《射频电路基础》课件第1章.pptx

1、第一章 射频电路导论第一章 射频电路导论1.1 射频电路的应用射频电路的应用1.2 射频电路的非线性特点射频电路的非线性特点1.3 本书的主要内容、组织结构和学习要求本书的主要内容、组织结构和学习要求本章小结本章小结思考题和习题思考题和习题第一章 射频电路导论“射频”一词的英文为“radiofrequency”,即无线电频率。为了实现无线电远程传输信 息、无线电探测和测距、无线电近距离组网和数据传输以及无线电无接触识别等功能,人 们先后发明和发展了无线电远程通信、雷达、蓝牙和射频识别等技术设备。其中,包含晶 体管、场效应管等有源器件的电路称为电子线路,而实现无线电的发射、接收以及信息的 加载和

2、提取的电子线路则称为射频电路。表1.1列出了目前常用的无线电频率的划分和使用情况。第一章 射频电路导论第一章 射频电路导论从表1.1中可以看出,射频覆盖的频率范围很广,根据频率从低到高,射频可分为以 下三类:(1)低于300kHz的为低频范围,包括极低频、超低频、特低频、甚低频和低频五个 频段;(2)300kHz 300MHz为高频范围,包括中频、高频和甚高频三个频段;(3)频率高于300MHz的范围为微波范围,包括特高频、超高频和极高频三个频段。相应地,射频电路也根据上述频率分为低频电子线路、高频电子线路和微波电子线路 三类。第一章 射频电路导论1.1 射频电路的应用射频电路的应用虽然射频电

3、路系统的具体设备多种多样,组成和复杂程度不同,但系统的最基本结构 相同,如图1.1.1所示,包括发射机和接收机两个主要部分。第一章 射频电路导论图1.1.1 射频电路系统的最基本结构第一章 射频电路导论图1.1.1中,信道即无线电波的传输媒质,如空气、真空、海水、地表。发射机的作用是把发射端用户要发送的信息经过输入变换器,变换为电信号,如话筒 的语音、摄像头的图像和各种传感器的感应信号读数,都要变换为电压或电流,这样的电 信号称为基带信号。接下来,为了适合在信道传输,发射机需要根据信道的特点(如信道对 各种频率的无线电波的反射和衰减),把基带信号经过发射变换器,生成适合信道传输的 频带信号。最

4、后,发射机需要把频带信号送上天线,变成无线电发射到信道中。第一章 射频电路导论接收机和发射机的功能与工作顺序正好相反。首先,置于信道中的天线从无线电感应 出频带信号,再通过接收变换器,从频带信号中恢复基带信号,基带信号最后经过输出变 换器,产生语音、图像和传感器的感应信号读数,分别通过扬声器、显示器、液晶面板等提 供给接收端用户。第一章 射频电路导论1.1.1 无线电远程通信无线电远程通信 无线电远程通信起始于意大利人马可尼从1895年开始的室外电磁波通信实验,最初 的目的是实现无线电报。经过100多年的发展,无线电远程通信从无线电报发展到无线电 广播、电视、移动通信等,逐步覆盖了陆地、海洋和

5、太空,从固定通信发展到移动通信,从 模拟通信发展到数字通信。无线电广播、电视和移动通信使用的无线电频率为300kHz 3000MHz。图1.1.2给出了无线电广播和电视系统的基本结构。第一章 射频电路导论图1.1.2 无线电广播和电视系统的基本结构第一章 射频电路导论工作过程中,发射机的核心任务是通过调制使低频基带信号变为高频已调波,而 接收机的核心任务是对已调波检波以恢复基带信号。之所以要进行调制和检波,主要是考 虑到高频已调波适合在空气和太空中以无线电波形式远程传输,而且高频已调波波长较 短,有利于发射天线和接收天线的小型化。另外,可以利用不同频率的已调波区分不同的 基带信号,以分别接收,

6、避免混淆。第一章 射频电路导论1.1.2 雷达雷达 雷达的工作原理基于1886年德国人赫兹验证的电磁波的产生、接收和目标散射现象。第二次世界大战期间,雷达大规模应用于对空中和海上目标的探测,包括目标的有无、距 离和方向,在战争中发挥了重要作用。二战时期和二战结束后,随着电子技术的进步,如 天线收发开关和磁控管的出现、大规模和超大规模集成电路和电子计算机的问世,雷达的 性能得到了极大提高,功能日趋强大,包括采用双/多基地发射天线和接收天线探测隐身 目标,采用脉冲多普勒工作体制获得目标的频域信息,采用有源电子扫描天线阵列实现多 目标跟踪和攻击,以及低探测率的隐身性能和实现同时多功能(如地形跟踪和对

7、空搜索同 时进行)等。第一章 射频电路导论图1.1.3给出了脉冲雷达系统的基本结构。图1.1.3 脉冲雷达系统的基本结构第一章 射频电路导论1.1.3 蓝牙蓝牙 瑞典的爱立信公司在1994年前后开始探索移动电话及其附属设备的无线电接口技术,IBM、英特尔、诺基亚和东芝公司于1998年加入,共同研发低功耗的无线电近距离组网和数据传输技术及协议标准,并将其正式命名为蓝牙,暗喻其统一无线局域网通信标准的前 景。蓝牙可实现移动电话、笔记本电脑、移动存储设备、键盘、鼠标、打印机、耳机等设备 之间随时随地的无线连接,同时也方便设备与因特网之间的高效率通信,并实现通信内容 和通信功能的多样化,构建资源共享的

8、局部个人网络。第一章 射频电路导论蓝牙工作在全球通用的2.4GHz工 业、科学和医学(ISM)频段,采用高斯频移键控(GFSK)调制,利用时分双工传输方案,最 大数据传输速率为1Mb/s,最大传输距离为10m,支持点对点及点对多点通信,通过采用 跳频、短数据包和自适应发射功率来进行调节以提高抗干扰能力,系统最大跳频速率为 1600跳/s,在2.4022.480GHz之间采用79个间隔1MHz的频点。第一章 射频电路导论图1.1.4给出了一种蓝牙无线电单元的基本结构。蓝牙无线电单元包括基带处理器和 无线电收发器。基带处理器用来实现系统同步时钟,发射数据和接收数据的准备和处理,无线电收发器的控制(

9、如发射功率调节和跳频选择)以及与蓝牙主机的数据交换等。第一章 射频电路导论图1.1.4 一种蓝牙无线电单元的基本结构第一章 射频电路导论无线电收发器中,鉴相器、环路低通滤波器和压控振荡器构成频率合成器,生成跳频 载波。在发射阶段,发射数据经过高斯低通滤波器,改变压控振荡器的振荡频率,生成 GFSK 信号,即已调波,经过功率放大器和平衡 不平衡转换器后,收发开关接到发射端,GFSK 信号送上天线发射。在接收阶段,收发开关接到接收端,GFSK 信号经过不平衡 平 衡转换器和低噪声放大器,用频率合成器提供的本振信号解调,再经过检测判决器,生成 接收数据,并与系统时钟同步。第一章 射频电路导论1.1.

10、4 射频识别射频识别 射频识别(RFID)的应用可以追溯到第二次世界大战,为了对雷达发现的空中目标进 行敌我识别,英国于1939年开始在自己的飞机上安装具有 RFID功能的系统,对己方雷达 发射的微波查询信号做出应答。1948年,HarryStockman在 ProceedingsoftheI.R.E.(InstituteofRadioEngineers)上 发 表 了 有 关 RFID 实 用 研 究 的 具 有 里 程 碑 意 义 的 论 文 CommunicationbyMeansofReflectedPower,预言了 RFID 的实用前景。此后30年,科技进步使得 RFID的大规模应

11、用成为现实。现在 RFID 系统广泛应用于出入检查、电子收费、物品管理、物流跟踪、交通管理和调度等各种军用和民用领域。第一章 射频电路导论图1.1.5是一种电感耦合 RFID 系统阅读器和电子标签的基本结构,阅读器和电子标 签都包括基带处理器和无线电收发器。基带处理器负责发射数据的编码和加密,以及接收 数据的解码和解密,阅读器的基带处理器还需要负责数据协议处理和与应用系统软件的数 据交换,电子标签的基带处理器还需要完成数据存储和读取。当数据从阅读器向电子标签 传输时,阅读器的无线电收发器通过振荡器产生载波,调制器用发射数据生成振幅键控(ASK)信号,经过功率放大器,送到线圈1。第一章 射频电路

12、导论线圈1和电子标签的线圈2可以分别看做一个 变压器的原边和副边,线圈2上通过电感耦合得到的 ASK 信号经过 ASK 解调和检测判决 器,获得接收数据。当数据从电子标签向阅读器传输时,阅读器在线圈1上提供载波电 流,电子标签的发射数据通过负载电阻调制器,改变电子标签的等效负载电阻,经过变压 器阻抗变换,改变线圈1上的反射电阻,从而改变了载波电压振幅,生成 ASK 信号,经 过带通滤波器和高频放大器后,ASK 解调和检测判决器给出接收数据。上述过程中,电子 标签始终通过电压控制器对线圈2上的感应电压进行整流、限幅和稳压,从而获得所需的 电能。第一章 射频电路导论图1.1.5 电感耦合 RFID

13、系统阅读器和电子标签的基本结构第一章 射频电路导论图1.1.6是一种电磁反向耦合 RFID 系统阅读器和电子标签的基本结构,为了提高数 据传输的频带利用率和抗干扰能力,采用了正交振幅调制(QAM)信号取代 ASK 信号。阅 读器通过频率合成器和功率分配器分别为调制和解调提供载波和本振信号。当数据从电子 标签向阅读器传输时,电子标签通过负载阻抗调制器改变电子标签的阻抗(包括大小和相位),对阅读器发射的载波进行正交振幅调制,调制后的 QAM 信号反射回阅读器,携带了 电子标签的数据。阅读器在天线前加接了环形器以隔离阅读器发射的载波和接收的 QAM 信号。第一章 射频电路导论图1.1.6 电磁反向耦

14、合 RFID系统阅读器和电子标签的基本结构第一章 射频电路导论1.2 射频电路的非线性特点射频电路的非线性特点非线性电路在射频电路中应用非常普遍,射频电路的主要组成部分,包括振荡、倍频、功率放大、调制、混频和解调都是用非线性电路完成的。非线性电路的输入信号和输出信 号之间成非线性关系。晶体管、场效应管放大器在大信号状态下工作时,由于有源器件转 移特性的非线性,会使得输出电流和输入电压之间表现出非线性关系。第一章 射频电路导论图1.2.1(a)和图(b)给出了晶体管的转移特性。直流偏置电压UBEQ 作为横坐标,确定 了转移特性曲线上直流静态工作点 Q 的位置,Q 的纵坐标是晶体管没有交流输入电压

15、时 输出的集电极静态电流ICQ。图1.2.1中对比了输入交流电压后小信号和大信号两种情况 下,线性放大和非线性放大输出的集电极电流iC 的波形。小信号线性放大时,iC与输入电 压uBE波形一致,而大信号非线性放大时,iC 和uBE的波形有明显差别。第一章 射频电路导论图1.2.1 基于晶体管转移特性的信号放大第一章 射频电路导论现在给晶体管提供两个交流输入电压u1=U1m cos1t和u2=U2m cos2t。小信号工 作(即振幅U1m 和U2m 都很小)时,工作点只在Q 附近很小的范围内沿转移特性曲线运动,可以近似认为这个范围内转移特性曲线是一段直线,电路是线性电路。集电极电流iC 的解 析

16、表达式可以写为第一章 射频电路导论上式是转移特性曲线以Q 为中心,在Q 附近的一阶泰勒级数展开式。其中,a0 是集电极 静态电流ICQ,a1 是晶体管在Q 处的交流跨导gm。上式可写为第一章 射频电路导论其中,a1u1和a1u2 是u1 和u2 分别输入时输出的交流电流,相加得到它们同时输入时产 生的输出,所以,以上线性电路适用叠加定理,而且iC 的交流成分中只存在和输入信号频 率相同的频率分量,即a1U1mcos1t和a1U2mcos2t。第一章 射频电路导论如果增大U1m 和U2m,使电路进入大信号状态工作,则工作点的运动范围扩大,在这个 大范围内,转移特性曲线不再近似为直线,电路变成了非

17、线性电路。为了体现这个非线性 关系,集电极电流iC 至少应该用转移特性曲线在Q 附近的二阶泰勒级数展开,即第一章 射频电路导论结果中除了和输入信号频率相同的频率分量外,还出现了包括1+2 和1-2 等新的频 率分量。第一章 射频电路导论1.3 本书的主要内容、本书的主要内容、组织结构和学习要求组织结构和学习要求本书的组织结构和简要内容如下:(1)谐振功率放大器。这部分介绍谐振功放的工作原理、工作状态、功率和效率的计 算,以及电路设计。(2)正弦波振荡器。这部分介绍正弦波振荡器的振荡条件以及各种类型正弦波振荡器 中振荡条件的实现,计算振荡频率,推导振幅起振条件,分析正弦波振荡器的频率稳定度。第一

18、章 射频电路导论(3)噪声与小信号放大器。这部分介绍射频电路噪声的来源与特性、各种主要元器件 的噪声等效电路模型、噪声系数和等效噪声温度的计算方法,并分析散射参数和各类射频 小信号放大器的特点和设计方法。(4)振幅调制与解调。这部分介绍振幅调制信号的分类、参数、频谱和功率分布,各种 振幅调制和解调的原理,以及各种典型实现电路和相关计算。(5)混频。这部分介绍混频的原理、各种典型实现电路和相关计算,并分析混频的各 种干扰。第一章 射频电路导论(6)角度调制与解调。这部分介绍调频信号和调相信号的时域参数、频谱和功率分布,各种频率调制和相位调制的原理,变容二极管调频和调相电路,以及调频信号和调相信号

19、 解调的各种原理和实现电路。(7)数字调制与解调。这部分介绍二进制和多进制振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)与相移键控(PSK)调制与解调 的 原 理,分 析 各 种 解 调 方 法 的 误 码 率,并 介 绍 正 交 振 幅(QAM)调制、偏移 QPSK(OQPSK)调制和最小频移键控(MSK)调制的原理。第一章 射频电路导论(8)反馈与控制。这部分介绍自动增益控制电路、自动频率控制电路和自动相位控制(锁相环)电路的特点、结构和应用。(9)数字频率合成。这部分介绍数字频率合成的实现技术及其应用、主流的数字锁相 频率合成技术和直接数字频率合成技术。虽然非线性电路在射频电路中可以完成多种功能

20、,但是都是基于非线性器件的传输特性 设计的,所以不同的非线性电路在工作原理和电路结构上有很多共性,对它们的分析过程也 有相似的规律性,学习本书需要从共性上认识各种非线性电路,从规律性上掌握分析过程。第一章 射频电路导论非线性电路用非线性代数方程和非线性微积分方程进行数学描述,模型的精确求解,尤 其是解析结果的获得比较困难,所以需要采用工程近似方法,根据实际情况对元器件的性能 和电路的工作条件进行合理近似,以此为基础,用简单的模型获得有实用意义的结果,如定 性分析电路功能,并在一定误差范围内给出定量的计算结果。除了学习各种典型的非线性电 路外,近似处理在工程分析过程中的合理应用是通过学习本书要掌

21、握的重要思想方法。第一章 射频电路导论本本 章章 小小 结结本章讲述了射频电路的定义、频谱范围、应用及特点。(1)射频电路用来实现无线电的产生、接收以及信息的加载和提取。根据无线电的频 率,射频电路分为低频电子线路、高频电子线路和微波电子线路三类。第一章 射频电路导论(2)射频电路包括发射机和接收机两个主要部分。在不同的应用中,发射机和接收机 的具体构成有所不同,但基本上,发射机包括振荡器、倍频器、高频放大器、调制器、功率 放大器、输入变换器、天线、电源等;接收机包括输入回路、高频放大器、本地振荡器、混 频器、中频放大器、检波器、输出变换器、天线、电源等。(3)射频电路的主要功能,包括振荡、倍

22、频、功率放大、调制、混频和解调都是用非线 性电路完成的。非线性电路的输出信号中会出现有用的新的频率分量。对非线性电路的分 析,不适宜采用叠加定理。第一章 射频电路导论思考题和习题思考题和习题1.1 什么是射频电路?其主要用途是什么?1.2 射频电路系统中,发射机和接收机的作用是什么?1.3 短波广播的波长范围为11.5130.4m,为了避免相邻电台之间的干扰,电台之 间的频率差至少为9kHz,则短波广播最多可以容纳多少个电台?1.4 无线电广播的发射机中调制的目的是什么?接收机采用超外差接收的优点是 什么?第一章 射频电路导论1.5 雷达系统中的频率合成器在信号发射和接收中的功能是什么?1.6 在通用的ISM 频段内,蓝牙无线电单元采用什么方式提高抗干扰能力?1.7 查找资料,画出一种 RFID阅读器的无线电单元的基本结构,分析其中各部分 的功能。1.8 无线电广播和电视系统的基本结构中,哪些功能的实现采用了非线性电路?1.9 与线性电路相比,非线性电路有哪些特征?第一章 射频电路导论1.10 图 P11(a)和图(b)中,晶体管的转移特性相同,分别工作在小信号状态和大 信号状态。(1)通过几何投影的方法近似作出集电极电流iC 的波形。(2)判断两种情况下iC 的平均值是否为集电极静态电流ICQ。第一章 射频电路导论图 P11