射频基础知识点

一、频谱分析仪部分什么是频谱分析仪?频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。我们现在所用的频谱仪大部分是扫频调谐超外差频谱分析仪。频谱仪工作原理输入信号经衰减器以限制信号幅度，经低通输入滤波器滤除不需的频率，然后经混频器与本振(LO)信号混频将输入信号转换到中频(IF)。LO的频率由扫频发生器控制。随着LO频率的改变，混频器的输出信号(它包括两个原始信号，它们的和、差及谐波，)由分辨力带宽滤波器滤出本振比输入信号高的中频，并以对数标度放大或压缩。然后用检波器对通过IF滤波器的信号进行整流，从而得到驱动显示垂直部分的直流电压。随着扫频发生器扫过某一频率范围，屏幕上就会画出一条迹线。该迹线示出了输入信号在所显示频率范围内的频率成分。输入衰减器保证频谱仪在宽频范围内保持良好匹配特性，以减小失配误差;保护混频器及其它中频处理电路，防止部件损坏和产生过大的非线性失真。混频器完成信号的频谱搬移，将不同频率输入信号变换到相应中频。在低频段(<3GHz)利用高混频和低通滤波器抑制镜像干扰;在高频段(>3GHz)利用带通跟踪滤波器抑制镜像干扰。本振(LO)它是一个压控振荡器，其频率是受扫频发生器控制的。其频率稳定度锁相于参考源。扫频发生器除了控制本振频率外，它也能控制水平偏转显示，锯齿波扫描使频谱仪屏幕上从左到右显示信号，然后重复这个扫描不断更新迹线。扫频宽度(Span)是从左fstart到右fstop10格的频率差，例如：Span=1MHz,则100kHz/div.中频放大器其增益和衰减器设置值连动工作，即当输入衰减10dB时，则中频增益同时增加10dB,使输入信号电平保持不变。屏幕顶格线参考电平间接设置 中频增益值。当参考电平(或)10dB,则增益(或)使信号移(或移)10dB,即改变信号显示位置，但信号幅度保持不变。当输入衰减增加 10dB时，信噪比减小10dB.这是因为输入衰减在混频器之前，只对信号电平进行衰减，而噪声是混频以后产生的，为保证输入信号电平不变，混频后的信号要相应地放大10dB,这样噪声也就跟着相应地放大，即噪声电平增加10dB.中频滤波器也称分辨力带宽滤波器，用来分辨不同频率的信号。它只允许本振信号减去输入信号的差频等于中频时，才能通过中频滤波器，最后在屏幕上显示。其它干扰信号将被抑制掉。中频滤波器的3dB带宽也称作分辨力带宽(RBW)。之所以在频谱仪上信号不可能显示为无线细的线，而是有一定的宽度，是因为当调谐通过信号时，其形状是频谱仪自身分辨带宽(IF滤波器)形状的显示。当改变RBW时，就改变了显示响应的宽度。对数放大器对数放大器按照对数函数来压缩信号电平（对于输入电压幅度v,输出电压幅度为logv），这大大减小了由检波器所检测的信号电平变化，而同时向用户提供校准成用分贝读数的对数垂直刻度，在频谱分析仪中，由于信号电平大幅度变化，故需要采用对数刻度。包络检波器输入信号幅度的信息包含在中频信号的幅度中，通过使用模拟或者数字滤波器，在滤除高的中频信号之后，可以得到中频信号的包络。视频滤波器视频滤波器是平滑噪声显示的。它是对检波器输出视频信号进行低通滤波平均处理来平滑显示的。减小视频带宽(VBW)，可对频谱显示中的噪声抖动进行平滑，从而减小显示抖动的范围。这样有利频谱仪发现淹没在噪声中的小功率连续波(CW)信号，还可提高测量的重复性。检波器由于从起始频率到终止频率扫描点的数量远远大于仪器能够显示的象素点，测量点到显示点之间有个对应关系，称作检波。相位噪声频谱仪的相位噪声指本地振荡器短时间稳定度的度量参数。定义：偏离中心频率多少Hz处，单位带宽内的功率与总信号功率相比。其单位为dBc(1Hz)或dBc/Hz。dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式。平均显示噪声电平是频谱仪灵敏度的度量指标，决定了频谱仪的最小可检测电平。如何提升频谱仪灵敏度1. 关闭衰减；2.减小RBW；3.减小VBW；4.开启前置放大器动态范围动态范围是频谱分析仪同时处理不同电平信号的能力。动态范围的限值依赖于实际所要进行的测量，动态范围下限是由自然噪声或相位噪声决定的，动态范围的上限是由1dB压缩点或由频谱仪过载而造成的失真决定的。失真信号在通过射频通道（这里所谓的射频通道是指射频收发信机通道，不包括空间段衰落信道）时会有一定程度的失真，失真可以分为线性失真和非线性失真。产生线性失真的主要有一些滤波器等无源器件，产生非线性失真的主要有一些放大器、混频器等有源器件。另外射频通道还会有一些加性噪声和乘性噪声的引入。线性失真可以分成线性幅度失真和线性相位失真，从频域可以很方便表示这些失真，如下图非线性失真非线性幅度失真常用1dB压缩点、三阶交调、三阶截止点等指标衡量。1dB压缩点：例如一个射频放大器，当输入信号较小时，其输出与输入可以保证线关系，输入电平增加1dB，输出相应增加1dB，增益保持不变，随着输入信号电平的增加，输入电平增加1dB，输出将增加不到1dB，增益开始压缩，增益压缩1dB时的输入信号电平称为输入1dB压缩点，这时输出信号电平称为输出1dB压缩点。三阶交调：用两个相隔f，且电平相等的单音信号同时输入一个射频放大器，则放大器的输出频谱大致如下：三阶交调常用dBc表示，即交调产物与主输出信号的比。三阶截止点：任一微波单元电路，输入双音信号同时增加1dB，输出三阶交调产物将增加3dB，而主输出信号仅增加1dB（不考虑压缩），这样输入信号电平增加到一定值时，输出三阶交调产物与主输出信号相等，这一点称为三阶截止点，对应的输入信号电平称为输入三阶截止点，对应的输出信号电平称为输出三阶截止点。二、射频信号传输部分传输线从电子学概念上来说能够传输电磁能量的线路都叫传输线，在射频和微波频段由于信号波长很短，传输线的长度可以和波长相比拟，线上各点的电压和电流都不再相同，整个传输线也不再是等效电路中的一点，这个意义上的传输线叫长线，如无特殊说明射频和微波信号的传输线都是指长线传输线。特征阻抗其是微波传输线的固有特性，它等于模式电压与模式电流之比。无耗传输线的特征阻抗为实数，有耗传输线的特征阻抗为复数。在做射频PCB板设计时，一定要考虑匹配问题，考虑信号线的特征阻抗是否等于所连接前后级部件的阻抗。当不相等时则会产生反射，造成失真和功率损失。在目前世界上的微波通讯系统一般分为两种特性阻抗，一种是50欧姆系统，如军用的微波、毫米波通讯系统，雷达，我们目前开发的蜂窝通讯系统GSM、WCDMA等；另一种是75欧姆系统，这种系统相对比较少，如我们目前使用的有线电视系统。驻波比：驻波比全称为电压驻波比，又名VSWR和SWR，为英文Voltage Standing Wave Ratio的简写。指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，又称为驻波系数、驻波比。驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线 辐射出去，没有能量的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Vmax ，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin ，形成波谷。其它各点的振幅值则介于波腹与波谷之间。这种合成波称为行驻波。驻波比是驻波波腹处的电压幅值Vmax与波谷处的电压幅值Vmin之比。反射系数：回波损耗回波损耗，又称为反射损耗。是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射。不匹配主要发生在连接器的地方，但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方，所以施工的质量是提高回波损耗的关键。回波损耗将引入信号的波动，返回的信号将被双工的千兆网误认为是收到的信号而产生混乱。回波损耗是传输线端口的反射波功率与入射波功率之比，以对数形式来表示，单位是dB，一般是负值，其绝对值可以称为反射损耗。反射系数是反射波和入射波电压之比，而回波损耗是反射波和入射波的功率之比。一般情况下从量级上看，功率之比是电压之比的平方，而在对数域里功率之比是电压之比的2倍。传输系数插入损耗增益史密斯圆图史密斯圆图(Smith chart）是一款用于电机与电子工程学的圆图，主要用于传输线的阻抗匹配上。一条传输线(transmission line)的电阻抗力(impedance)会随其长度而改变，要设计一套匹配(matching)的线路，需要通过不少繁复的计算程序，史密斯圆图的特 点便是省却一些计算程序。史密斯圆图的基本在于以下的算式= (Z - 1)/(Z+ 1)代表其线路的反射系数(reflection coefficient)，即S-parameter里的S11，Z是归一负载值，即ZL / Z0。当中，ZL是线路的负载值Z0是传输线的特征阻抗值，通常会使用50。圆图中的横坐标代表反射系数的实部，纵坐标代表虚部。圆形线代表等电阻圆，每个圆的圆心为1/(R+1),半径为R/(R+1).R为该圆上的点的电阻值。中间的横线与向上和向下散出的线则代表阻抗的虚数值，即等电抗圆，圆心为1/X,半径为1/X.由于反射系数是小于等于1的，所以在等电抗圆落在单位圆以外的部分没有意义。当中向上发散的是正数，向下发散的是负数。圆图最中间的点(Z=1+j0,  =0)代表一个已匹配(matched)的电阻数值(此ZL=Z0，即Z1)，同时其反射系数的值会是零。圆图的边缘代表其反射系数的幅度是1，即100%反射。在图边的数字代表反射系数的角度(0-180度)。S参数S参数，也就是散射参数。是微波传输中的一个重要参数。S12为反向传输系数，也就是隔离。S21为正向传输系数，也就是增益。S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。Ur1 = S11 Ui1 + S12 Ui2Ur2 = S21 Ui1 + S22 Ui2Ui1，Ui2，Ur1，Ur2：分别是端口1和端口2的归一化入射电压和反射电压S11：端口2匹配时，端口1的反射系数；S22：端口1匹配时，端口2的反射系数；S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数；S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数；S 参数（散射参数）用于评估 DUT 反射信号和传送信号的性能。S 参数由两个复数之比定义，它包含有关信号的幅度和相位的信息。信道功率测量信道功率测试功能通过对信道带宽内的功率密度积分来进行信道功率的测量，获得信道带宽内的平均功率。占用带宽测量无线通信产品的占用带宽是指：通信产品的整个信道发射出来的能量（功率）所占用的宽度。针对无线通信产品来说，其的占用带宽是确定的，不能超过其确定的带 宽范围，也就是不能占用其他通信产品的频谱资源。一般来说如果占用的宽度过大，会导致自身信道功率超标，占用宽度不够信道功率就会过小，从而实现不了产品 的通信功能。邻信道功率比(ACPR):Adjacent Channel Power Ratio是指相邻频率信道的平均功率和当前所用信道的平均功率之比