射频实验报告.docx
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射频实验报告
射频电路实验报告
12/13学年第1学期
学院：
信息与通信工程学院
专业：
电子信息科学与技术
学生姓名：
学号：
指导教师：
李永红
日期:
2012年10月28日
实验一滤波器设计
一、实验目的
（1）掌握基本的低通和带通滤波器的设计方法。
（2）学会使用微波软件对低通和高通滤波器进行设计和仿真，并分析结果。
二、预习内容
（1）滤波器的相关原理。
（2）滤波器的设计方法。
三、实验设备
MicrowaveOffice软件
四、理论分析
滤波器的种类：
（1）按通带特性分为低通、高通、带通及带阻四种。
（2）按频率响应分为巴特沃斯、切比雪夫及椭圆函数等。
（3）按使用原件又可分为L-C性和传输线型。
五、软件仿真
设计一个衰减为3dB，截止频率为75MHz的[切比雪夫型1dB纹波LC低通滤波器（Zo=50ohm），并且要求该滤波器在100MHz至少有20dB的衰减。
图1-1切比雪夫型1dB纹波LC低通滤波器电路图
图1-2模拟仿真结果
六、结果分析
经过仿真，得到了两种滤波器的频率特性的到了结果。
红色的曲线为低通滤波器，蓝色的为带通滤波器，两种滤波器的特性可以鲜明地在图上看出差别。
低通滤波器在低频区域，是通带，通带非常的平缓，纹波较低，但是截至段不是很陡。
带通滤波器具有较好的陡峭特性，但是相对而言，通带比较窄而且纹波较大。
实验二放大器设计
一、实验目的
（1）掌握射频放大器的基本原理与设计方法。
（2）学会使用微波软件对射频放大器进行设计和仿真，并分析结果。
二、预习内容
（1）放大器的基本原理。
（2）放大器的设计方法。
三、实验设备
MicrowaveOffice软件
四、理论分析
射频晶体管放大器常用器件为BJT、FET、MMIC。
放大器电路的设计主要是输入/输出匹配网络。
输入匹配网络可按低噪声或高增益设计，输出匹配网络要考虑尽可能高的增益。
五、软件仿真
设计一900MHz放大器。
其中电源为12VDC，输出入阻抗为50Ω。
AT4151之S参表（VCE=8V，IC=25mA，Zo=50Ω，TA=25℃）如下列
Freqency
（GHz）
S11
S21
S12
S22
Mag.
Ang.
Mag.
Ang.
Mag.
Ang.
Mag.
Ang.
0.5
0.49
-153
12.7
98
0.030
50
0.42
-35
0.6
0.48
-159
10.7
94
0.034
52
0.39
-35
0.7
0.48
-163
9.3
90
0.037
53
0.38
-35
0.8
0.47
-167
8.2
87
0.040
55
0.37
-36
0.9
0.47
-170
7.3
85
0.044
56
0.36
-37
1.0
0.47
-171
6.6
82
0.047
57
0.37
-38
1.5
0.44
177
4.9
71
0.065
59
0.40
-42
2.0
0.41
163
3.4
61
0.083
58
0.42
-45
图2-1900MHz放大器电路图
图2-2模拟仿真结果
六、结果分析：
本设计是设计一个放大器，其通频段是0到900MHz,然后根据图上的蓝色和红色曲线可见LC组成的网络的幅频特性曲线，可见这个网络在900MHz左右会对信号有一个比较大的衰减，因此必须对输出网络进行阻抗匹配，而且匹配网络的中心频率在900MHz左右，才可以做好阻抗匹配。
实验三振荡器设计
一、实验目的
（1）掌握射频振荡器的基本原理与设计方法。
（2）学会使用微波软件对射频放大器进行设计和仿真，并分析结果。
二、预习内容
（1）振荡器的基本原理。
（2）振荡器的设计方法。
三、实验设备
MicrowaveOffice软件
四、理论分析
射频晶体管振荡器电路可分为三大部分：
二端口有源电路、谐振电路及输出负载匹配电路。
五、软件仿真
设计一800MHz振荡器。
其中电源为12VDC，负载阻抗为50Ω。
AT41511之S参表（VCE=8V，IC=25mA，Zo=50Ω，TA=25℃）如下列。
表4.1AT41511之S参表
Freqency
（GHz）
S11
S21
S12
S22
Mag.
Ang.
Mag.
Ang.
Mag.
Ang.
Mag.
Ang.
0.5
0.49
-153
12.7
98
0.030
50
0.42
-35
0.6
0.48
-159
10.7
94
0.034
52
0.39
-35
0.7
0.48
-163
9.3
90
0.037
53
0.38
-35
0.8
0.47
-167
8.2
87
0.040
55
0.37
-36
0.9
0.47
-170
7.3
85
0.044
56
0.36
-37
1.0
0.47
-171
6.6
82
0.047
57
0.37
-38
1.5
0.44
177
4.9
71
0.065
59
0.40
-42
图3-1800MHz振荡器电路图
图3-2模拟仿真结果
六、结果分析：
有仿真结果可以看出，设计的振荡器的中心频率在800MHz左右，具有较好的矩形窗，在整个频段内，只有290MHz左右有一个非常微小的噪声，在整个频段内，振荡信号还是频谱很集中的，具有较好的频率特性。
整个振荡信号的频谱宽度有100MHz，但中心频率的增益有15.8dB，相比较而言，这个振荡器还是很好的。
实验四射频前端发射机与接收机
1、实验目的
1.了解[射频前端发射器]之基本架构与主要设计参数。
2.利用实验模组的实际测量得以了解[射频前端发射器]之特性。
2、预习内容
（1）振荡器的基本原理。
（2）振荡器的设计方法。
三、实验设备
项次
设备名称
数量
备注
1
MOTECHRF2000测量仪
1套
2
[发射器]模组、[接收器]模组
1套
3
[微带天线]
1组
RF2KM10-1A
4
示波器
1台
5
50ΩBNC及1MΩBNC连接线
4条
CA-1、CA-2、CA-3、CA-4
6
直流电源连接线
1条
DC-1
7
MicrowaveOffice软件
四、理论分析
发射器：
在无线通讯中，发射机担任着重要的角色，无论是话音还是数据信号要利用电磁波传送到远端，都必需使用射频前端发射机。
一个典型的发射机电路如图5.1所示，可分成九个部分：
中频放大器（IFAmplifier），中频滤波器（IFBnadpassFilter），上变频混频器（Up-Mixer;UpConverter），射频滤波器（RFBandpassFilter），射频驱动放大器（RFDriverAmplifier），射频功率放大器（RFPowerAmplifier），载波振荡器（CarrierOscillator;LocalOscillator），载波滤波器（LOBPF），发射天线（Antenna）。
本单元中将就上变频混频器部分的基本原理做一说明，并介绍发射器的几个重要设计参数.
图4-1基本射频前端发射器结构图
（一）
[升频混频器]的基本原理
[升频混频器]的基本电路结构图如图11-2所示.在二极管上的电流可以（11-1）表示.
其中
IS=二极管的饱和电流
VIF=中频信号的振幅大小
fIF=中频信号的频率大小
VLO=载波信号的振幅大小
FLO=载波信号的频率大小
[混频]后的输出射频频率为
其中m，n可为任一正负整数
在绝大多数的应用上,RF频率应是载波及IF频率的和或差,即是
.至于取[和频]或[差频]则根据发射器射频规格及系统参数,利用射频输出端的滤波器可以阻隔三端间的互相干扰（ISOLATION）,以避免其他不必要的混频信号[漏]（LEAKAGE）到输出端造成的噪声（SPURIOUS）.主要的噪声信号,有下列几种:
（假设
）
1.镜频信号（IMAGEFREQUENCY）:
2.载波信号的谐波（CARRIERHARMONICS）:
，n=正整数
3.旁波带谐波信号（HARMONICSIDEBANDS）:
上述噪声皆是在[混频器]及[滤波器]设计中,须特别加以抑制处理的.
图4-2基本混波器电路结构图
（二）[混频器]的主要技术参数
（1）变频耗损或增益（CONVERSIONLOSS/GAIN,LC）
除非有特别注明,一般所称的[变频耗损]皆是以上式为定义,即是指[单边带变频耗损]（SINGLE-SIDEBAND（SSB）CONVERSIONLOSS）,也就是只考虑射频输出信号频率为fLO+fIF或fLO-fIF.若是定义为[双边带变频耗损]（DOUBLE-SIDEBAND（DSB）CONVERSIONLOSS）,则会较[单边带转频耗损]低3dB.
（2）输入端回波耗损或电压驻波比（PORTRETURNLOSSORVSWR）
如同其他射频电路,输入端的回波耗损或电压驻波比是评断匹配与否的重要参数.对[混频器]而言,其[输入端电压驻波比]规格一般是定在2:
1（IRL=-10）,最差为2.5:
1（-7.3）.而各端口的回波耗损,受[LO端输入功率]的增加,各端口的阻抗会随之降低,致使各端口的回波耗损变大.
（3）信号端与本振端的隔离比（PORTISOLATION）
[信号端与本振端的隔离比]为评量LO端与RF端之间,及LO端与IF端之间噪声的干扰抑制程度.
LO端最低输入功率（MINIMUMLOPOWERREQUIRED）
对于[混频器]而言,LO端最低输入功率的大小直接影响到[混频]的效果好坏.所以,一般订定有此项规格.而功率越低者,在应用上越方便.
镜象抑制度（IMAGEREJECTION）
对于[降频混频器]而言,IF输出信号频率可由LO与RF两输入端信号频率相减而得.以fIF=fRF-fLO為例为例,[镜象]为fim=2fLO-fRF.即是说若RF端输入[镜象]信号亦可得到同频的IF信号,fim-fRF=fIF.[镜象]所造成的问题有二.第一是提供干扰信号通路,即是[镜象]信号会从RF端进入后,也可以从IF端输出.如此势必干扰到真正系统设计的RF信号的[变频]输出.第二是使得[混频器]的[噪声指数]（NIOSEFIGURE）增加3dB.解决之道是在RF输入端加一个[镜象滤波器]来抑制[镜象]信号的输入.而对于[升频混频器]而言,大致与[降频混频器]相似,只是RF输入端改成IF输入端.
（4）噪声抑制度（SPURIOUSREJECTION）
对[混频器]而言,[噪声]的定义是指在输出端非是设计所需频率（fIF）的其他信号.尤其是输入信号的谐波所[混频]出来的结果.一般是利用输出端的滤波器来抑制[噪声].
二阶互调截止点（SECOND-ORDERINTERCEPTPOINT,IP2）（以[降频器]为例）
IP2=PRF+（PRF–B-LC）
其中。
IP2=[混频器]的输入二阶互调截止点.（dBm）
PRF=[混波器]RF输入端的输入信号功率。
（dBm）
LC=[混波器]输入信号频率fRF=fLO+fIF时,所没得的[转频耗损]（ConversionLoss）。
（dB）
B=[混波器]输入信号频率fRF=fLO+0.5fIF时,所没得输出端频率为2fIF的信号之功率.（dBm）
[降频器]的IP2测量电路应与频谱示意图,如图12-3（a）（b）所示.[升频器]则亦类似.
图4-3（a）降频器的IP2测量
（5）三阶互调截止点（THIRD-ORDERINTERCEPTPOINT,IP3）
其中IP3=[混频器]的输入[三阶互调截止点].
PIN=[混频器]输入端的输入信号的功率.
Δ=[混频器]输出端中,设计输出信号与[内调制]（INTER-MODULATION,IM）信号的功率差.（dB）
以[升频器]为例,[混频器]的IP3测量图及频谱示意图,如图示2-4（a）（b）所示.
图4-4（b）升频器的IP3频谱图
图4-4（a）混频器的IP3测量图
（三）[发射器]的重要设计参数
（1）[1分贝压缩功率]（1dBCompression,P1dB）
[功率放大器]的[1分贝压缩功率]即是[发射器]最大发射功率的主要参数.一般而言,对于[放大器]其P1dB可说是线性放大的最大输出功率,而P1dB则为[放大器]的最大饱和输出功率（SATURATIONPOWER）.其定义如图示12-5（a）（b）所示.
图4-5（a）[放大器]的「PSAT，P1dB和1dB功率压缩点
（2）内调制失真（IntermodulationDistortion）
对于[发射器]的[内调制失真]是由于发射天线接收到同通道其它较大功率信号后,经[功率放大器]内调制混频所产生的再发射信号所造成.解决的方法是在[发射天线]与[功率放大器]之间加接一个或多个[环行器]（CIRCULATOR）来降低[发射器]的[内调制失真].
（3）杂波抑制比（SpuriousRejection）
对于[射频前端发射器]而言,较大的噪声信号是因为[功率放大器]的大信号放大所产生的谐波.其它噪声则是由[载波振荡器]与[混频器]所混频出来的.一般规格定为低于主要载波信号功率70至90.以降低对其它通道的干扰.
（4）载波频率稳定度（CarrierFrequencyStability）
[发射器]的载波频率需要符合系统规格,以避免在通道与其他信道的干扰,尤其在窄频带系统中更形重要.可利用[锁相回路技术]（PhaseLockedLoop）及增加载波频率的稳定性.
（5）邻近信道功率（AdjacentChannelPower）
此项参数是因于系统的调制方法或是由于[发射器]快速的开关所造成.在窄频带系统中,一般规格是设定在低于载波信号功率50dB.而在宽频带系统中,则会要求到80dB.
（6）发射启动时间（TransmitterTurn-onTime）
对于数字通讯系统而言,[发射器]的[发射启动时间]使很重要的参数,其必须够短以免限制到系统的信息流通量（SystemThroughput）.一般定义为发射器输出功率达到额定功率（ratedoutputpower）的90%所需的时间
接收器：
.
：
图4-6单变频结构射频前端接收器
本单元以单变频结构来说明一个射频前端接收器的各设计参数：
天线（Antenna）；射频接收滤波器（RF_BPF1）；射频低噪声放大器（LNA）；射频混频滤波器（RF_BPF2）；降频器（DownMixer）；带通滤波器（Filter）；本地振荡嚣（LocalOscillator）；中频放大器（IFAmplifier）。
主要设计参数:
（一）接收灵敏度（ReceiverSensitivity）
（式12-1）
其中S=接收灵敏度
K=1.38*10-23（Joul/°K）,波尔兹曼常数（Boltzmann’sConstant）
T=绝对温度（°K）=273.15+T（°C）
BW=系统的等效噪声频宽
SNRd=在检波器输入端,系统要求的信噪比（Signal-to-noiseRatio）
Zs=系统阻抗（SystemImpedance）
FT=总等效输入[噪声因子]（NoiseFactor）
而上述中,总等效输入[噪声因子]（NoiseFactor）则是由三大部分组成.
（1）Fin1,由接收器各单级的增益与噪声指数（NoiseFigure）造成.,
（2）Fin2,由镜频噪声（ImageNoise）造成.
（3）Fin3,由宽带的本地振荡幅调制噪声（WidebandLOAMNoise）造成.
其计算公式如（式12-2）（式12-3）（式12-4）及（式12-5）所列.
（式12-2）
（式12-3）
（式12-4）
（式12-5）
上列公式中变量说明如下:
Fi=第i单级的[噪声因子]（NoiseFactor）
Gj=第i单级的[增益]（Gain）（G0=1）
Fi'=在镜象频率下的单级[噪声因子]
（对于因反射所造成的镜频衰减的单级,其Fi'=1.）
Gj'=在镜象下的单级[增益],G0'=1
N=在接收器中,从接收端计算至[混频器]前的总单级数
（即不包含[混频器]
PLO=本地振荡器的输出功率（dBm）
WNsb=带频率上的[相位噪声]（dBc/Hz）
Lsb=[带通滤波器]在旁带频率上的衰减值（dB）
MHBsb=在旁带频率上的[混频噪声均衡比]（MixerNoiseBalance）
T0=室温,290OK.
M=旁带频率的总个数.
NT=包含[混频器]在内,从接收端计算至[混频器]的总单级数.
五、硬件测量
发射器部分
图4-7发射部分量测组装图
步骤一：
将Camera、AV-TV调变器、MOD-5UpConverter、MOD-1TxLO、MOD-3BPF等模组器件依图5.6接妥后，打开电源，将Camera固定，并将AV-TVModulator的开关按钮按下及Channel选择键拔至CH-3。
接着利用RF-2000的频率量测模式量测MOD-3BPF滤波器模组的输出频率是否为915MHz。
若否，请调整MOD-1TxLO本振模组的V-tune旋钮，使其输出频率为915MHz。
步骤二：
利用RF-2000的功率量测模式；量测MOD-3BPF滤波器模组的输出功率是否为-30dBm左右。
若否，请再次检测各模组是否符合测试规格。
步骤三：
将MOD-2PA功率放大器模组接于MOD-3BPF滤波器模组之后，利用RF-2000的功率量测模式量测其输出功率是否为-15dBm左右。
若否，请再次检测MOD-2PA功率放大器模组是否符合量测规格。
步骤四：
将微带天线模组接于MOD-2PA功率放大器模组输出端，如此完成发射部分的量测。
接收器部分
图4-8单变频结构射频前端接收器
步骤一：
依图6.6将微带天线模组接于MOD-4LNA低噪声放大器模组输入端，并接妥电源后，将接收端天线放置于距离发射端天线约10cm处，再利用RF-2000的功率量测模式量测MOD-4LNA输出功率是否为-15dBm左右。
若否，请再次检测MOD-4LNA模组是否符合测试规格。
步骤二：
将MOD-6DownConverter降频器模组、MOD-7RxLO本振模组及MOD-8IFAmplifier中频放大器模组依图6-6接于MOD-4LNA低噪声放大器模组之后，并接妥电源后，再利用RF-2000的功率量测模式量测MOD-8IFAmp输出功率是否为-5dBm左右。
若否，请再次检测各模组是否符合测试规格。
步骤三：
利用BNC连接线与BNC（f）-F（m）转接头将MOD-8IFAmp输出端接于TV的F端子上。
接着打开TV的电源，并调整TV的频道为CH-3，检视TV有无显示Camera所对准的影像。
若否，请再次调整MOD-7RxLO模组的V-tune旋钮，使得TV显示出正确的影像。
若影像模糊，可调整Camera的焦距。
如此即完成系统接收部分的量测。
学习总结
通过学习射频∕微波电路导论这门课程，我了解到了电路是构成通信系统、雷达系统和微波应用系统中的发射机和接收机的关键部件。
它的基本理论是麦克斯韦方程。
而实现射频∕微波电路的基本方法就是麦克斯韦方程的求解或数值计算。
解决工程问题的有效方法是微波网络方法，在第二、三章重点讲解。
散射参数概念的提出，不追究电力内部的电磁场结构，利用等效电路对波能量的传输和反射概念，能够方便地进行电路设计和调试。
场论及其计算是解决射频∕微波问题的另一种方法，但这种方法应用有限。
电路的根本是能量的传输或变换。
其电路可分为三类：
（1）微波无源电路，如金属谐振腔滤波器、微带滤波器、功率分配器等；
（2）微波有源电路，如微波放大器、微波振荡器、微波调制解调器等；
（3）由上述多种元器件构成的微波发射∕接收功能模块，或称T∕R组件。
射频∕微波技术所涉及的无线电频谱是甚高频到毫米波段或者P波段到毫米波段，涉及到的技术包括信号的产生、调制、功率放大、辐射、接收、低噪声放大、混频、解调、检测、滤波、衰减、移相、开关等各个模块单元的设计和生产。
所以在课程的后面几章讲述了常用微波电路的设计方法和软件仿真，包括功率分配器、定向耦合器、滤波器、放大器、振荡器、频率合成器等，所用软件是MicrowaveOffice。
射频∕微波工程中的核心问题：
频率、阻抗、功率，称为射频铁三角。
影响频率的有信号产生器、频率变换器、频率选择电路等。
影响功率的有衰减器、功分器、耦合器、放大器等。
影响阻抗的有阻抗变换器、阻抗匹配器、天线等。
射频∕微波的四个基本特性：
似光性、穿透性、非电离性、信息性使其迅速发展和广泛应用。
其经典用途是通信与雷达系统。
其主要应用实例如下：
（1）无线通信系统：
空间通信，远距离通信，无线对讲，蜂窝移动，个人通信系统，无线局域网，卫星通信，航空通信，航海通信，机车通信等；
（2）雷达系统：
航空雷达，航海雷达，飞行器雷达，气象雷达，成像雷达，警戒雷达，武器制导雷达，防雷雷达，盗用雷达等；
（3）导航系统：
GPS，航空、航海自动驾驶等；
（4）遥感：
地球监测，污染监测，森林、农田、鱼讯监测，矿藏、沙漠、海洋、水资源监测等；
（5）射频识别：
保安，防盗，入口控制，产品检查，身份识别，自动验票；
（6）广播系统：
调幅，调频广播，电视等；
（7）汽车和高速公路：
自动避让，路面警告，障碍监测，路车通信，交通管理，速度测量，智能高速路等；
（8）传感器：
监测潮湿度、温度、压力、加速度的传感器，还有探地传感器，机器人传感器等；
（9）电子战系统：
间谍卫星，辐射信号监测，行军与阻击等；
（10）医学应用：
磁共振现象，微波成像，微波理疗，加热催化，病房监管；
（11）空间研究：
射电望远镜，外层空间探测等；
（12）无线输电：
空对空，地对空，空对地，地对地输送电能等。
近几年射频识别技术应用迅速发展，市场应用前景广阔：
射频识别技术应用在电子标签上将在生产线自动化、仓储管理、电子物品监视系统、货运集装箱的识别以及畜牧管理等方面会有很大的突破。
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