实验一射频前端发射和接收器
一、实验目的：
1、了解射频前端发射器和接收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和接收器的基本特性。
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。 3、熟悉带通滤波器、变频器、信号发生器、低噪声放大器、中频放大器的
理论知识。
4、熟悉带通滤波器、变频器、信号发生器、低噪声放大器、中频放大器的
设计的理论知识。
三、实验设备：
项次 设备名称 数量 备注 1 2 3 4 5 6 7 网络分析仪 频谱仪 发射器模块 微带天线 50Ω SMA连接线 直流电源连接线 ADS软件 1套 1套 1套 1组 HFRF-ANT 2条 CA-1、CA-2 1条 DC-1 1套 微波软件
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1－1(a)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六，而滤波器的基本原理与设
计方法已可参考主题五的说明。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。 AntennMIXER a
Signal RF IF IF From PA AMP BPF AMBaseband P Processing
Unit LO BPF
LO
图1-1(a)基本射频前端发射器结构图
ANTENNA
DOWN BRF IF BPU
Inject 图1-1(b)单变频结构射频前端接收器
如图1-1(b)可见，射频前端接收器可分为天线(Antenna)、射频低噪声放大器(RF Low Noise Amplifier ， LNA)、下变频器(Down-Mixer ， Down Converter)、中频滤波器(Intermidate Frequency Bandpass Filter ， IF BPF)、本地振荡器 (Local Oscillator ， LO)。其工作原理是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(Baseband Processing Unit、BPU)解调(Demodulation)出所需要的信号(Message Signals).
这类只经一个混频器上变频(或下变频)的电路构造称为单变频结构(Single Conversion configuration)。而在实际应用中也有双变频结构(Dual Conversion Configuration)，甚至多变频结构(Multi-conversion Configuration)，使用的时机视系统指标而定。因为BPU的处理频率有所限制(一般在500MHz以下)，所以需要利用变频器(Mixer)及频道振荡器(Channel Oscillator)将射频信号由射频前端接收器下变频为中频段(Intermidate Frequency Band、IF)信号后再送入BPU ，或是将BPU送出的IF信号用射频前端发射器上变频至射频段(Radio Frequency Band、RF)信号经放大后再发射。
本单元以单变频结构来说明一个射频前端接收器的各设计参数.
(一) 天线(Antenna)
(二) 射频接收滤波器(RF_ BPF1) (三) 射频低噪声放大器 (LNA) (四) 射频混频滤波器 (RF_BPF2) (五) 下变频器(Down Mixer) (六) 带通滤波器(Filter)
(七) 本地振荡嚣 (Local Oscillator) (八) 中频放大器 (IF Amplifier) (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1-2所示。在二极管上的电流如式(1-1)所示。 混频 二极管 匹配 滤波器 匹配 RF IF 电路 电路 PIF PRF 匹配 LO 电路
图1-2基本混频器电路结构图
i(v)?IO?IIF??n?1?en?nkT??Vn!IF?sin(2?fIFt)?VLO?sin(2?fLOt)?
n（1-1）
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
fRF?m?fIF?n?fLO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
fRF?fLO?fIF。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
fRF?fLO?fIF)
1. 镜频信号 ( IMAGE FREQUENCY )：
fim?fLO?2?fIF
2. 载波信号的谐波( CARRIER HARMONICS )：n?3. 边带谐波信号( HARMONIC SIDEBANDS )：
fLO，n=正整数
fsb?fLO?m?fIF
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)
?PIFLC(dB)?10?log??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
2f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1-3(a)所示。上变频器的也类似。
混波器
fRF fOUT 带通 信号 频谱 滤波器 发生器 分析仪 P RF
带通
滤波器
fLO 信号 图1-3(a)下变频器的IP2测量
(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，混频器 如图示1-4(a)所示。
f 带通 1 信号 滤波器 结合器 f2 图1-4(a)混频器的IP3测量图
频谱 分析仪 带通 滤波器 信号 产生器 fLO (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1-5(a)(b)所示。