最新射频微波知识点.docx
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最新射频微波知识点
射频微波（知识点）
一、射频/微波技术及其基础
1、射频/微波技术的基础
✓什么是微波技术
研究微波的产生、放大、传输、辐射、接收和测量的科学。
射频/微波技术是研究射频/微波信号的产生、调制、混频、驱动放大、功率放大、发射、空间传输、接收、低噪声放大、中频放大、解调、检测、滤波、衰减、移相、开关等各个电路及器件模块的设计和生产的技术，利用不同的电路和器件可以组合成相应的射频/微波设备。
微波技术主要是指通信设备和系统的研究、设计、生产和应用。
✓微波技术的基本理论是以麦克斯韦方程为核心的场与波的理论
2、射频/微波的基本特性
✓频率高、穿透性、量子性、分析方法的独特性
射频频段为30～300MHz，微波频段为300MHz～3000GHz，相对应波长为1m～0.1mm，照射于介质物体时能深入到该物质的内部。
根据量子理论，电磁辐射能量不是连续的，而是由一个个的“光量子”组成，单个量子的能量与其频率的关系为e=h·f
式中,h=4×10-15电子伏·秒（eV·S）成为普朗克常数
3、射频/微波技术在工程里的应用
✓无线通信的工作方式
1、单向通信方式
通信双方中的一方只能接收信号，另一方只能发送信号，不能互逆，收信方不能对发信方直接进行信息反馈
2、双向单工通信方式
通信双方只能交替地进行发信和收信，收发不能同时进行。
3、双向半双工通信方式
通信双方中的一方使用双频双工方式，可同时收发；另一方则使用双频单工方式，发信时要按下“送话”开关。
4、双向全双工通信方式
通信双方可以通信进行发信和收信，这时收信与发信一般采用不同的工作频率，通过双工器来完成收信和发信的隔离。
二、电磁波频谱
1、电磁波频谱及频段划分
频段
频率
波长
ELF（极低频）
30~300Hz
10000~1000Km
VF（音频）
300~3000Hz
1000~100Km
VLF（甚低频）
3~30KHz
100~10Km
LF（低频）
30~300KHz
10~1Km
MF（中频）
300~3000KHz
1~0.1Km
HF（高频）
3~30MHz
100~10m
VHF（甚高频）
30~300MHz
10~1m
UHF（特高频）
300~3000MHz
100~10cm
SHF（超高频）
3~30GHz
10~1cm
EHF（极高频）
30~300GHz
1~0.1cm
亚毫米波
300~3000GHz
1~0.1mm
光波
100~1000THz
300~3000nm
2、射频/微波系统工程的无线电频段划分及代号
波段代号
频率范围（GHz）
波长范围（cm）
P
0.23~1
130~30
L
1~2
30~15
S
2~4
15~7.5
C
4~8
7.5~3.75
X
8~12.5
3.75~2.5
Ku
12.5~18
2.5~1.67
K
18~27
1.67~1.11
Ka
27~40
1.11~0.75
U
40~60
0.75~0.5
V
60~80
0.5~0.375
W
80~100
0.375~0.3
3、移动通信频段
体制
分配频段（MHz）
实际频段（MHz）
运营商
频道间隔
CDMA-IS95
上行
825~835
上行
825~835
中国电信
1.23MHz
下行
870~880
下行
870~880
GSM900
上行
890~915
上行
890~909
中国移动
200KHz
DCS1800
上行
1710~1755
上行
1710~1720
中国移动
下行
1805~1815
下行
1805~1850
上行
1745~1755
中国联通
下行
1840~1850
WCDMA
上行
1920~1980
上行
1940~1955
中国联通
5MHz
下行
2110~2170
下行
2130~2145
CDMA2000
上行
825~835
上行
825~835
中国电信
1.23MHz
下行
870~880
下行
870~880
TD-SCDMA
A
2010~2025
A
2010~2025
中国移动
1.6MHz
B
1880~1920
B
W-LAN
2.4~2.48GHz
✓CDMA系统的各信道频率
频道序号
上行频率
下行频率
备注
37
826.11MHz
871.11MHz
78
827.34MHz
872.34MHz
119
828.57MHz
873.57MHz
160
829.80MHz
874.80MHz
201
831.03MHz
876.03MHz
242
832.26MHz
877.26MHz
283
833.49MHz
878.49MHz
✓GSM900系统的频道配置
GSM-900系统采用等间隔方式，频道间隔为200KHz，同一信道的收发频率间隔为45MHz,
频道序号和频道标称中心频率的关系为
F上行（n）=890.2+（n-1）×0.2MHz
F下行（n）=F上行（n）+45MHz
式中：
频道序号n=1～124
在我国的GSM900网络中，1～94号载频分配给中国移动使用，96～124号载频分配给中国联通使用，95号载频作为保护隔离，不用于业务。
✓DCS1800系统的频道配置
DCS1800系统采用等间隔方式，频道间隔为200KHz，同一行到的收发频率间隔为95MHz，频道序号和频道标称中心频率的关系为
F上行（n）=1710.2+（n-512）×0.2MHz
F下行（n）=F上行（n）+45MHz
式中：
频道序号n=512～885
在我国的DCS1800网络中，512～561号载频分配给中国移动使用，686～736号载频分配给中国联通使用。
✓WCDMA的频道配置
WCDMA的工作频道为20MHz，可在60MHz内任意选择，信道带宽为5MHz。
✓TD-SCDMA的频率配置
工作频率
●1800～1920MHz（上/下行共用）
2010～2025MHz（上/下行共用）
2300～2400MHz（上/下行共用）
●*1850～1910MHz（上/下行共用）
1930～1990MHz（上/下行共用）
●*1910～1930MHz（上/下行共用）
注：
1、*用在ITU定义的区域2，此频段分配属研究频段
2、其他频段有相关主管部门确定
中国移动TD-SCDMA网的频率范围及信道
2010～2025MHz；信道带宽：
1.28MHz；信道间隔：
1.6MHz
载频有效工作带宽计算：
（N-1）×1.6MHz+1.28MHz+（M-1）×5MHz
式中：
N为频点数，M为组数
三、射频/微波工程中的重要参数
1、频率、阻抗和功率的表征
✓频率
1、频率的定义
频率是单位时间内重复的次数。
频率和周期在数学上互为倒数，即f=1/T
2、有关信号频率的基本电路
在射频/微波电路里，直接与信号频率相关的电路及仪器有信号发生器、频率变换器、频率选择器。
✓功率
1、功率的定义
描述射频/微波信号的能量大小，单位是瓦特，用符号Ｗ表示。
2、有关射频/微波信号功率的基本电路
在射频/微波电路里，直接与信号功率相关的电路及仪器有衰减器、功率分配/合路器、定向耦合器、放大器
✓阻抗
1、阻抗的定义
在特定频率下，描述射频/微波电路对微波信号能量传输的影响的一个重要参数。
2、有关射频/微波阻抗的基本电路
阻抗变换器、阻抗匹配器、阻抗标准器
四、射频/微波工程测量技术
1、测量的重要性
✓测量是人类认识和改造世界的一种重要的手段。
在人们对客观事物的认识过程中，经常需要进行定性、定量的分析，这时就要进行测量。
测量是通过实验方法对客观事物取得定量数据的过程，通过大量的测量，人们可以逐步准确地认识各种客观事物，建立起各种定理和定律。
所以，杰出的科学家门捷列夫说：
“没有测量，就没有科学”。
电子信息科学是现代科学技术的象征，它的三大支柱是：
信息获取（测量技术）、信息传输（通信技术）、信息处理（计算机技术），三者中信息的获取是首要的，而电子测量是获取信息的重要手段。
✓微量技术包括哪些方面？
微波信号特性的测量和微波网络特性的测量
2、微波频率的测量
✓直接影响信号的频率稳定度的因素为如下五方面。
1.频率源的参数变化
2.外界干扰的影响
3.频率源噪声的影响
（1）附加噪声
（2）干扰噪声
（3）调频闪变噪声
4.信号的杂散（或寄生信号）引起频率不稳定性
5.交流干扰（或称哼扰调制）
✓射频/微波工程对频率特性的要求
1、时域特性
频率误差：
指直放站在工作频带内输入频率与输入频率的偏差
调制准确度：
可用相位误差来衡量，直放站相位误差是指直放站输出相位轨迹与其回归线之差。
2、频域特性
移动通信系统里通信信号的频域特性是对通信设备的重要指标，该指标要求的表征形式较多，最主要的是用噪声、频谱等特性来表示。
✓频差倍增技术
该技术是将频差通过倍增器，扩大后再进行测量，也可称为“频率倍增技术”
被测频率（fx）、标称频率（fs）、频率偏差（Δf）有如下关系
频差倍增有三种方式：
直接倍增、一级倍增、多级倍增
3、微波功率的测量
✓基本概念：
测量微波功率的最常用方法是“热”的方法，即把微波能量转换成热能，然后用测热的方法进行测量。
常用的测热式功率测量仪器有量热式功率计、热偶式功率计和测辐射热器式功率计等。
✓对数单位
1、绝对功率电平（dBm）
以基准量P0=1mW作为零功率电平（0dBm），则任意功率（被测功率）Px的功率电平定义为：
2、
相对功率（dB）
相对功率即两个功率之比的对数:
若P1=10×P2，则有
这个无量纲的数为1，称为1贝尔（Bel）。
在实际应用时，贝尔太大，通常采用分贝，写为dB（deciBel），1贝尔等于10dB。
3、功率的定义及其信号源反射系数的影响
信号源的资用功率。
信号源传输到无反射负载上的功率（也称为发生器功率）。
信号源入射到任意负载上的功率以及信号源传输到任意负载上的净功率等
a1为信号源入射到负载的入射电压波波幅；
b1为负载反射的反射电压波波幅；
bG为信号源传输到无反射负载的电压波波幅；
ΓG为信号源的反射系数；
ΓL为负载的反射系数。
当负载的反射系数与信号源的反射系数成复数共轭是，其反射系数满足ΓL=ΓG*的条件。
此时信号源传输到负载上的功率最大。
4、微波阻抗的测量
✓分布参数阻抗的基本概念
传输线上的电压和电流
式中：
V为电压复数；
I为电流复数；
A，B为由终端负载特性决定的复常数；
Z0为传输线的特性阻抗，该参数仅与传输线的结构、尺寸和频率有关；
γ=α+jβ为是传输线的另一个参数，其中α是衰减常数，jβ是相位常数。
传输线上的阻抗关系
在分布参数电路中，线上任一点的复数阻抗定义为该点的复数电压与复数电流之比。
，线上任一点P的阻抗Zp，
式中：
l为由P点至终端负载的距离
在终端负载处，l=0，可求得终端负载阻抗ZL为
可得：
得到线上任一点P的阻抗ZP与终端负载阻抗ZL的关系式
对于无耗传输线，α=0，γ=α+jβ，则
可以看出，因此分布参数阻抗在沿线的不同位置各不相同，是沿线位置的函数
电压反射系数与回波损耗
电压反射系数：
线上任一点的电压反射系数定义为该点反射波电压与该点入射波电压之比值，反射系数Γ=|Γ|ejφ，是一个由模|Γ|和相角φ组成的复数量。
根据定义，线上任一点P的反射系数Γp，用数学式表示为：
式中：
l为由P点至终端负载的距离。
在终端负载处，l=0，负载的反射系数为
对于无耗线有：
或
表明，沿无耗线移动参考面位置时，反射系数模不变，都等于终端负载的反射系数模
|ΓL|，而沿线反射系数的相角则随l成线性关系变化。
驻波比：
电压驻波比的定义是电压最大值|V|max与电压最小值|V|min之比值（英文缩写为VSWR），简称驻波比。
一般用符号K:
1表示，用数学式表示为：
驻波比是无量纲的标量，为了表征电压驻波的相位，通常取从测试参考面往源端移动到第一个电压最小点处的距离lmin作为驻波相位的标志。
取许多电压最小点中的第一个电压最小点，实际是规定了驻波相位的单值变化范围为0≤lmin≤λ/2。
必要时也可以取半波长任意整数倍的其它最小点位置代替。
驻波比与反射系数的关系：
式中：
K为驻波比；|ΓL|为反射系数摸。
二端口网络的S参数
当端口2连接无反射负载时，从端口1看入网络的反射系数
当端口2连接无反射负载时，从端口1到端口2的传输系数
当端口1连接无反射负载时，从端口2到端口1的传输系数
当端口1连接无反射负载时，从端口2看入网络的反射系数
六、射频微波的测量仪器
1、微波信号发生器
✓信号发生器是产生不同频率、不同波形和不同幅度的电压和电流信号，并加载到被测器件或设备上，然后用其他的测量仪器测量其输出响应。
✓信号发生器的主要应用有
作为激励源：
作为某些点在设备如移动通信设备的激励信号源，尤其是在移动通信射频工程里可作为信源
作为校准源：
产生一些标准信号，用于对一般的信号源进行校准，尤其是微波信号的频谱特性的测量，需要有低噪声信号发生器作为标砖信号
信号仿真：
在电子设备测量中，场需要产生模拟实际环境特性的信号，可对于干扰信号进行仿真。
✓微波信号发生器的主要特性有？
✓频率特性
频率范围：
微波信号发生器的各项技术指标都得到保证时的输出频率范围
频率准确度和分辨率：
微波信号发生器的频率准确度指标称输出信号频率相对于标准频率的相对偏差程度。
微波信号的频率准确度取决于读数精度和校准精度。
读数精度决定于频率刻度盘或其他读数装置上所能分片的最小增量，即分辨率。
频率稳定度：
由于微波源的内部随机噪声和电气、机械以及环境的不稳定因素引起的震荡频率的相对起伏，其表征量分为频域和时域。
时域方面通常用频率漂移特性来衡量微波信号发生器由于环境温度、湿度的变化、电子器件以及其他的老化等因素引起的频率漂移。
频域方面用相位噪声谱密度来表征频谱纯度。
✓功率特性：
输出电平、幅度稳定性、幅度均匀性、输出驻波比、高频泄露
✓调制特性：
调制种类、调制信号特性、调制指数、调制失真、几声调制等。
调制种类：
正弦调幅、脉冲调幅、调频和调相等方式
调制信号特性：
正弦调幅脉冲调制、调频
2、频率合成信号发生器
✓什么是频率合成？
✓频率合成就是对一个参考频率进行频率的加和减（混频）、乘（倍频）、除（分频），以得到所需要的一系列信号频率，而且所有的输出频率都与参考频率相关，具有完全一样的频率准确度和长期频率稳定度。
✓实现频率合成的方法
✓直接合成：
基准信号通过脉冲形成电路产生谐波丰富的窄脉冲，进过混频、分频、倍频、滤波进行频率的变换和组合，产生大量的离散频率，最后通过滤波器取出所需频率。
方法包括多晶体频率合成法、单晶体谐波选频法和十进制多晶体直接合成法。
✓间接合成：
间接合成是通过锁相环来完成频率的加、减、乘、除，故也称为锁相合成法
✓
锁相环路基最基本组成框图
锁相环的基本形式
✓混频式锁相环：
利用锁相环对输入信号频率进行加、减运算，也称为加减环。
✓
倍频式锁相环：
利用锁相环对输入信号频率进行乘法运算。
常有脉冲控制和数字环两种基本形式
脉冲控制环组成框图
数字环原理图
✓分频式锁相环：
利用锁相环对输入信号进行除法运算。
✓锁相环的基本理论
✓锁相环路的锁定过程
锁相环开始工作时，压控振荡器（VCO）的固有输出信号频率f0（即开环时VCO自由振荡频率），总是不等于输入信号频率fi（通常是参考频标频率），即存在固有的频差：
Δf=f0-fi，则两个信号之间的相位差将随时间变化，经相位比较器，鉴出与之相应的误差电压Vd（t），然后，通过环路滤波器加到VCO上。
VCO受误差电压控制，使压控振荡器的频率向着输入信号的频率靠拢，也就是使差拍频率越来越低，直至消除频差而锁定。
环路从失锁状态进入锁定状态的上述过程，称为锁相环的捕捉过程。
锁相环处于锁定状态时具有两个基本特性，一个特性是输入信号和VCO输出信号之间只存在一个稳态相位差，而不存在频率差；另一个特性是VCO的输出频率稳定在输入频率（参考频标频率）上，锁相合成法就是利用这一特性来稳定频率。
✓锁相环的跟踪特性和同步带宽
当环路锁定时，VCO的输出频率（也称环路输出频率）f0等于环路输入频率fi，也就是说，环路输出频率可以精确地跟踪上输入频率的变化，这就是环路的跟踪特性，所以环路的锁定状态又称跟踪状态或同步状态。
当输入频率变化超过一定范围（即固有频差超过一定值），输出频率不再能跟踪输入频率的变化，这时环路将“失锁”。
在环路保持锁定的条件下，把输入频率所允许的最大变化范围定义为同步带宽。
在锁相合成器中，输入频率是基准频率fr，相对于输出频率f0，可认为基准频率fr不变，那么，同步带宽可理解为在环路保持锁定的条件下，VCO频率f0允许变化的最大范围。
✓锁相环路的捕捉与捕捉带宽
锁相环从失锁状态进入锁定状态是有条件的，当锁相环处于失锁状态，若调谐VCO的输出频率f0，使它逐渐向基准频率fr靠近，即减小固有频差△f0＝f0－fr，只有当固有频差减小到一定值，环路才能从失锁状态进入锁定状态。
为此，“捕捉带宽”可定义为环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许的固有频差。
锁相环的捕捉过程是环路从失锁状态进入锁定状态的过程。
只要固有频差△f0小于环路的捕捉带宽，那么，通过捕捉，环路总能进入锁定，当然，捕捉过程是需要一定时间。
通常，锁相环的捕捉过程可分为两个阶段：
第一阶段是频率牵引阶段，另一阶段是快捕。
✓锁相环路的基本特性：
锁定特性、载波跟踪特性、调制跟踪特性、低门限特性。
✓
单环锁相频率合成器：
✓变模前置分频锁相环频率合成器：
NT＝（P＋1）N2＋（N1－N2）P＝PN1＋N2
假如，P＝10，则总分频比为NT＝10N1＋N2
✓小数分频锁相频率合成器
整数分频锁相环，为了提高频率分辨力，就必须减小fr，其结果使转换时间过大，这是一对矛盾。
为了解决这一矛盾，可采用小数分频锁相环路，这样就能在不改变参考频率的条件下提高频率分辨了。
为了能提高分辨率，又不降低参考频率，在小数分频锁相频率合成电路中，设计可编程分频器提供小数的分频比，每次改变某频率位小数实现输出频率切换，这样就可以再不降低参考频率的情况下提高输出频率分辨率。
小数分频比有如下关系式：
3、DDS合成信号发生器
✓工作原理
可编程DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N一般为24～32。
每来一个外部参考时钟脉冲，相位寄存器便以步长M递加。
相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。
正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。
查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC以输出模式量。
相位寄存器每过2N/M个外部参考时钟后返回到初始状态一次，相位的正弦查询表每消费一个循环也回到初始位置，从而使整个DDS系统输出一个正弦波。
输出的正弦波周期To=Tc2N/M，频率fout=Mfc/2N，Tc、fc分别为外部参考时钟的周期和频率。
DDS在理论上输出的最大频率fmax=fr/2，实际工作中：
f0max=fr/4
✓DDS的特点
DDS是以标准参考源作为基准，对所要求频率进行相位取样，合成的频率与单位周期内相位取样量多少有关。
DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，它的频率转换时间由低通滤波器附加的时延来决定，因此DDS的调谐时间短，一般只有nS级，最大不超过2μS。
DDS的频率分辨率很高，正是由于DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，因此，当一个转换频率的指令加在DDS的数据输入时，它会迅速合成所要求的频率信号DDS可在极宽的频率范围之内（一般超出一个倍频程）输出幅度平坦的信号。
并且输出频响可以预测。
DDS中几乎所有部件都属于数字信号处理部件，易于集成、功耗低、体积小、重量轻。
4、频谱分析仪
✓频谱分析仪的主要用途
1.测量正弦信号的频谱纯度
2.测量调制信号的频谱
3.测量非正弦波的频谱
4.测量通信系统的发射机质量
5.测量激励源响应
6.测量放大器的性能
7.噪声频谱测量及分析
8.电磁干扰的测量。
✓频谱分析仪的分类
1、数字式频谱仪
数字滤波式频谱仪
快速傅里叶变换式频谱仪
2、模拟式频谱仪
实时：
并行滤波频谱仪
非实时：
并行滤波频谱仪、可调频频谱仪、扫频外差频谱仪
✓频谱仪主要设置参数
1、频率显示范围：
可以用开始频率和终止频率来设置，或用中心频率和频率跨度设置
2、电平显示范围：
用最大显示电平（参考电平）及两成跨度来设置
3、频率分辨率：
频率分辨率带宽（RBW），通过中品滤波器来设置（对于外差原理工作的频谱仪）。
频率分辨率是决定分析带宽的指标。
4、扫描时间：
记录整个频谱所需的时间。
小德分辨率带宽相应的需要长的扫描时间
✓外差式频谱分析仪的结构
（1）射频输入部分（射频前端）
（2）中频信号处理部分（中频滤波和放大）
（2）中频信号处理部分（中频滤波和放大）
（3）视频信号处理
（3）视频信号处理
（4）检波器
（5）踪迹处理
✓使用频谱仪时设置参数及其相关性
1、扫描时间、频率跨度和VBW/RBW
由于使用了模拟或数字滤波器，所以扫描速度会受到中频和视频滤波器的瞬态响应时间所限。
若VBW＞RBW，则视频滤波器的瞬态时间没有影响。
在这种情况下，需要的瞬态响应时间与RBW的平方成反比，其关系式为：
式中：
Tsweep为是给定频跨与分辨率带宽下所需的最小扫描时间，单位为s；
BIF为分辨率带宽，单位为Hz；
Δf为显示频宽，单位为Hz；
k为比例系数
在现代频谱仪中，VBW可与RBW连动。
通常可按下面的进行选择RBW/VBW：
测量正弦信号时，RBW/VBW=0.3或1。
测量脉冲信号时，RBW/VBW=0.1。
测量噪声信号时，RBW/VBW=10。
2、参考电平与射频衰减
为了使对数放大器、包络检波器和A/D转换器达到全部动态，必须正确地在最后使用中频放大器
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