射频基础知识

驻波比和传输功率、Smith圆图
建立smith圆图 特点： z'变化 /4 ，变化， z'变化 /2 ，变化2， 故绕圆一周相当于考察点在线上移动/2。旋转方向： 向电源移动，z'增加，顺时针旋转；向负载移动，z'减 小，逆时针旋转。电刻度起点的约定：(1, 0)点。
驻波比和传输功率、Smith圆图
0.3～ 3.0～ 30.0～ 300.0～ 3.0 GHz 30.0 GHz 300.0 GHz 3000.0 GHz
本振相位噪声
• 信号下变频或上变频时，需要输出一个单频点的本振 信号，与输入信号混频。理想的本振信号为一单频点 载波，但实际情况下是没有这样的理想本振信号。 • 实际的本振信号多是在本振频点集中最多的能量(功 率)，而在本振频点的左右边带快速衰落，当然这种边 带能量越低，表明点频信号性能越高。为表征本振信 号的这一特性好坏，引入相位噪声的指标。
建立smith圆图 阻抗圆图是表示在复平面上的反射系数和归一化阻抗轨迹 图，包括两个曲线坐标系统和四簇曲线。
1、反射系数曲线坐标（极坐标）：等反射系数模值圆、 反射系数相角射线； 2、归一化阻抗曲线坐标：等归一化电阻圆、等归一化电 抗圆。
驻波比和传输功率、Smith圆图
建立smith圆图 反射系数曲线坐标
驻波比和传输功率、Smith圆图
• 电压驻波比VSWR(voltage standing wave ratio)是衡 量发射信号强度的指标。其具体定义为射频波传输到 某一截面处(同轴线上某点或接头)，传输线上电压最 大值与最小值之比称为电压驻波比。
S(VSWR)
U max U min

U U U U
• 如一个电压驻波比VSWR为1.5的，则反射系数为0.2，回 波损耗为-20lg0.2=13.98dB; • 传输功率为
1 2 2 P U 1 2ZC
- 10lg 1


• 传输功率降低

2
0.2dB
驻波比和传输功率、Smith圆图
• 一个电压驻波比VSWR为2.0的，则反射系数为0.335， 回波损耗为-20lg0.335=9.5dB，传输功率降低
1000mW 1000mW 10 lg 30 dBm 1mW
1mW 1mW 10 lg 0 dBm 1mW
1.26mW 1.26mW 10 lg 1dBm 1mW
功率和增益差损
30000mW 30W 10 lg 44.77 dBm 1mW
30W 30W 10 lg 14.77 dBW 1W
• 单边带相位噪声表示距离本振频点左边带(或右边带) 一定频率偏移处1Hz带宽内的功率比本振频点功率的衰
减量。这是表征本振信号频谱纯度的指标。
本振相位噪声 • • • • • 一个10MHz振荡器的相位噪声指标: -115dBc/Hz@100Hz; -135dBc/Hz@1kHz; -145dBc/Hz@10kHz; -145dBc/Hz@100kHz。
阻抗的概念
什么是特性阻抗？ 特性阻抗标准公式 对于无耗传输线
Z1 R1 jL1 ZC Y1 G1 jC1
R1 G1 0
ZC
对于同轴线
L1 C1
L1 60 b 138 b ZC ln lg C1 r a r a
b、a为内外导体半径，常用50欧姆、75欧姆。
阻抗的概念
• 我们知道阻抗的定义是电压与电流的比值：
• 在直流电路中，阻抗的定义中只包含幅度信息，即是 纯粹电压与电流幅度值的比值。 • 在交流电路中，由于传输中的电压与电流是一多个正 弦波的形态传输的，而一个正弦波的电压与电流除了 有幅度信息外还有工作频率与相位。因此交流电路的 电压与电流的比值包含幅度比值和相位差值。因此交 流阻抗根据定义为相量形式： j
• 一般认为当传输线长度远小于工作波长时(l 可以忽略分布参数的影响。
10 ),
波长和频率 • f 为电磁波的频率，电磁波频谱划分：
波段 名 波长 频率 超短波 分米波 厘米波 射频频段 1m～10m 1dm～ 10dm 0.03～ 0.3 GHz 1cm～ 10cm 1mm～ 10mm 0.1mm～ 1mm 毫米波 红外线
1 1
其中 为该截面的反射系数定义为反射波和入射波的 电压比。
U Zin ZC U Zin ZC

驻波比和传输功率、Smith圆图
• 可见电压驻波比VSWR实际上是入射波与反射波波峰值的 和值和差值之比。驻波比越小，反射波越小，传输效率 越高。理想的驻波比为1，即反射系数为0，没有反射波 只有入射波和传输波，信号没有反射损失。
驻波比和传输功率、Smith圆图
根据反射系数的定义：
' ' 1 z Z jZ tan z L C Z z' ZC Z C ' 1 z ZC jZ L tan z'


' Z z ZC ' j 2 z ' z 2 e ' Z z ZC
R j X 1
___
___
R j X 1
驻波比和传输功率、Smith圆图
V Z I
Z Z e R jX
阻抗的概念
阻抗包括电阻和电抗：Z
R jX
2f
1 理想无耗交流电容为纯电抗： jX jC
理想无耗交流电感为纯电抗：
jX jL
实际的电容和电感都有电阻，只是在大多数情形下，其 电阻值远小于电抗值。
阻抗的概念
什么是特性阻抗？ • 我们通常所讲到的选用50欧姆同轴线，所指的就是该 同轴线的特性阻抗为50欧姆。通常普通通信系统中一 般只采用50欧姆或75欧姆两种标准。我们BD是50欧姆 系统。 • 特性阻抗不同于低频段的电阻的概念，其推导公式较 为复杂，这里不作详述。只列举一下概念，比如直流 系统中一般电阻的概念，当5V/1A的直流通过串行1欧 姆电阻会变成4V/1A；当5V/1A的直流通过并行10欧姆 电阻会变成5V/0.5A；但是通过一段串行导线或电感， 和并行电容，则不变仍为5V/1A(一般意义)。
功率和增益差损
• 利用网络分析仪可以测量增益(或差损)，它是通过选 择Transmission或S21，测量的是两个端口port1和 port2间的功率差值。 • 平常我们将两个端口做功率校准，实际上是网络分析 仪将校准时测得两个端口port1和port2间的功率差值 IL1记录下来，然后在下次测量时，将这差值IL1由实 际测试中port1和port2间的功率差值IL_real中减去得 到读数值： • IL_read=IL_real- IL1。
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2
0.52dB
驻波比和传输功率、Smith圆图
在非理想状态下，由于源阻抗、传输线上的特性阻抗、负 载阻抗都不可能是纯粹的50欧姆。因此存在源阻抗与负载 阻抗的失配。 根据最大功率传输定理：工作于正弦稳态的单口网络向一 个负载 Z L RL jX L 供电，如果该单口网络可用戴维宁等 效电路(其中 Zo Ro jX o 为源输出阻抗)代替，则在负载 * 阻抗等于含源单口网络输出阻抗的共轭复数（即 Z Z ） L o 时，负载可以获得最大平均功率。
LinearPowe r( mW ) Logarithmi cPower(dBm ) 10 lg 1mW LinearPowe r( W ) Logarithmi cPower(dBW ) 10 lg 1W
功率和增益差损
0.00001mW 0.00001mW 10 lg 50 dBm 1mW
建立smith圆图 归一化阻抗曲线坐标，这里Zc (特性阻抗)通常为常数并 且是实数，是常用的归一化标准值，如50欧姆、75欧姆。 于是我们可以定义归一化的负载阻抗：
Z L R jX ___ ___ ZL R j X ZC ZC
___
据此，将反射系数的公式重新写为：
L
___
___ ___
40dBm 1dBm 39dB; 1dBm 40dBm 39dB.
功率和增益差损
• 功率可以理解为传输路径上某点信号的强度，如输入 端口点功率、输出端口点功率等，而增益(或差损)则 表示一段传输距离上两个端点间功率的差值。
• 利用网络分析仪的power测量可以测量单端口port2的 输入功率，注意网络分析仪的power读数实际上port2 端口点的功率，当我们测试放大器时，一般有连线到 port2端口，只有加上这段线损才是放大器的真实输出 功率。
• 传输媒介相对介电常数 r大于1时，电磁波传播速度小 内于真空中传输的距离。
C பைடு நூலகம் 3 10 m / s
8
于光速为：
V r f
C
r 为传输媒介中电磁波的等效传输线波长。
• 真空中BD发射波长约为18.5cm，接收波长约为12cm。 • 实际传输线中以上两项的传输波长要略小于所给值。
50000mW 50W 10 lg 46.99 dBm 1mW
50W 50W 10 lg 16.99 dBW 1W
功率和增益差损
1dBW 1 30dBm 31dBm
0 dBW 30 dBm
• 增益GAIN或差损Insert Lose表述的是功率的差值，输 出大于输入为增益GAIN，反之为差损Insert Lose。对 数功率的差值单位为dB。


表示传输线长度。 z
'
驻波比和传输功率、Smith圆图
根据最大功率传输条件下的阻抗匹配，在使用公式时 往往涉及复数运算，比较麻烦，使用不方便。利用史密斯 圆图（Smith Chart）可简便求解，并且容易看出准确结果 的趋向，而其作图误差在工程允许范围内，常用于复杂网 络的初调计算。 要使信号源传送到负载的功率最大，需要负载匹配。 用smith圆图设计匹配网络，即使得负载阻抗变换到源端时 匹配到源特性阻抗如50欧姆。这就等于要求信号源经过匹 配网络到负载的输出阻抗必须等于负载的共轭阻抗，即：
阻抗的概念
什么是特性阻抗？
• 而射频通信系统中，理想的无耗传输的50欧姆同轴线， 电路板上的理想的50欧姆阻抗匹配微带线均可以看成 在直流状态下的一段串行导线，即功率在理想的50欧 姆阻抗系统上传输时是无耗的，没有功率损失。但实 际情形是一般传输线是有耗的，这类损耗主要源于加 工工艺中对于导体的半径和铜内径的光泽度不能加工 到理想状态所至，即只是接近50欧姆阻抗，因而有很 多反射和吸收损耗。
Zout Rout jX out RL jX L
驻波比和传输功率、Smith圆图
建立smith圆图 • 负载反射信号的强度取决于信号源阻抗与负载阻抗的 失配程度。反射系数定义为：
L
Vrefl Vinc
Z L ZO a jb Z L ZO
驻波比和传输功率、Smith圆图
r
波长和频率
• 当电路尺寸或传输路径可与工作频段的四分之一波长 相比拟时，需要考虑分布参数带来的影响，即传输路 径上电压与电流这种传统的集总参数不再适用，主要 原因是传输路径上电压或电流是震荡的波形，其周期 与工作频率相关，这样导致在同一根导线上不同点的 电压值(电流值)是不一样的，这就是射频电路与低频 电路分析中的最大不同点之一。
功率和增益差损
• 功率的一般定义：P=U×I。单位W、mW等。
• 在射频频率下，使用的功率值往往范围(差距)较大， 如0.00001mW和1000mW，这样一来使用十进制的功率表 述时带来不便。 • 将十进制的功率(称之为线性功率Linear power)表示 成对数功率形式(logarithmic power),以便于使用。 定义：
射频基础知识讲义提纲
1 1 、射频基本概念 、射频基本概念 2、接收机系统 3、发射机系统 4、无线传输 5、天线辐射场
波长和频率
本振相位噪声 功率和增益差损
射频基本概念
阻抗的概念
驻波比和传输功率、Smith圆图
波长和频率
• 真空中电磁波传播速度近似等于光速：
为真空中电磁波的波长，定义为电磁波在一个周期