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实验十一:射频前端发射器


实验十一:射频前端发射器 (RF Front-end Transmitter)**
一、实验目的: 1、了解射频前端发射器的基本结构与主要设计参数。 2、利用实验模组的实际测量了解射频前端发射器的特性。 二、预习内容: 1、预习放大器、滤波器、混频器、功率放大器的原理的理论知识。 2、预习放大器、滤波器、混频器、功率放大器的设计的原理的理论知识。 三、实验设备: 项次

设备名称 1 2 3 4 5 6 MOTECH RF2000 测量仪 发射器模组 微带天线 50Ω BNC 及 1MΩ BNC 连接线 直流电源连接线 MICROWAVE 软件 数量 备注 1套 1套 1组 4条 1条 1套 RF2KM10-1A CA-1、CA-2 、CA-3、CA-4 DC-1 微波软件 亦可用网络分析仪

四、理论分析: 基本结构与设计参数说明: 在无线通讯中, 射频发射器担任着重要的角色。无论是话音还是数据信号要 利用电磁波传送到远端,必须使用射频前端发射器。如图 11-1 所示,它大抵可 分成九个部分。 1.中频放大器(IF Amplifier) 2.中频滤波器(IF Bnadpass Filter) 3.上变频频混频器(Up-Mixer; Up Converter) 4.射频滤波器(RFBandpass Filter) 5.射频驱动放大器(RF Driver Amplifier) 6.射频功率放大器(RF Power Amplifier) 7.载波振荡器(Carrier Oscillator; Local Oscillator) 8.载波滤波器(LO BPF) 9.发射天线(Antenna) 其中放大器的基本原理与设计方法可参考主题七, 而滤波器的基本原理与设 计方法已可参考主题六的说明。 至于振荡器的部分,可于主题八与与主题九获得 一些参考。 天线部分则可由主题十得到概念。 所以,在此单元中将就上变频器 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。

Antenna Signal From Baseband Processing Unit IF AM P IF BPF MIXE R RF BP F
RF AMP

PA

LO BPF

LO

图 11-1 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。 在二极管上的电流如式(11-1) 所示。
混频 二极管

IF PIF

匹配 电路

匹配 电路

滤波器

RF PRF

LO

匹配 电路

图 11-2 基本混频器电路结构图
e ? nkT ?n ?V

i ( v ) ? I O ? I IF ? ?
n ?1

?

n!

IF

? sin(2?f IF t ) ? VLO ? sin(2?f LO t )?

n

(11-1)
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 可为任意正负整数 在 绝 大 多 数 情 况 下 ,RF 频 率 应 是 载 波 与 IF 频 率 的 和 或 差 , 即 是

f RF ? m ? f IF ? n ? f LO

f RF ? f LO ? f IF 。至于取和频或差频则根据发射器射频指标及系统参数,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

f RF ? f LO ? f IF )

1. 镜频信号 ( IMAGE FREQUENCY ):

f im ? f LO ? 2 ? f IF
n ? f LO ,n=正整数
f sb ? f LO ? m ? f IF

2. 载波信号的谐波( CARRIER HARMONICS ): 3. 边带谐波信号( HARMONIC SIDEBANDS ):

上述噪声皆是在混频器及滤波器设计中,需要特别加以抑制处理的。 (二) 混频器的主要技术参数 (1) 变频耗损或增益( CONVERSION LOSS/GAIN,L C)

?P LC ( dB) ? 10 ? log? IF ?P ? RF

? ? ? ?

除非有特别注明,一般的变频损耗皆按上式定义,即单边带变频耗损 ( SINGLE-SIDEBAND(SSB) CONVERSION LOSS ), 即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损耗(DOUBLE-SIDEBAND(DSB) CONVERSION LOSS), 则比单边带转频损耗低 3dB。 (2) 输入端回波损耗或电压驻波比( PORT RETURN LOSS OR VSWR) 如同其他射频电路,输入端的回波损耗或电压驻波比是评价匹配与否的重要 参数。对混频器而言,其输入端电压驻波比规格一般定在 2 : 1 (IRL=-10 ), 最 差为 2.5 : 1 (-7.3)。 而各端口的回波损耗,受 LO 端输入功率的增加,各端口 的阻抗会随之降低,致使各端口的回波损耗变大。 (3) 信号端与本振端的隔离比(PORT ISOLATION) 信号端与本振端的隔离比为评价 LO 端与 RF 端,和 LO 端与 IF 端的噪声的干 扰抑制程度。 (4) LO 端最低输入功率(MINIMUM LO POWER REQUIRED) 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,一般有此项指标。而功率越低应用越方便。 (5) 镜象抑制度( IMAGE REJECTION) 对于下变频混频器而言,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 为例,镜象为 fim = 2fLO-fRF。即若 RF 端输入镜象信号也可得 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,可能从 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;第二是增加混频器的噪声指数(NIOSE FIGURE) 3 dB 。解决的方法是在 RF 输入端加一个镜象滤波器来抑制镜象信号的输入。而 对于上变频频混频器而言,大致与下变频频混频器相似,只是 RF 输入端改成 IF 输入端。 (6) 噪声抑制度(SPURIOUS REJECTION) 对混频器而言,噪声的定义是指在输出端的非设计所需频率(fIF)的其他信 号。尤其是输入信号的谐波。一般是利用输出端的滤波器来抑制噪声。 (7) 二阶互调截止点(SECOND-ORDER INTERCEPT POINT,IP2) (以下变频器为例)

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 时的转频损耗(Conversion Loss)(dB) 。 B —— 混波器输入信号频率 fRF=fLO+0。5fIF 时的输出端频率为 2fIF 的信号的功率。 (dBm) 下变频器的 IP2 测量电路应与频谱示意图,如图 12-3(a)(b)所示。上变频器 的也类似。
混波器 信号 发生器

fRF PRF

带通 滤波器

fOUT

频谱 分析仪

带通 滤波器

fLO
图 12-3(a)下变频器的 IP2 测量
信号 发生器

Lc(dB)
PRF(dBm) POUT(dBm) B(dBm)

Δ(dBm)

fIF

2fIF

fLO
图 12-3(b) 下变频器的频谱图

fRF

(8) 三阶互调截止点( THIRD-ORDER INTERCEPT POINT,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) 以上变频器为例,混频器的 IP3 测量图及频谱示意图,如图示 2-4(a)(b)所 示。

混频器

f1 f2

信号 结合器

带通 滤波器

频谱 分析仪

带通 滤波器

fLO
信号 产生器 图 12-4(a)混频器的 IP3 测量图 Desired Signals fLO+f1 fLO+f2

PIN (dBm)

Δ(dB)

f1

f2

fLO

fRF1 fRF2 fLO +2f1 – f2 fLO +2f2 – f1

Intermodulation Signals 图 12-4(b) 上变频器的 IP3 频谱图

(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 分贝压缩功率是发射器最大发射功率的主要参数。 一般而言, 对于放大器, P1dB 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(SATURATION POWER)。其定义如图示 12-5(a)(b)所示。
POUT (dBm) PSAT P1dB

1dB 1dB Compression Point

PD

PIN (dBm)

图 12-5(a)[放大器]的「PSAT,P1dB 和 1dB 功率压缩点

Power Gain (dB)

1 dB Compression

The higher the 1dB Compression The larger is the LDR of amplifier。

Pin Linear Dynamic Range (LDR) of amplifier 图 12-5(b)放大器的 1dB Compression 和 LDR 关系图

(2) 内调制失真 ( Intermodulation Distortion) 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 功率放大器的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(Spurious Rejection) 射频前端发射器的较大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。一般指标定为低于 主要载波信号功率 70 至 90 。 (4) 载波频率稳定度(Carrier Frequency Stability) 发射器的载波频率需要符合系统指标,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(Phase Locked Loop)及增加 载波频率的稳定性。 (5) 邻近信道功率(Adjacent Channel Power) 此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,一般指标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(Transmitter Turn-on Time) 数字通讯系统发射器另一个很重要的参数是发射启动时间,它必须够短以免 限制系统的信息流通量(System Throughput)。一般定义为发射器输出功率达到 额定功率(rated output power)的 90%所需的时间。 五、硬件测量: 1.测量相关的各个模组的特性,能集成在一起完成一个简单的前端发射器 的特性。 2.准备电脑、测量软件、RF-2000、相关的模组,若干小器件等。 3.测量步骤: ⑴ 准备相关模组。

⑵ 将其集成在一起。 ⑶ 用 RF-2000 对其最终输出进行测试,看是否满足要求。 4、实验记录: 各个模组的主要参数值——记录下来。 5、硬件测量的结果建议如下为合格:以达到具体要求为准。 六、软件仿真 1、进入微波软件 MICROWAVE。 2、在原理图上设计好相应的电路,设置好端口,完成频率设置、尺寸规范、 器件的加载、仿真图型等等的设置。 3、最后进行仿真,结果应接近实际测量所得到的仿真图形。 4.电路图: 将各个模组的电路进行连接起来即可,但总的电路将比较复杂。 (选做) 七、参考资料

1. I。 Bahl & P。 Bhartia, Microwave Solid State Circuit Design,John Wiley & Sons,1988, pp。569-586 2. Kai Chang,

Microwave

Solid-State

Circuits

and

Applications,John Wiley & Sons,1994, pp 。 161-168,
189-197 3. G。 Gonzalez,Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design, Prentice-Hall,1984, pp。174-180 4. S 。 A 。 Maas, The RF and Microwave Circuit Design Cookbook,Artech House, 1998, pp。95-100 5. P。 Vizmuller, RF Design Guide, Artech House,1995, pp。 36-40, 183-188 6。 RF/IF Designer’s Guide,DG-Y2K, Mini-Circuits,2000, pp。62-63


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