射频电路设计10.ppt

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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。

VSSZSZLLSinouta1a2b1b2b1ina1a1bSSb1参照上图，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-Sin=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Lout1。

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k1Lout1Sin1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，S211.9931-0.303i，S221.2061-0.1742i。

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：

等效于输入稳定性判定圆输出稳定性判定圆5045j0.64为了使outL1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=45j0.64。

利用一个匹配网络可以将45j0.64变换50。

匹配网络如下图：

传输线编号电长度（角度）宽度（mil）长度（mil）TL18874310TL34574158TL49674338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/4变阻器/4开路线开路线移相线/4去中频定向耦合器本振入吸收负载信号入1243输入部分/4变阻器/4开路线开路线移相线/4去中频定向耦合器本振入吸收负载信号入1243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/4变阻器/4开路线开路线移相线/4去中频定向耦合器本振入吸收负载信号入12431）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去中频3dB功分定向耦合器本振入信号入1234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）=g02gncosn（Lt）g2（t）=g02gncosn（Lt+/2）设sL,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）=g1Vscosst（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）消除本振噪声本振谱ifif中放带宽中放带宽vn1（t）=Vncos（Lif）tvn2（t）=Vncos（Lif）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）=g1Vncosiftin2（t）=g1Vncosift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（-nm/2）ej（nLms）ti2（t）=|Inm|ej（n/2）ej（nLms）t负载上中频电流为i（t）i1（t）i1（t）inm（t）|Inm|ejnej（-n/2m/2）ej（nLms）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射频/微波系统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射频发射机基本知识11发射机基本参数发射机基本参数频率或频率范围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射频发射机基本知识32发射机基本结构发射机基本结构IF滤波放大RF滤波放大本振天线待发射基带信号上变频功放主要的谐波信号有下列几种：

（假设fRF=fLO+fIF）1.镜频信号（ImageFrequency）：

2.载波谐波信号（CarrierHarmonics）：

，n=正整数3.边带谐波信号（HarmonicSidebands）：

fim=fLO-fIFnfLOfsb=fLOmfIF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带通滤波器频谱分析仪中频信号射频本振混频器fLOfIFPIFfOUT上混频器的IP2测量示意图*两阶互调截止点（Second-OrderInterceptPoint，IP2）:

IP2=PRF+（PRFB-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fLOfLO+fIFfIFPRF（dBm）Lc（dB）Pin（dBm）（dBm）B（dBm）fLO+2fIF上变频混频器的三阶谐波fRF1fRF2f2f1fLOfLO+2f1f2fLO+2f2f1fLO+f1fLO+f2（dB）PIN（dBm）IntermodulationSignalsDesiredSignals三阶互调截止点（Third-OrderInterceptPoint，IP3）IP3=PIN+/2带通滤波器频譜分析仪双频信号本振信号fLOf1f2混频器的IP3测量示意图AVto