第二软件无线电关键技术剖析课件.ppt
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- 第二 软件 无线电 关键技术 剖析 课件
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1、第2章 软件无线电关键技术2.1 2.1 射频射频/微波技术微波技术2.1.1 概述射频强调的是信号的辐射特性。射频主要用途是迅速、准确地传输信息,克服距离上 的障碍,是传输信息的载体。射频信号是模拟信号。微波是一种波长较短的电磁波,微波的波长在1mm1m 之间,其频率范围相当于300GHz300MHz。微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术,在雷达、通信、导航、遥感、电子对抗以及工农业和科学研究等方面,微波技术都得到了广泛的应用。2.1.2 2.1.2 微波微波“铁三角铁三角”1.1.微波微波“铁三角铁三角”的概念的概念 射频射频/微波电路是构成通信系统、雷达系统和其它微微波电路是构成通信
2、系统、雷达系统和其它微波应用系统中的发射机和接收机的关键部件。波应用系统中的发射机和接收机的关键部件。微波电路的核心问题是正确处理电路的阻抗、频率和微波电路的核心问题是正确处理电路的阻抗、频率和功率的关系功率的关系,射频射频/微波电路的根本是能量的传输或变换。微波电路的根本是能量的传输或变换。射频射频/微波电路可分为以下三大类。微波电路可分为以下三大类。(1 1)微波无源电路)微波无源电路 如金属谐振腔滤波器、介质腔体滤波器、微带滤波如金属谐振腔滤波器、介质腔体滤波器、微带滤波器、功率分配器、耦合器、程控衰减器等。器、功率分配器、耦合器、程控衰减器等。(2 2)微波有源电路)微波有源电路 如微
3、波放大器、微波振荡器、微波调制解调器、开关、如微波放大器、微波振荡器、微波调制解调器、开关、移相器、混频器、倍频器、频率合成器移相器、混频器、倍频器、频率合成器,功率放大器等。功率放大器等。(3 3)T/RT/R组件组件 由上述多种元器件构成的微波发射接收功能模块由上述多种元器件构成的微波发射接收功能模块,或或称为称为T/RT/R组件。组件。为了实现上述各个电路的功能为了实现上述各个电路的功能,需要解决的核心问题需要解决的核心问题是以下三大主要方面是以下三大主要方面:频率、阻抗和功率。只要合理地频率、阻抗和功率。只要合理地处理好三者的关系处理好三者的关系,就能实现预期的电路功能。就能实现预期的
4、电路功能。由于频率、阻抗和功率是贯穿射频由于频率、阻抗和功率是贯穿射频/微波工程的三大微波工程的三大核心指标核心指标,将其称为将其称为“射频铁三角射频铁三角”,形象地反映了射频,形象地反映了射频/微波工程的基本内容。微波工程的基本内容。这三方面既有独立特性这三方面既有独立特性,又相互影响。这就是射频又相互影响。这就是射频/微波工程的核心问题。微波工程的核心问题。(1 1)频率)频率 频率是射频频率是射频/微波工程中最基本的一个参数微波工程中最基本的一个参数,对应对应于无线系统所工作的频谱范围于无线系统所工作的频谱范围,也规定了所研究的微波也规定了所研究的微波电路的基本前提电路的基本前提,进而进
5、而,决定微波电路的结构形式和器件决定微波电路的结构形式和器件材料。材料。直接影响频率的射频直接影响频率的射频/微波电路有微波电路有:1)1)信号产生器信号产生器 用来产生特定频率的信号用来产生特定频率的信号,如点频振荡器、机械调如点频振荡器、机械调谐振荡器、压控振荡器、频率合成器等。谐振荡器、压控振荡器、频率合成器等。2)2)频率变换器频率变换器 将一个或两个频率的信号变为另一个所希望的频率将一个或两个频率的信号变为另一个所希望的频率信号信号,如分频器、变频器、倍频器、混频器等。如分频器、变频器、倍频器、混频器等。3)3)频率选择电路频率选择电路 在复杂的频谱环境中在复杂的频谱环境中,选择所关
6、心的频谱范围。经典选择所关心的频谱范围。经典的频率选择电路是滤波器的频率选择电路是滤波器,如低通滤波器、带通滤波器、如低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器等。高通滤波器和带阻滤波器等。近年发展起来的高速电子开关由于体积小近年发展起来的高速电子开关由于体积小,在许多在许多方面取代了滤波器实现频率选择。方面取代了滤波器实现频率选择。在射频在射频/微波工程中微波工程中,这些电路可以独立工作这些电路可以独立工作,也可以也可以相互组合相互组合,还可以与其它电路组合还可以与其它电路组合,构成射频构成射频/微波电路微波电路子系统。子系统。这些电路的测量仪器有频谱分析仪、频率计数器、这些电路的测量仪
7、器有频谱分析仪、频率计数器、功率计、网络分析仪等。功率计、网络分析仪等。(2 2)功率)功率 功率用来描述射频功率用来描述射频/微波信号的能量大小微波信号的能量大小,所有电路所有电路或系统的设计目标都是实现射频或系统的设计目标都是实现射频/微波能量的最佳传递。微波能量的最佳传递。对射频对射频/微波信号功率影响的主要电路有微波信号功率影响的主要电路有:1)1)衰减器衰减器 控制射频控制射频/微波信号功率的大小。通常是由有耗材料微波信号功率的大小。通常是由有耗材料(电阻性材料电阻性材料)构成。有固定衰减量和可调衰减量之分。构成。有固定衰减量和可调衰减量之分。2)2)功分器功分器 将一路射频将一路射
8、频/微波信号分成若干路的组件微波信号分成若干路的组件,可以是等分可以是等分的的,也可是比例分配的也可是比例分配的,希望分配后信号的损失尽可能地希望分配后信号的损失尽可能地小。功分器也可用作功率合成器小。功分器也可用作功率合成器,在各个支路口接同频在各个支路口接同频同相等幅信号同相等幅信号,在主路叠加输出。在主路叠加输出。3)耦合器 定向耦合器是一种特殊的分配器。通常是耦合一小部分功率到支路,用以检测主路信号工作状态是否正常。分支线耦合器和环形桥耦合器实现不同相位的功率分配合成,配合微波二极管,完成多种功能微波电路,如:混频、变频、移相等。4)放大器 提高射频/微波信号功率的电路。在射频/微波工
9、程中地位极为重要。用于接收机中的小信号放大器,低噪声高增益贯串设计任务的始终;用于发射机中的功率放大器,为了满足要求的输出功率,不惜器件和电源成本;用于测试仪器中的放大器,完善和丰富了仪器的功能。(3 3)阻抗)阻抗 阻抗是在特定频率下阻抗是在特定频率下,描述各种射频描述各种射频/微波电路对微波电路对微波信号能量传输影响的一个参数。微波信号能量传输影响的一个参数。构成电路的材料和结构对工作频率的响应决定了构成电路的材料和结构对工作频率的响应决定了电路阻抗参数大小。工程实际中电路阻抗参数大小。工程实际中,努力的方向是设法改进努力的方向是设法改进阻抗特性阻抗特性,实现能量的最大传输。实现能量的最大
10、传输。所涉及的射频所涉及的射频/微波电路有微波电路有:1 1)阻抗变换器)阻抗变换器 增加合适的元件或结构增加合适的元件或结构,实现一个阻抗向另一个阻抗实现一个阻抗向另一个阻抗的过渡。的过渡。2 2)阻抗匹配器)阻抗匹配器 是一种特定的阻抗变换器是一种特定的阻抗变换器,实现两个阻抗之间的匹配。实现两个阻抗之间的匹配。3 3)天线)天线 是一种特定的阻抗匹配器是一种特定的阻抗匹配器,实现射频实现射频/微波信号在封闭微波信号在封闭传输线和空气媒体之间的匹配传送。传输线和空气媒体之间的匹配传送。可以看出可以看出:射频铁三角渗透到射频射频铁三角渗透到射频/微波工程各个角落。微波工程各个角落。射频射频/
11、微波工程核心问题就是建立稳定可靠的铁三角。微波工程核心问题就是建立稳定可靠的铁三角。无论电磁场理论的方法还是等效网络的方法都可归结无论电磁场理论的方法还是等效网络的方法都可归结为折中处理频率、阻抗、和功率的关系。为折中处理频率、阻抗、和功率的关系。2.2.微波的特点微波的特点(1 1)似光性(波长短)似光性(波长短)微波波长较短时微波波长较短时 当微波的波长比地球上的宏观物体当微波的波长比地球上的宏观物体(如飞机、舰船、如飞机、舰船、导弹、卫星、建筑物等导弹、卫星、建筑物等)的几何尺寸小得多时,微波照射的几何尺寸小得多时,微波照射到这些物体上将产生强烈的反射。到这些物体上将产生强烈的反射。此直
12、线传播的特点与几何光学相似,故可以说微波此直线传播的特点与几何光学相似,故可以说微波具有具有“似光性似光性”。利用这一特殊,可以制成体积小、。利用这一特殊,可以制成体积小、方向性很强的微波天线,用来发射或接收微弱的微波方向性很强的微波天线,用来发射或接收微弱的微波信号,从而为雷达、微波中继通信、卫星通信和导弹等信号,从而为雷达、微波中继通信、卫星通信和导弹等提供必要条件。提供必要条件。微波最早的应用实例微波最早的应用实例雷达。雷达。微波波长较长时微波波长较长时 当微波的波长与实验设备(比如波导、微带、当微波的波长与实验设备(比如波导、微带、谐振腔呈其它微波元件)的尺寸相比在同数量级时,谐振腔呈
13、其它微波元件)的尺寸相比在同数量级时,使得电磁能量分布于整个微波电路之中,形成所谓使得电磁能量分布于整个微波电路之中,形成所谓“分布参数分布参数”系统。系统。这与低频电路有原则区别,因为低频时电场和这与低频电路有原则区别,因为低频时电场和磁场能量是分别集中于所谓磁场能量是分别集中于所谓“集总参数集总参数”的各个元件中。的各个元件中。(2 2)具有穿透性)具有穿透性 利用本身的高频振荡,微波可以穿透电离层。利用本身的高频振荡,微波可以穿透电离层。由于微波不能被电离层所反射,所以微波的地面由于微波不能被电离层所反射,所以微波的地面通信只限于天线的视距范围之内,远距离微波通信需通信只限于天线的视距范
14、围之内,远距离微波通信需要用中继站接力。要用中继站接力。另一方面,微波能穿透电离层,可以用来进行宇另一方面,微波能穿透电离层,可以用来进行宇航通信、卫星通信和射电天文学研究等,因此微波开航通信、卫星通信和射电天文学研究等,因此微波开辟了电磁波谱中的一个的辟了电磁波谱中的一个的“宇宙窗口宇宙窗口”。微波还可以穿过生物体,即能够深入物质(介质)微波还可以穿过生物体,即能够深入物质(介质)内部,研究分子和原子核的结构,内部,研究分子和原子核的结构,是近代微波波谱学是近代微波波谱学和量子电子学所依据的基本物理基础。和量子电子学所依据的基本物理基础。宇宇宙宙窗窗口口 在微波波段有若干个可以通过电离层的在
15、微波波段有若干个可以通过电离层的“宇宙宇宙窗口窗口”,因而微波是独特的宇宙通讯手段。,因而微波是独特的宇宙通讯手段。(3 3)信息容量大(频率高)信息容量大(频率高)由于微波频率极高,它的实际可用频带很宽,可达由于微波频率极高,它的实际可用频带很宽,可达10109 9 HzHz数量级,这是低频无线电波无法比拟的。频带宽数量级,这是低频无线电波无法比拟的。频带宽意味着信息容量大,因而微波可作为多路通信的载频。意味着信息容量大,因而微波可作为多路通信的载频。另外,微波受外界干扰小,且不受电离层变化影响,另外,微波受外界干扰小,且不受电离层变化影响,通信质量高于低频无线电波通信质量高于低频无线电波。
16、(4 4)量子特性)量子特性 由于低频电波的频率很低,量子能量很小,不足以由于低频电波的频率很低,量子能量很小,不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键,量子特性改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键,量子特性不明显。不明显。微波波段的电磁波,单个量子的能量为微波波段的电磁波,单个量子的能量为1010-6-6 1010-3-3eVeV。因此,微波可用来研究分子和原子的精细结构。同样,因此,微波可用来研究分子和原子的精细结构。同样,在超低温时物体吸收一个微波量子也可产生显著反应。在超低温时物体吸收一个微波量子也可产生显著反应。上述两点对近代尖端科学,如微波波谱学、量子无上述两点对近代尖端科学
17、,如微波波谱学、量子无线电物理的发展都起着重要作用。线电物理的发展都起着重要作用。利用此特性和原理,可研制适用于许多微波波段的利用此特性和原理,可研制适用于许多微波波段的器件器件。微波微波似光性似光性定位天线定位天线 频率高频率高 多路通信多路通信 穿透电离层穿透电离层 天文学研究天文学研究 量子特性量子特性 微波波谱学微波波谱学 微波的特点归纳起来主要为以下几方面:微波的特点归纳起来主要为以下几方面:2.1.3 2.1.3 射频前端(射频前端(RF Front-End RF Front-End)射频前端:靠近天线的部分,发射、接收和处理射频信号,包括发射通路和接收通路。射频前端部件包括:天线
18、无源器件 滤波器、功分器、定向耦合器、隔离器、衰减器、移相器、阻抗变换器、耦合器等。有源器件 LNA、PA、双工器、开关等。作为智能天线系统中的关键部件,射频前端在一定程度上决定了整个系统的通信质量。基本射频前端接收机电路基本射频前端接收机电路IFA解 调天 线IF混 频 器LO滤 波RFLNARF 包括接收天线、射频滤波器、小信号低噪声放包括接收天线、射频滤波器、小信号低噪声放大器、本振、混频器、中频滤波器、中频放大器等。大器、本振、混频器、中频滤波器、中频放大器等。基本射频前端发射机电路基本射频前端发射机电路放 大功 放天 线RF滤 波上 变 频LO滤 波本 振IF滤 波放 大待 发 射基
19、 带信 号 包括中频放大器、中频滤波器、上变频混频器、包括中频放大器、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、发射天线等。波振荡器、载波滤波器、发射天线等。1.1.微波传输线微波传输线 传输线是用来将电磁能量和信息从一处传输到另一传输线是用来将电磁能量和信息从一处传输到另一处的装置,应用于微波波段的传输线称为微波传输线。处的装置,应用于微波波段的传输线称为微波传输线。传输线是指能够引导电磁波沿一定方向传输的导体、传输线是指能够引导电磁波沿一定方向传输的导体、介质或由它们构成的导波系统的总称,其所
20、引导的电磁介质或由它们构成的导波系统的总称,其所引导的电磁波称为导行波。波称为导行波。信号从发射机到天线或从天线到接收机的传送都是信号从发射机到天线或从天线到接收机的传送都是由传输线来完成。由传输线来完成。把导行波传播的方向称为纵向,垂直于导行波传播把导行波传播的方向称为纵向,垂直于导行波传播的方向称为横向。的方向称为横向。一般将截面尺寸、形状、媒介分布、材料及边界一般将截面尺寸、形状、媒介分布、材料及边界条件均不变的导波系统称为规则导波系统条件均不变的导波系统称为规则导波系统,又称为均又称为均匀传输线。匀传输线。传输线本身的不连续性可以构成各种形式的微波传输线本身的不连续性可以构成各种形式的
21、微波无源元器件,这些元器件和均匀传输线、有源元件及无源元器件,这些元器件和均匀传输线、有源元件及天线一起构成微波系统。天线一起构成微波系统。微波传输线的用途和种类微波传输线的用途和种类 在不同的工作条件下,对传输线的要求是不同的,在不同的工作条件下,对传输线的要求是不同的,因此须采用不同形式的传输线。在低频时,普通的双因此须采用不同形式的传输线。在低频时,普通的双导线就可完成传输作用,例如电力传输线。但是,随导线就可完成传输作用,例如电力传输线。但是,随着工作频率的升高,由于导线的趋肤效应和辐射效应着工作频率的升高,由于导线的趋肤效应和辐射效应的增大使它的正常工作被破坏。因此,在高频和微波的增
22、大使它的正常工作被破坏。因此,在高频和微波波段必须采用与低频情况下形式完全不同的传输线。波段必须采用与低频情况下形式完全不同的传输线。传输线不仅用于传送电能和电信号,还可以构传输线不仅用于传送电能和电信号,还可以构成电抗性的谐振元件。成电抗性的谐振元件。例如,长度小于例如,长度小于1/41/4波长的终端短路或开路的传输波长的终端短路或开路的传输线,其输入阻抗是感抗或容抗;长度可变的短路线可线,其输入阻抗是感抗或容抗;长度可变的短路线可用作调配元件(短截线匹配器)。用作调配元件(短截线匹配器)。又如长度为又如长度为1/41/4波长的短路线或开路线分别等效于波长的短路线或开路线分别等效于并联或串联
23、谐振电路,称为谐振线;其中并联或串联谐振电路,称为谐振线;其中1/41/4波长短波长短路线的输入阻抗为无穷大,可用作金属绝缘支撑等。路线的输入阻抗为无穷大,可用作金属绝缘支撑等。此外,还可利用分布参数传输线的延时特性制成此外,还可利用分布参数传输线的延时特性制成仿真线等电路元件。仿真线等电路元件。一般来讲,微波传输线从结构上大体可分为三类,一般来讲,微波传输线从结构上大体可分为三类,第一类是双导体结构的传输线,如平行双导线、同轴线、第一类是双导体结构的传输线,如平行双导线、同轴线、带状线等。由于它主要传播的是横电磁波(波),带状线等。由于它主要传播的是横电磁波(波),称为波传输线。称为波传输线
24、。第二类是均匀填充介质的波导管,如矩形波导、第二类是均匀填充介质的波导管,如矩形波导、圆波导等,这一类传输线不能传输波,而只能圆波导等,这一类传输线不能传输波,而只能传输色散的横磁波(波)或横电波(波),传输色散的横磁波(波)或横电波(波),称为色散波传输线。称为色散波传输线。第三类是介质传输线。这类传输线传输的是色散第三类是介质传输线。这类传输线传输的是色散的横电波(波)和横磁波(波)混合波,并且的横电波(波)和横磁波(波)混合波,并且电磁波主要是沿线的表面传播,称为表面波传输线。电磁波主要是沿线的表面传播,称为表面波传输线。微波传输线的种类与用途微波传输线的种类与用途 类类 型型工工 作作
25、 波波 型型名名 称称应应 用用 波波 段段TEM TEM 波波传输线传输线TEM 型波平行双线平行双线同轴线同轴线带状线、微带带状线、微带米波、分米波低频端分米波、厘米波分米波、厘米波金属波金属波导导TETE、TM TM 型波型波矩形波导、圆矩形波导、圆形波导、椭圆形波导、椭圆波导、脊波导波导、脊波导厘米波、毫厘米波、毫米波低频端米波低频端表面波表面波传输线传输线混合型混合型波波介质波导、介质介质波导、介质镜象线、单根表镜象线、单根表面波传输线面波传输线毫米波毫米波各种类型的传输线各种类型的传输线(a)(a)(b)(b)(c)(c)(d)(d)(e)(e)(f)(f)(a)(a)是平行双线,
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