射频微波系统
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N ' j j 1
(13-9)
(13-10)
第13章 射频微波系统 公式中变量说明如下: Fi为第i 级的噪声系数；Gj 为第i级的增益; Fi为镜像 频率下的单级噪声系数; Gj 为镜像下的单级增益,G0=1； N为接收机的总级数（不包含混频器）; PLO为本振输出 功率,单位为dBm; WNsb为边带频率上的相位噪声, 单位
第13章 射频微波系统 2. 上变频器的主要技术参数的定义和测量 1) 变频耗损或增益
2) 二阶互调IP2
PIF Lc (dB) 10 lg( ) P RF
（13 - 3）
IP2=PRF+(PRF-B-Lc）
（13 - 4）
其中, IP2为混频器的输入二阶互调截止点,单位为 dBm; PRF 为混波器RF输入端的输入信号功率, 单位为 dBm; Lc 是混波器输入信号频率fRF=fLO+fIF时的变频损耗, 单位为dB; B是混波器输入信号频率fRF=fLO+0.5fIF 时输出 端频率为2fIF的信号功率, 单位为dBm混频器的IP2 测量电路与频谱示意图如图13-3(a)、 (b)所示。
第13章 射频微波系统
信号 发生器 fRF PRF 混频器 带通 滤波器 fout 频谱 分析仪
带通 滤波器 fL O 信号 发生器
(a)
L c(dB) Pout(dBm ) B(dBm ) PRF(dBm )
(dBm )
fIF
2fIF
(b)
fL O
fRF
图 13-3 混频器的IP2测量电路与频谱 (a) 混频器的IP2测量电路； (b) 混频器的IP2频谱图
信号时会出现三阶互调失真。一般要求交调抑制在60 dB以上。
(4) 频率稳定度: 描述接收机的本振信号的频率稳定度, 影响接收机的中频信号的质量。 (5) 本振辐射: 由于混频器的隔离不好,本振信号进入接 收信号通路,通过天线辐射, 引起系统的三阶交调失真加重。
第13章 射频微波系统 13.2.2 接收机基本结构 接收机几乎都是超外差形式,即本振信号与接收信
第13章 射频微波系统
第13章 射频/微波系统
13.1 射频发射机的基本知识
13.2 射频接收机的基本知识 13.3 全双工系统 13.4 雷达基本原理 13.5 通信基本原理
第13章 射频微波系统
13.1 射频发射机的基本知识
13.1.1 发射机基本参数 发射机的基本参数介绍如下： (1) 频率或频率范围: 用来考查微波振荡器的频 率及其相关指标、 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 为MHz、 GHz、ppm、 MHz/V等。 (2) 功率: 与功率有关的指标有最大输出功率、 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,相关单位为mW、dBm、W、dBW等。
上的电流为
e nKT [U sin(2f t ) U sin(2f t )]n i I 0 I IF IF IF LO LO n! （13 - 1）
式中, I0为二极管的饱和电流, UIF是中频信号的振幅,
fIF为中频信号的频率, ULO是载波信号的振幅,fLO是载波信 号的频率。
第13章 射频微波系统 4) 1dB压缩功率P1dB 功率放大器的1dB压缩功率是发射机最大发射功率
的主要参数。对于放大器, P1dB是线性放大的最大输出
功率, 其定义如图13-5(a)、 (b)所示。
第13章 射频微波系统
功率增益/dB Pout / dBm 1 dB压缩 PSAT P1dB 1 dB 1 dB 压缩点
第13章 射频微波系统 3) 三阶互调IP3
IP3 Pin 2
（13 - 5）
其中, IP3为混频器的输入三阶互调截止点,Pin 是 混频器输入端的输入信号的功率,Δ 是混频器输出信号 与内调制信号的功率差(dB)。 混频器的IP3测量图及频谱示意图如图13-4(a)、 (b)所示。
第一本振
～
～
第二本振
图 13-7 二次混频接收机
第13章 射频微波系统 13.2.3 接收机灵敏度 接收机灵敏度的定义为
S FT KTBw ( SNRd ) Z s
（13 - 6）
式中, K＝1.38×10-23J/°K, 是波尔兹曼常数; T为绝
对温度; Bw 是系统的等效噪声频宽; SNRd 是系统要求的信 噪比; Zs是系统阻抗; FT是总等效输入噪声系数,由三大部 分组成: 接收器各级的增益与噪声系数Fin1、 镜频噪声Fin2 和宽带的本振调幅噪声Fin3,即 FT=Fin1+Fin2+Fin3
O
PD
Pi n / dBm 放大器的线性动态范围LDR
Pi n
(a)
(b)
图 13-5 1dB压缩和线性动态范围 (a) 放大器的PSAT, P1dB和1dB功率压缩点； (b) 放大器的1dB压缩和线性LDR关系图
第13章 射频微波系统
13.2 射频接收机的基本知识
13.2.1 射频接收机基本参数 射频接收机的基本参数介绍如下： (1) 接收灵敏度: 描述接收机对小信号的反应能力。对于模拟接收 机,满足一定信噪比时的输入信号功率; 对于数字接收
振荡器、载波滤波器、发射天线。
第13章 射频微波系统
天线 上变频 待发射 基带 信号 IF 滤波 放大 LO 滤波 RF 滤波 放大 功放
～
本振
图 13-1 基本射频前端发射机电路
第13章 射频微波系统 这些电路单元在前面均有介绍。放大器的基本原 理与设计方法可参考第8章,滤波器的基本原理与设计
第13章 射频微波系统 (3) 效率: 供电电源到输出功率的转换效率。这 一参数对于电池供电系统尤为重要。 (4) 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。 (5) 谐波抑制: 工作频率的高次谐波输出功率大 小。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指标。工程实际中,基波与谐波 两个功率dBm的差为dBc。 (6) 杂波抑制: 除基波和谐波外的任何信号与基 波信号的大小比较。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。
Fin1 1
i 1 n
(13-7)
F2 1 F3 1 ... G1 G1G2
G
j 0
i 1
Fi 1
j
F1
(13-8)
第13章 射频微波系统
G N Fi ' 1 1 Fin 2 iN1 i 1 ' ' i 1 Gj Gj i 1 j 0 N 10 ( pLO WN ab Lsb MNBsb ) /10 Fin 3 NT i 1 1000 KT0 G j
将发射端所发射的射频信号由天线接收后, 经LNA将功
率放大，再送入下变频器与LO混频后由中频滤波器将 设计所要的部分解调出有用信号。
13.2.4 接收机灵敏度计算实例
某接收系统各级增益及噪声系数列于表13-1中。
第13章 射频微波系统
表 13-1 接收机指标分配实例
第13章 射频微波系统 其他相关指标特性如下： RF-BPF2镜像衰减量为10 dB, 等效噪声频宽为Bw=12kHz, LO输出功率为PLO=23.5 dBm,LO 单边带相位噪声为WNsb=-165 dBc/Hz,带通滤波器响应参数为 0.0 dB @ fLO±fIF、 10.0 dB @ 2fLO±fIF、 20.0 dB @ 3fLO ±fIF，混频噪声均衡比(Mixer Noise Balance)为30.0 dB @
方法可参考第7章,振荡器可参考第9章和第10章,天线
在第12章有详细描述。在电路单元中还会用到耦合器、 隔离器、 匹配电路或衰减器等。一个发射机系统就是
前面所学知识的组合。
第13章 射频微波系统 13.1.3 上变频器 1. 基本电路原理
发射混频器的基本电路结构图如图13-2所示。二极管
号进行混频,得到中频信号,经放大处理后解调信号。
1. 基本电路 基本射频前端接收机基本电路构成如图13 - 6所示。
第13章 射频微波系统
天线 混频器 RF LNA RF IF IFA 解调
LO 滤波
～
图 13-6 基本射频前端接收机基本电路
第13章 射频微波系统 天线接收空间信号,射频滤波器通过预定波道频率 阻止邻近波道信号。高频放大器是小信号低噪声放大 器,其性能影响整机噪声系数和接收灵敏度。本振信号 有足够的功率以驱动混频器,一般地,本振功率在7 dBm 以上。中频放大器的灵敏度一般在－60 dBm以下,这是
为dBc/Hz; Lsb为带通滤波器边带频率上的衰减值,单
位为dB; MNBsb 为边带频率上的混频噪声；T0 为室温 290K; M 为边带频率的总个数；N为包含混频器在内从
接收端至混频器的总级数。
第13章 射频微波系统 射频前端接收器可分为天线、射频低噪声放大器、 下变频器、中频滤波器、本地振荡器。其工作原理是
第13章 射频微波系统 13.1.2 发射机基本结构 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70 MHz） 上,与发射本振（微波/射频）混频得到发射机输出频率,再 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,一般先将图像信号先做基带处理（6.5 MHz）, 再进行调制。
第13章 射频微波系统 (3) 将待发射的低频信号调制到发射中频（如70 MHz）上,经过多次倍频得到发射机频率,然后再经功放、
滤波输出到天线。近代通信中常用此方案。
发射机典型电路如图13 - 1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
一个节点。接收机的调试要分段进行,每一大段都是对
的,才能保证接收机工作正常。 2. 其他形式的接收机
为了提高接收机的接收灵敏度,现代接收机采用二
次混频方案,如图13 - 7所示。
第13章 射频微波系统
天线 第一混频 滤波1 RF 放大 滤波2 第一中频 第一中放 滤波器 第二混频 第二中频 检波器
பைடு நூலகம்
第13章 射频微波系统
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 13-2 发射混频器的基本电路
第13章 射频微波系统 混频后的输出射频频率为 fRF=mfIF+nfLO（13 - 2）
其中m,n为任意非零整数。
绝大多数情况下, RF频率应是载波与IF频率的和或 差, 即fRF=fLO±fIF。根据发射机指标和系统参数取和频 或差频,利用射频输出端的滤波器实现端口间的隔离。 主要的噪声信号有: 镜频信号fim=fLO+2fIF; 载波信号的谐 波nfLO, n为正整数; 边带谐波信号 fsb=fLO±mfIF 这些噪声需要特别加以抑制处理。
第13章 射频微波系统
f1 f2 混频器 信号 混合器 带通 滤波器 频谱 分析仪
带通 滤波器 fL O 信号 产生器
(a)
Pi n / dBm fL O＋f1 fL O＋f2
(dB)
f1
f2
fL O
fRF1 fRF2 fL O＋2f1 －f2 fL O＋2f2 －f1
(b)
图 13-4 混频器的IP3测量电路与频谱 (a) 混频器的IP3测量电路； (b) 混频器的IP3频谱图
机,满足一定误码率时的输入功率。一般情况下接收灵
敏度在－85 dBm以下。
第13章 射频微波系统 (2) 选择性: 描述接收机对邻近信道频率的抑制能力。不允许同时有 两个信号进入接收机。一般地,隔离指标在60 dB以上。 (3) 交调抑制: 接收机会有双频交调失真。在发射机和功率放大器中,大
(13-9)
(13-10)
第13章 射频微波系统 公式中变量说明如下: Fi为第i 级的噪声系数；Gj 为第i级的增益; Fi为镜像 频率下的单级噪声系数; Gj 为镜像下的单级增益,G0=1； N为接收机的总级数（不包含混频器）; PLO为本振输出 功率,单位为dBm; WNsb为边带频率上的相位噪声, 单位
第13章 射频微波系统 2. 上变频器的主要技术参数的定义和测量 1) 变频耗损或增益
2) 二阶互调IP2
PIF Lc (dB) 10 lg( ) P RF
（13 - 3）
IP2=PRF+(PRF-B-Lc）
（13 - 4）
其中, IP2为混频器的输入二阶互调截止点,单位为 dBm; PRF 为混波器RF输入端的输入信号功率, 单位为 dBm; Lc 是混波器输入信号频率fRF=fLO+fIF时的变频损耗, 单位为dB; B是混波器输入信号频率fRF=fLO+0.5fIF 时输出 端频率为2fIF的信号功率, 单位为dBm混频器的IP2 测量电路与频谱示意图如图13-3(a)、 (b)所示。
第13章 射频微波系统
信号 发生器 fRF PRF 混频器 带通 滤波器 fout 频谱 分析仪
带通 滤波器 fL O 信号 发生器
(a)
L c(dB) Pout(dBm ) B(dBm ) PRF(dBm )
(dBm )
fIF
2fIF
(b)
fL O
fRF
图 13-3 混频器的IP2测量电路与频谱 (a) 混频器的IP2测量电路； (b) 混频器的IP2频谱图
信号时会出现三阶互调失真。一般要求交调抑制在60 dB以上。
(4) 频率稳定度: 描述接收机的本振信号的频率稳定度, 影响接收机的中频信号的质量。 (5) 本振辐射: 由于混频器的隔离不好,本振信号进入接 收信号通路,通过天线辐射, 引起系统的三阶交调失真加重。
第13章 射频微波系统 13.2.2 接收机基本结构 接收机几乎都是超外差形式,即本振信号与接收信
第13章 射频微波系统
第13章 射频/微波系统
13.1 射频发射机的基本知识
13.2 射频接收机的基本知识 13.3 全双工系统 13.4 雷达基本原理 13.5 通信基本原理
第13章 射频微波系统
13.1 射频发射机的基本知识
13.1.1 发射机基本参数 发射机的基本参数介绍如下： (1) 频率或频率范围: 用来考查微波振荡器的频 率及其相关指标、 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 为MHz、 GHz、ppm、 MHz/V等。 (2) 功率: 与功率有关的指标有最大输出功率、 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,相关单位为mW、dBm、W、dBW等。
上的电流为
e nKT [U sin(2f t ) U sin(2f t )]n i I 0 I IF IF IF LO LO n! （13 - 1）
式中, I0为二极管的饱和电流, UIF是中频信号的振幅,
fIF为中频信号的频率, ULO是载波信号的振幅,fLO是载波信 号的频率。
第13章 射频微波系统 4) 1dB压缩功率P1dB 功率放大器的1dB压缩功率是发射机最大发射功率
的主要参数。对于放大器, P1dB是线性放大的最大输出
功率, 其定义如图13-5(a)、 (b)所示。
第13章 射频微波系统
功率增益/dB Pout / dBm 1 dB压缩 PSAT P1dB 1 dB 1 dB 压缩点
第13章 射频微波系统 3) 三阶互调IP3
IP3 Pin 2
（13 - 5）
其中, IP3为混频器的输入三阶互调截止点,Pin 是 混频器输入端的输入信号的功率,Δ 是混频器输出信号 与内调制信号的功率差(dB)。 混频器的IP3测量图及频谱示意图如图13-4(a)、 (b)所示。
第一本振
～
～
第二本振
图 13-7 二次混频接收机
第13章 射频微波系统 13.2.3 接收机灵敏度 接收机灵敏度的定义为
S FT KTBw ( SNRd ) Z s
（13 - 6）
式中, K＝1.38×10-23J/°K, 是波尔兹曼常数; T为绝
对温度; Bw 是系统的等效噪声频宽; SNRd 是系统要求的信 噪比; Zs是系统阻抗; FT是总等效输入噪声系数,由三大部 分组成: 接收器各级的增益与噪声系数Fin1、 镜频噪声Fin2 和宽带的本振调幅噪声Fin3,即 FT=Fin1+Fin2+Fin3
O
PD
Pi n / dBm 放大器的线性动态范围LDR
Pi n
(a)
(b)
图 13-5 1dB压缩和线性动态范围 (a) 放大器的PSAT, P1dB和1dB功率压缩点； (b) 放大器的1dB压缩和线性LDR关系图
第13章 射频微波系统
13.2 射频接收机的基本知识
13.2.1 射频接收机基本参数 射频接收机的基本参数介绍如下： (1) 接收灵敏度: 描述接收机对小信号的反应能力。对于模拟接收 机,满足一定信噪比时的输入信号功率; 对于数字接收
振荡器、载波滤波器、发射天线。
第13章 射频微波系统
天线 上变频 待发射 基带 信号 IF 滤波 放大 LO 滤波 RF 滤波 放大 功放
～
本振
图 13-1 基本射频前端发射机电路
第13章 射频微波系统 这些电路单元在前面均有介绍。放大器的基本原 理与设计方法可参考第8章,滤波器的基本原理与设计
第13章 射频微波系统 (3) 效率: 供电电源到输出功率的转换效率。这 一参数对于电池供电系统尤为重要。 (4) 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。 (5) 谐波抑制: 工作频率的高次谐波输出功率大 小。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指标。工程实际中,基波与谐波 两个功率dBm的差为dBc。 (6) 杂波抑制: 除基波和谐波外的任何信号与基 波信号的大小比较。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。
Fin1 1
i 1 n
(13-7)
F2 1 F3 1 ... G1 G1G2
G
j 0
i 1
Fi 1
j
F1
(13-8)
第13章 射频微波系统
G N Fi ' 1 1 Fin 2 iN1 i 1 ' ' i 1 Gj Gj i 1 j 0 N 10 ( pLO WN ab Lsb MNBsb ) /10 Fin 3 NT i 1 1000 KT0 G j
将发射端所发射的射频信号由天线接收后, 经LNA将功
率放大，再送入下变频器与LO混频后由中频滤波器将 设计所要的部分解调出有用信号。
13.2.4 接收机灵敏度计算实例
某接收系统各级增益及噪声系数列于表13-1中。
第13章 射频微波系统
表 13-1 接收机指标分配实例
第13章 射频微波系统 其他相关指标特性如下： RF-BPF2镜像衰减量为10 dB, 等效噪声频宽为Bw=12kHz, LO输出功率为PLO=23.5 dBm,LO 单边带相位噪声为WNsb=-165 dBc/Hz,带通滤波器响应参数为 0.0 dB @ fLO±fIF、 10.0 dB @ 2fLO±fIF、 20.0 dB @ 3fLO ±fIF，混频噪声均衡比(Mixer Noise Balance)为30.0 dB @
方法可参考第7章,振荡器可参考第9章和第10章,天线
在第12章有详细描述。在电路单元中还会用到耦合器、 隔离器、 匹配电路或衰减器等。一个发射机系统就是
前面所学知识的组合。
第13章 射频微波系统 13.1.3 上变频器 1. 基本电路原理
发射混频器的基本电路结构图如图13-2所示。二极管
号进行混频,得到中频信号,经放大处理后解调信号。
1. 基本电路 基本射频前端接收机基本电路构成如图13 - 6所示。
第13章 射频微波系统
天线 混频器 RF LNA RF IF IFA 解调
LO 滤波
～
图 13-6 基本射频前端接收机基本电路
第13章 射频微波系统 天线接收空间信号,射频滤波器通过预定波道频率 阻止邻近波道信号。高频放大器是小信号低噪声放大 器,其性能影响整机噪声系数和接收灵敏度。本振信号 有足够的功率以驱动混频器,一般地,本振功率在7 dBm 以上。中频放大器的灵敏度一般在－60 dBm以下,这是
为dBc/Hz; Lsb为带通滤波器边带频率上的衰减值,单
位为dB; MNBsb 为边带频率上的混频噪声；T0 为室温 290K; M 为边带频率的总个数；N为包含混频器在内从
接收端至混频器的总级数。
第13章 射频微波系统 射频前端接收器可分为天线、射频低噪声放大器、 下变频器、中频滤波器、本地振荡器。其工作原理是
第13章 射频微波系统 13.1.2 发射机基本结构 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70 MHz） 上,与发射本振（微波/射频）混频得到发射机输出频率,再 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,一般先将图像信号先做基带处理（6.5 MHz）, 再进行调制。
第13章 射频微波系统 (3) 将待发射的低频信号调制到发射中频（如70 MHz）上,经过多次倍频得到发射机频率,然后再经功放、
滤波输出到天线。近代通信中常用此方案。
发射机典型电路如图13 - 1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
一个节点。接收机的调试要分段进行,每一大段都是对
的,才能保证接收机工作正常。 2. 其他形式的接收机
为了提高接收机的接收灵敏度,现代接收机采用二
次混频方案,如图13 - 7所示。
第13章 射频微波系统
天线 第一混频 滤波1 RF 放大 滤波2 第一中频 第一中放 滤波器 第二混频 第二中频 检波器
பைடு நூலகம்
第13章 射频微波系统
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 13-2 发射混频器的基本电路
第13章 射频微波系统 混频后的输出射频频率为 fRF=mfIF+nfLO（13 - 2）
其中m,n为任意非零整数。
绝大多数情况下, RF频率应是载波与IF频率的和或 差, 即fRF=fLO±fIF。根据发射机指标和系统参数取和频 或差频,利用射频输出端的滤波器实现端口间的隔离。 主要的噪声信号有: 镜频信号fim=fLO+2fIF; 载波信号的谐 波nfLO, n为正整数; 边带谐波信号 fsb=fLO±mfIF 这些噪声需要特别加以抑制处理。
第13章 射频微波系统
f1 f2 混频器 信号 混合器 带通 滤波器 频谱 分析仪
带通 滤波器 fL O 信号 产生器
(a)
Pi n / dBm fL O＋f1 fL O＋f2
(dB)
f1
f2
fL O
fRF1 fRF2 fL O＋2f1 －f2 fL O＋2f2 －f1
(b)
图 13-4 混频器的IP3测量电路与频谱 (a) 混频器的IP3测量电路； (b) 混频器的IP3频谱图
机,满足一定误码率时的输入功率。一般情况下接收灵
敏度在－85 dBm以下。
第13章 射频微波系统 (2) 选择性: 描述接收机对邻近信道频率的抑制能力。不允许同时有 两个信号进入接收机。一般地,隔离指标在60 dB以上。 (3) 交调抑制: 接收机会有双频交调失真。在发射机和功率放大器中,大