射频工程基础 Fundamentals of RF Engineering

1. 射频工程基础Fundamentals of RF Engineering 学时:60/20 学分: 3.5 中国科技大学信息学院电子工程与信息科学系

2. 教学目标与基本要求 • 理论教学（60学时/3学分） 本课程是电子科学与技术方向的本科生专业课程。通过本课程的教学，使本科生在已修课程的基础上，对射频工程的相关知识有一个综合的理解，从系统的角度，掌握射频工程的基本理论和技术；为学生以后从事射频方面的工作和研究打下基础。 • 实验教学（20学时/0.5学分） 射频工程的实验性很强，实验课程的开设将加深学生对射频工程基本内容的理解，增强学生在射频工程方面的实际动手能力，提高学生在射频工程方面的分析、解决问题和自主创新的能力。在实验内容的设计上，将以综合性实验为主。

3. 课程内容：理论教学 课程简介 本课程以系统为主线讲授射频工程，使学生对射频信号的调制、发射、传播、接收到解调的整个过程有一个全面的了解。课程内容主要包括：射频系统的调制和解调、射频发射系统和接收系统、射频发射和接收天线、射频信号的空间传播、常见射频应用系统、射频收发系统中的无源器件和有源器件、射频系统的硬件实现，以及射频系统仿真和测量技术等。本课程涉及的频率范围主要是从甚高频（VHF)到超高频（SHF)（30MHz-30GHz）

4. 课程内容：理论教学 教学大纲： 第一讲 概论（Introduction)（3学时） 第二讲 射频调制和解调 (RF Modulation and Demodulation)（6学时） 第三讲 射频发射机和接收机(RF Transmitter and Receiver)（6学时） 第四讲射频天线（6学时）(RF Antenna) 第五讲射频电波传播（6学时）(RF Radio-wave Propagation) 第六讲射频应用系统（6学时）(RF Application System) 第七讲射频收发系统中的无源器件 (RF Passive Device)（6学时） 第八讲射频收发系统中的有源器件 (RF Active Device)（6学时） *第九讲 射频系统的实际电路 ( Practical RF Circuits)（6学时） *第十讲射频系统的仿真和测量 (RF Simulation and Measurements)（6学时） 考试及其它（3学时） 理论课共60学时 * 暂定

5. 课程内容：实验教学 实验一：*视音频信号的传输测试实验(4学时/综合型） 实验二：*开发平台发信机系统实验 (4学时/综合型） 实验三：*开发平台收信机系统实验(4学时/综合型） 实验四：*开发平台收、发信机系统实验（4学时/综合型） 实验五：*综合测试仪应用实验（4学时/综合型） 实验课共20学时 * 待定

6. 教材：理论教学 教材：以课堂讲义为主。 主要参考书： [1]“Microwave and RF Design: A System Approach”, Michael Steer, SciTech Publishing, 2010 其它参考书： [2] “射频电路设计-理论与应用”，Reinhold Ludwig等著，王子宇等译，电子工业出版社，2002 [3] “射频微电子学”，拉扎维著，余志平等译，清华大学出版社，2006 [4] RF and Microwave Circuit Design for Wireless Communications, Lawrence Larson, Artech House, 1997 [5]”无线网络RF工程：硬件、天线和传播“， Daniel M.Dobkin 著 ，科学出版社 ，2007

7. 主要参考书

8. 其它参考书 中文翻译版 英文版

9. 其它参考书 中文翻译版 英文版

10. 其它参考书

11. 教材：实验教学 实验平台： 微波微带电路系统实验设计平台 微波综合测试仪等 教材：“微波微带电路系统实验设计平台”使用说明书等为基础，自编讲义。 使用说明书的参考教材：”数字微波通信系统“， 唐贤远等，电子工业出版社，2004年。新版本：高等教育出版社，2011年

12. 课程背景 本课程涉及的频率范围: 主要是从甚高频（VHF)到超高频（SHF)（30MHz-30GHz）。 甚高频（VHF):频率30MHz-300MHz、波长10m-1m 特高频（UHF):频率0.3GHz-3GHz、波长1m-10cm 超高频（SHF):频率3GHz-30GHz、波长10cm-1cm • 电路尺寸远小于波长： 电压电流只随时间变，不随空间变，理论上，主要基于Kichhoff电压和电流定律，相关课程有：电路、电子线路（线性和非线性、低频和高频）等。 • 电路尺寸远大于波长： 电压电流等路的概念不再具有明确的物理意义，以电场和磁场的分析为主，理论上，主要基于Maxwell电磁理论，相关课程有电磁场、微波技术基础等。 • 电路尺寸和波长相比拟： 仍使用电压电流的概念进行分析，但电压电流不仅随时间变，而且随空间变，理论上，主要基于传输线理论，电路理论和电磁理论相结合，集总参数电路和分布参数电路相结合，这些是本课程主要讨论的内容。

13. 课程背景 本课程涉及的主要应用范围: • 蜂窝无线通信（1G、2G、3G、4G)： • AMPS（1G): 850MHz。 • GSM(2G)：850、900、1800（DCS）、1900MHz（PCS）。 • CDMA(2G)：800MHz、1900MHz • WCDMA(3G)： 850、900、1800、1900、2100MHz • LTE(4G)：700MHz、2100MHz、2600MHz等 • ISM（工业、科学和医用）频段的应用： • 433MHz、924MHz、2.4GHz、5GHz • 2.4GHz是各国共同的ISM频段，集中了无线局域网（WLAN)、蓝牙、ZigBee 等无线网络应用。 • 射频标签（RFID）、无线传感网、无线报警系统等 • 超宽带UWB：3.1-10.6GHz • 全球定位系统 GPS：1.2GHz、1.5GHz

14. 课程背景

15. 课程背景 本课程涉及的主要知识范围: • 涉及课程： • 通信原理、无线通信原理、 • 电子线路、高频电子线路、 • 电磁场理论、微波技术基础、微波电路与器件、 • 天线、电波传播等。 • 将以上知识，以射频系统为平台联系起来，通过对射频信号从调制、发射、传播、接收到解调的整个过程的全面介绍，使学生对所学知识有一个综合性理解，从系统的角度掌握射频工程的基本内容。

16. 课程背景 一般通信系统系统 信息源 基带信号 射频发射·机 传输媒介 射频接收·机 基带信号 收信者 噪声与干扰 • 在发送端，进行两种变换： • 一是把传递的信息变成电信号，该信号是低频的，可以是模拟信号也可以是数字信号，通常统称为基带信号，在现代数字通信中，经过数模转换，基带信号均为数字信号； • 二是将基带信号转化为适合在传输媒介中传输的发射信号，这种变换称作调制。 • 在接收端，进行两种反变换： • 一是将接收信号转变为基带信号，这一过程称为解调； • 二是将基带信号转变为相应的信息。 • OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层模型中的物理层。

17. 课程背景 OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层模型中的物理层。 应用层（Application Layer） 7 表示层（Presentation Layer） 高层 6 会话层（Session Layer） 5 传输层（Transport Layer） 4 网络层（Network Layer） 3 数据链路层（Data Link Layer） 底层 2 物理层（Physical Layer） 1

18. 课程架构 第二讲:调制与解调 第四讲：天线 第四讲：天线 第二讲:调制与解调 发射天线 接收天线 调制 解调 基带信号 基带信号 发射系统 接收系统 数模转换 模数转换 电波传播 第五讲：电波传播 第三讲：发射机和接收机 第六讲：常见应用系统 第七讲：无源器件 第八讲：有源器件 第三讲：发射机和接收机 第六讲：常见应用系统 第七讲：无源器件 第八讲：有源器件 *第九讲：实际电路 * 第十讲：仿真测量

19. 第一讲 概论（Session 1 Introduction) 1.1 背景 1.2 简单射频系统简介 • 通过简单射频系统，介绍调制、发射、传播、接收到解调的整个过程，将相关知识联系起来：调制和解调、收发系统、天线、电波传播等。

20. 电磁波的波速ν、波长λ、频率f 背景 射频（本课程） 频率： f = 30MHz----30GHz 波长：l = 10m--------10mm

21. 背景

22. 背景 无线电频带和波段的命名（中华人民共和国无线电频率划分规定） 无线电频谱可分为下面表中的14个频带

23. 波段 号码 波长名称 频段名称及简写 频率范围 4 5 6 7 8 9 10 11 12 甚低频（VLF） 低频（LF） 中频（MF） 高频（HF） 甚高频（VHF） 特高频（UHF） 超高频（SHF） 极高频（EHF） 至高频（THF） 3~30kHz 30~300kHz 300~3000kHz 3~30MHz 30~300MHz 300~3000MHz 3~30GHz 30~300GHz 300~3000GHz 万米波(甚长波） 千米波（长波） 百米波（中波） 十米波（短波） 米波（超短波） 分米波 厘米波 毫米波 亚毫米波 无线电频带和波段的命名 背景

24. 背景 主要应用举例

25. 背景 常用字母代码和业务频段对应表（中华人民共和国无线电频率划分规定） 注：对于空间无线电通信，K和Ka频段一般只用字母代码Ka表示；相应代码及频段范围非正式标准，仅作简化称呼参考之用。

26. 常用字母代码和业务频段对应表 背景

27. 1mm 0.1mm 10mm 1mm 0.1 mm 10nm 1nm 0.1nm0.01nm0.001nm0.0001nm 红外线可见光 紫外线x 射线g 射线 背景 电磁波：原理上频率从0到无穷大。 3Hz30Hz300Hz 3kHz30kHz300kHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz3000GHz 104km103km102km 10km 1km 102m 10m 1m 0.1m 1cm 1mm 0.1mm 10mm 音频微波 视频 射频 （本课程）

28. 简单射频系统 为何使用射频？ 发射天线 接收天线 发射系统 接收系统 话筒 • 人的声音 • 频率f：20Hz-20kHz， • 波长λ： 1.5x107m-1.5x104m， • 天线尺寸：λ/4 ↔ 公里量级。 • 天线尺寸： • 米到厘米量级， • 天线为波长量级 ↔ 载波频率：MHz到GHz量级， • 需要进行频率转换， • 另外，频率转换也是为了有效的利用频谱，由于频谱资源有限，无线电管理机构，为不同的业务分配了不同的频段，为了实现特定的业务，必须把频谱转换到该业务分配的频段，如手机频段等。 扬声器 电波传播

29. 简单射频系统 发射天线 接收天线 发射系统 接收系统 话筒 扬声器 电波传播 发射天线 接收天线 电波传播 低噪声放大器 混频器 混频器 功率放大器 话筒 PA LNA 扬声器 噪声与干扰 低通滤波器 带通滤波器 带通滤波器 振荡器 振荡器

30. 简单射频系统 频率转移 混频器 振荡器 更一般的的表述（含直流分量） 频域分析（傅里叶变换）: -ωΩ ωΩ -ωC ωC -ωC- ωΩ -ωC+ ωΩ ωC- ωΩ ωC+ ωΩ

31. 简单射频系统 频率转移 混频器 任意调制信号 振荡器 频域分析（傅里叶变换）: -ωC ωC -ωC ωC

32. 简单射频系统 频率转移 混频器 功率放大器 带通滤波器 发射天线 话筒 PA 振荡器 • 振荡器 • 提供射频载波，射频系统中，常见的是压控振荡器和相应的锁相环路，相位噪声是常用的指标。 • 混频器 • 把低频的话筒信号调制到在载波上实现频率转移。非线性器件用于混频器设计，如果使用二极管，称为无源混频器，转换损耗是重要指标，如果使用三极管等有源器件，转换增益是重要指标。

33. 简单射频系统 频率转移 混频器 功率放大器 带通滤波器 发射天线 话筒 PA 振荡器 • 功率放大器 • 对比较弱的已调制信号进行放大，但信号强度要满足无线电管理部门的规定,由于放大器的非线性效应，会有失真、谐波等现象出现。增益、输出功率、效率、线性度、EVM、ACPR等是重要指标。 • 带通滤波器 • 让指定频段有用射频信号通过，滤除无用的杂散信号，减少杂散信号对外界的干扰和污染。插入损耗、带宽、回波损耗等是重要指标，有时滤波器也会放在混频器后。 • 天线 • 将已调制信号发射出去，实现电路中的电信号向空间中传播的电磁波的转换。增益、带宽、方向图、效率、阻抗特性等是重要指标。

34. 简单射频系统 发射天线 电波传播 接收天线 对于频率介于30MHz-30GHz的射频而言： 天线提供了发射机输出/接收机输入和自由空间的界面，可以看着是它们之间的阻抗匹配电路；天线的增益一般由dBi表示，dBi是指天线相对于无方向性天线的功率能量密度之比。 传播方式类似于光波，主要以直射方式，即视距传播，在对流层内进行，这种方式比较稳定，但会受到大气折射和地面反射的影响。

35. 简单射频系统 发射天线 电波传播 接收天线 自由空间：各向同性辐射： 有向天线： 接收天线有效面积： 接收功率： 自由空间传输衰减： 实际空间传播过程中，除了自由空间传输衰减，还会产生信号的畸变、衰落等。

36. 简单射频系统 接收天线 低噪声放大器 混频器 低通滤波器 频率转移 LNA 带通滤波器 振荡器 相干接收 • 天线 • 接收有用信号，实现空间中传播的电磁波向电路中的电信号的转换，有时滤波器也会放在LNA后。 • 带通滤波器 • 让有用的信号通过，滤除无用的信号，减少外部环境对接收系统的干扰。 • 低噪声放大器 • 在噪声环境下，提取弱信号，要使用低噪声放大器。增益、噪声系数、阻抗匹配、非线性效应、稳定性等是重要指标 • 振荡器 • 提供射频载波。 • 混频器+低通滤波器 • 将射频信号转化为低频信号，实现相干解调。

37. 简单射频系统 接收天线 中频滤波器 第一混频器 低频滤波器 第二混频器 LNA IF fRF fIF =fRF-fLO fLO 射频滤波器 相干接收 中频放大器 • 超外差接收机 • 第一混频器、第二混频器、中频滤波器、中频放大器； • 中频滤波器和放大器等的设计易于射频波段，将射频信号转化为固定的中频信号，有利于实现高选择性、高灵敏度、高增益的接收机。 • 射频滤波器需要镜像抑制,镜像频率fIM如图所示。 fIF fIF fRF fIM fLO

38. 简单射频系统 发射机 在现代数字通信中，经过模数转换和数模转换，调制和解调可以在DSP（数字信号处理）中完成。 接收机 选自“Microwave and RF Design: A System Approach”

39. 简单射频系统 收发一体:Transceiver 时分双工：Time-division duplexing （TDD） 基带信号 D/A 基带信号 PA 数模转换 射频开关 A/D 基带信号 LNA 模数转换 时分双工的特点是同一频道不同时间进行接收和发送，用时间来分离接收和发送。射频开关受基带信号控制，实现接收和发射间的转换。

40. 简单射频系统 收发一体:Transceiver 频分双工：Frequency-division duplexing （FDD） fT, fR D/A 基带信号 PA fT fT 数模转换 Duplexer 双工器 fR fR A/D LNA 基带信号 模数转换 频分双工的特点是在分离的两个频率上进行接收和发送，用频段来分离接收和发送。

41. 简单射频系统 IQ正交调制 数字射频通信系统常使用IQ正交调制，其原理为： Q (I,Q) I IQ Constellation Diagram（星座图）

42. 简单射频系统 IQ正交调制 混频器 频率转移 发射天线 功率放大器 带通滤波器 合成器 振荡器 PA 混频器 I和Q可以是模拟信号或数字信号

43. 简单射频系统 IQ正交调制 混频器 低通滤波器 接收天线 低噪声放大器 振荡器 LNA 带通滤波器 低通滤波器 混频器

44. 简单射频系统 IQ正交调制 接收机：超外差+IQ正交调制 选自文章“零中频射频接收机技术”

45. 简单射频系统 IQ正交调制 收发一体:Transceiver (IQ正交调制） 频综（Frequency Synthesizer)由压控振荡器（VCO）和相应的锁相环路（PLL）组成。 在实际电路中，I和Q两支路的不一致，会产生IQ失配问题，从而在IQ星座图上造成误差，所以IQ信号需要校准。 选自文章“Millimeter-Wave CMOS Circuits”

46. 简单射频系统 IQ正交调制 Q (I,Q) I IQ Constellation Diagram（星座图）

47. 简单射频系统 IQ正交调制 星座图 (WLAN802.11a)

48. 简单射频系统 发射和接收机的重要参量 • 发射机 • Transmitter Power • Spurious response • Adjacent channel power ratio (ACPR) • Error vector magnitude (EVM）

49. 简单射频系统 发射和接收机的重要参量 • 发射功率 • 发射功率的单位：瓦（W）、毫瓦（mW） • 射频技术中，常用dBW、dBmW(dBm) • dBw=10log10W，如1W相当于0 dBW • dBmW(dBm)=10log10mW，如1W=1000mW 相当于30dBm。 • 杂散辐射 • 杂散辐射是指发射机在频谱规定的范围之外发射的其他信号； • 包括谐波分量、寄生辐射、交调产物、互调产物等； • 杂散辐射会对其他无线通信系统造成干扰，对该指标的规定是为了提高系统的电磁兼容性能，以便与其他系统共存，同时保证系统自身的正常运行。

50. 简单射频系统 发射和接收机的重要参量 • 邻近信道功率比[ACPR] • ACPR度量了干扰的大小。通常定义为相邻频道（或偏移）内平均功率与发射信号频道内的平均功率之比，ACPR描述了由于发射机硬件非线性造成的失真大小。 • 误差向量幅度[EVM] • 误差向量（包括幅度和相位的失量）是在一个给定时刻理想无误差基准信号与实际发射信号的向量差。 • 因为在每个符号变化时它也在不断的变化，这个新的参数（EVM）定义为误差向量在一段时间内的RMS值。 • EVM对于发射机性能也是十分重要的，因为它表示了发射信号的调制质量，大EVM值将导致糟糕的检测精度，从而降低收发机的性能。