰减量为10 dB, 等效噪声频宽为Bw=12kHz, LO输出功率为PLO=23.5 dBm,LO 单边带相位噪声为WNsb=-165 dBc/Hz,带通滤波器响应参数为0.0 dB fLOfIF、 10.0 dB 2fLOfIF、

13、 20.0 dB 3fLOfIF，混频噪声均衡比(Mixer Noise Balance)为30.0 dB fLOfIF、 25.0 dB 2fLOfIF、 20.0 dB 3fLOfIF,系统的实测信噪比为SNR=6dB (3.981)。计算过程如下： 步骤一： 求F in1。由上述公式可计算出表13-2 所列结果。,表 13- 2 Fin1的计算,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)。,表 13-3 Fin2的计算 1,表 13-4 Fin2的计算2,故可得

14、步骤三： 求Fin3 (见表13-5)。,表 13-5 Fin3的计算,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,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。,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、

15、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),图 13-8 本地振荡的频谱,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

16、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 fRF2fIF、 半中频fRF(fIF/2)、中频fIF,如图13 - 9 所示。,(13-12),图 13-9 常见的接收杂波响应,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。,图 13-10 双工接收的杂波,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

17、功放或发射机的互调定义类似,如图 13-11 所示。,图 13-11 n阶互调截止点,1. 二阶互调截止点IP2 IP2 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),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。,图 13-12 接收系统的IP2计算实例,表 13-6 已知条件,由式(13-13)可得 IP2INPUT=40-(-2+10-3)+2(10+0+15)=85 dBm 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I

18、P2INPUT=50 dBm,系统的接收灵敏度S=-115 dBm,同信道抑止率CR=5 dB,由式(13-14)可计算出此接收器的半中频杂波抑制度为,(13-14),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(n1)。对半中频而言, n=2。,4. 三阶互调截止点IP3 IP3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

19、)、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:,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,(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）=1

20、0 lg(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。,图 13-13 接收系统的IP3计算实例,表 13-7 已知条件,依据式(13- 16),计算得 IP3INPUT=8.02mW=9.04 dBm 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),计算实例： 假设

21、前例接收系统的S=-115 dBm, CR=5 dB, 则其内调制抑制率为 IMR= (29.04-2(-115)-5)=81 dB,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。,图 13-14 两个双工系统,13.4 雷达基本

22、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。,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。,1

23、3.4.1 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GGtGr,天线有效面积为AeAetAer, 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),图 13-15 雷达基本原理,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),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

24、-21),计算实例: 已知35 GHz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=290 K, G=66dB,（S0/N0）min= 10dB B=250 MHz, Lsys=10 dB, F=5 dB, n=10 已知条件换算成雷达方程内所用形式为 Pt=2106 W, T=290 K, G=66 dB3.98106（S0/N0）min=10dB=10, B=2.5108 Hz Lsys=10dB=10, F=5 dB=3.16, n=10 4.4510 -5m2, k=1.3810-23 J/K,代入式(13-22),可算得Rmax=35.8 k

25、m。 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。,图 13-16 雷达散射截面,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。,表 13

26、-8 人体在不同频率下的RCS,在厘米波段,常见物体的RCS的近似值如表 13-9 所示。,表 13-9 厘米波段常见物体的RCS近似值,雷达散射截面RCS还可以用dBSm表示,即散射截面相对于1 m2的dB值,如10 m2就是10dBSm。,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),可以想象, tR必须小于Tp,也就是说最大可测距离为,(12-25),图 13-17 脉冲雷达原理,增加脉冲周期,降低脉冲频率,可以提高

27、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 B1 （13 - 26） 比较合适。,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）,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）,由于vr远小于c, f0 很大时,处于微波频段,fd才

28、能明显地测出来。 接收信号频率为f0fd,“”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）,图 13-18 目标运动与雷达视线,计算实例： 警用雷达的工作频率为10.5 GHz,汽车以100 km/h的速度面向雷达,求多普勒频率。 已知=0, f=10.5 GHz, vr=v=100 km/h=27.78 m/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

29、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。,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。,13.5.1 FRIIS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）,这就是FRIIS功率传输方程,接收的功率与两个天线的

30、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）,图 13-19 发射机与接收机示意图,计算实例： 两路通信系统,10 GHz发射机的输出功率为100 W,发射天线增益为36 dB,接收天线增益为30 dB,系统损耗为10 dB,求40 km处的接收功率。 解 在式（13 - 32）中考虑系统损耗,则 ,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）,计算实例： 计算4 GHz信号在35 860 km处的衰减。 由式（13 - 35）计算得 SL=3.611019196 dB 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）,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14.2 GHz,波长为0.0211 m,地面站发射功率为1250 W,传输距离为37 134 km,星载接收机噪声系数为6.59 dB,波道带宽为27MHz。 计算各级指标分配情况。由式（13 - 35）得 SL=207.22 dB,图 13