04射頻前端上變頻器

1、實驗四 微波射頻前端上變頻器一、實驗?zāi)康?了解射頻前端發(fā)射器的基本結(jié)構(gòu)與主要設(shè)計參數(shù)。2利用實驗?zāi)K的實際測量了解射頻前端發(fā)射器的特性。二、預(yù)習(xí)內(nèi)容1預(yù)習(xí)放大器、濾波器、混頻器、功率放大器的原理的理論知識。2預(yù)習(xí)放大器、濾波器、混頻器、功率放大器的設(shè)計的原理的理論知識。三、實驗設(shè)備 項次設(shè)備名稱數(shù)量備注1微波掃頻儀或頻譜分析儀1套亦可用網(wǎng)絡(luò)分析儀2混頻器、鎖相本振源、濾波器等模塊1套置于實驗箱內(nèi)3BNC-SMA或L16-SMA 轉(zhuǎn)接頭各2個4SMA 連接線2條四、理論分析微波發(fā)射機(jī)原理結(jié)構(gòu)如圖51所示，它大抵可分成以下幾個部分。1、中頻放大器(IF Amplifier)2、中頻濾波器(IF B

2、nadpass Filter)3、上變頻混頻器(Up-Mixer; Up Converter)4、射頻濾波器(RFBandpass Filter)5、載波振蕩器(Carrier Oscillator; Local Oscillator)混頻器圖5-1 基本射頻前端發(fā)射器結(jié)構(gòu)圖IF70MHzBPF2170 MHzLO 2100MHzSignalFrom BasebandProcessing UnitLO RF IF 混頻器的基本電路結(jié)構(gòu)圖如圖5-2所示。在二極管上的電流如式(5-1)所示。匹配電路匹配電路匹配電路濾波器IFPIFRFPRFLO圖5-2 基本混頻器電路結(jié)構(gòu)圖混頻二極管其中 IS二極

3、管的飽和電流 VIF中頻信號的振幅大小 fIF 中頻信號的頻率大小 VLO 載波信號的振幅大小 FLO 載波信號的頻率大小混頻后的輸出射頻頻率為 其中 m，n可為任意正負(fù)整數(shù)在絕大多數(shù)情況下,RF頻率應(yīng)是載波與IF頻率的和或差,即是。至于取和頻或差頻則根據(jù)發(fā)射器射頻指標(biāo)及系統(tǒng)參數(shù),利用射頻輸出端的濾波器可以阻隔三端間的互相干擾( ISOLATION),以避免其他不必要的混頻信號漏(LEAKAGE)到輸出端造成的噪聲(SPURIOUS)。 主要的噪聲信號,有下列幾種: (假設(shè))1. 鏡頻信號 ( IMAGE FREQUENCY ): 2. 載波信號的諧波( CARRIER HARMONICS )

4、: ，n=正整數(shù)3. 邊帶諧波信號( HARMONIC SIDEBANDS ): 上述噪聲皆是在混頻器及濾波器設(shè)計中,需要特別加以抑制處理的。混頻器的主要技術(shù)參數(shù)如下。(1) 變頻耗損或增益( CONVERSION LOSS/GAIN,L C) 除非有特別注明,一般的變頻損耗皆按上式定義,即單邊帶變頻耗損( SINGLE-SIDEBAND(SSB) CONVERSION LOSS ), 即只考慮射頻輸出信號頻率為fLO+fIF或fLO-fIF。若是定義為雙邊帶變頻損耗(DOUBLE-SIDEBAND(DSB) CONVERSION LOSS), 則比單邊帶轉(zhuǎn)頻損耗低3dB。(2) 輸入端回波損

5、耗或電壓駐波比( PORT RETURN LOSS OR VSWR)如同其他射頻電路,輸入端的回波損耗或電壓駐波比是評價匹配與否的重要參數(shù)。對混頻器而言,其輸入端電壓駐波比規(guī)格一般定在2 : 1 (IRL=-10 ), 最差為2.5 : 1 (-7.3)。 而各端口的回波損耗,受LO端輸入功率的增加,各端口的阻抗會隨之降低,致使各端口的回波損耗變大。(3) 信號端與本振端的隔離比(PORT ISOLATION)信號端與本振端的隔離比為評價LO端與RF端,和LO 端與IF端的噪聲的干擾抑制程度。(4) LO端最低輸入功率(MINIMUM LO POWER REQUIRED)對于混頻器而言,LO端

6、最低輸入功率的大小直接影響到混頻的效果好壞。所以,一般有此項指標(biāo)。而功率越低應(yīng)用越方便。(5) 鏡象抑制度( IMAGE REJECTION)對于下變頻混頻器而言,IF 輸出信號頻率可由LO與RF兩輸入端信號頻率相減而得。以fIF=fRF-fLO為例,鏡象為fim = 2fLO-fRF。即若RF端輸入鏡象信號也可得到同頻的IF信號, fim -fRF = fIF。 鏡象所造成的問題有二：第一是提供干擾信號通路,即是鏡象信號會從RF端進(jìn)入,可能從IF端輸出。如此勢必干擾到真正系統(tǒng)設(shè)計的RF信號的變頻輸出；第二是增加混頻器的噪聲指數(shù)(NIOSE FIGURE) 3 dB 。解決的方法是在RF輸入端

7、加一個鏡象濾波器來抑制鏡象信號的輸入。而對于上變頻頻混頻器而言,大致與下變頻頻混頻器相似,只是RF輸入端改成IF輸入端。(6) 噪聲抑制度(SPURIOUS REJECTION)對混頻器而言,噪聲的定義是指在輸出端的非設(shè)計所需頻率(fIF)的其他信號。尤其是輸入信號的諧波。一般是利用輸出端的濾波器來抑制噪聲。(7) 二階互調(diào)截止點(SECOND-ORDER INTERCEPT POINT,IP2) (以下變頻器為例)IP2 = PRF +（PRF B - LC）其中，IP2混頻器的輸入二階互調(diào)截止點。（dBm）PRF 混波器RF輸入端的輸入信號功率。（dBm）LC 混波器輸入信號頻率fRF=f

8、LO+fIF時的轉(zhuǎn)頻損耗（Conversion Loss）。（dB） B 混波器輸入信號頻率fRF=fLO+0。5fIF時的輸出端頻率為2fIF的信號的功率。（dBm）下變頻器的IP2測量電路應(yīng)與頻譜示意圖,如圖5-3(a)(b)所示。上變頻器的也類似。帶通濾波器帶通濾波器頻譜分析儀信號發(fā)生器信號發(fā)生器混波器fLOfRF PRFfOUT圖5-3(a)下變頻器的IP2測量fLOfRFfIF2fIF(dBm)B(dBm)PRF(dBm)Lc(dB)POUT(dBm)圖5-3(b) 下變頻器的頻譜圖(8) 三階互調(diào)截止點( THIRD-ORDER INTERCEPT POINT,IP3)其中IP3

9、混頻器的輸入三階互調(diào)截止點。 PIN 混頻器輸入端的輸入信號的功率。 混頻器輸出端中,設(shè)計輸出信號與內(nèi)調(diào)制(INTER-MODULATION,IM)信號的功率差(dB)以上變頻器為例,混頻器的IP3測量圖及頻譜示意圖,如圖示5-4(a)(b)所示。帶通濾波器帶通濾波器頻譜分析儀信號合路器信號產(chǎn)生器混頻器fLOf1 f2 圖5-4(a) 混頻器的IP3測量圖fRF1fRF2f2f1fLOfLO +2f1 f2 fLO +2f2 f1 fLO+f1 fLO+f2 (dB) PIN (dBm) Intermodulation Signals Desired Signals 圖5-4(b) 上變頻器的

10、IP3頻譜圖發(fā)射器的設(shè)計參數(shù)如下。 (1) 1分貝壓縮功率(1dBCompression, P1dB )The higher the 1dB CompressionThe larger is the LDR of amplifier。 PIN (dBm)POUT (dBm)PSAT P1dB 1dB PD1dB Compression Point 圖5-5(a) 放大器的PSAT，P1dB和1dB 功率壓縮點功率放大器的1分貝壓縮功率是發(fā)射器最大發(fā)射功率的主要參數(shù)。一般而言,對于放大器， P1dB是線性放大的最大輸出功率,而P1dB則為放大器的最大飽和輸出功率(SATURATION POWER

11、)。其定義如圖示5-5(a)(b)所示。Linear Dynamic Range (LDR) of amplifier1 dB CompressionPowerGain(dB)Pin 圖5-5(b) 放大器的1dB Compression和 LDR關(guān)系圖 (2) 內(nèi)調(diào)制失真 ( Intermodulation Distortion)發(fā)射器的內(nèi)調(diào)制失真是由于發(fā)射天線接收到同通道其它較大功率信號后,經(jīng)功率放大器內(nèi)調(diào)制混頻所產(chǎn)生的再發(fā)射信號所造成。解決的方法是在發(fā)射天線與功率放大器的間加接一個或多個環(huán)行器(CIRCULATOR ) 來降低發(fā)射器的內(nèi)調(diào)制失真。 (3) 雜波抑制比(Spurious R

12、ejection)射頻前端發(fā)射器的較大噪聲信號是因為功率放大器的大信號放大所產(chǎn)生的諧波。 其它噪聲則是由載波振蕩器與混頻器所混頻出來的。一般指標(biāo)定為低于主要載波信號功率70至90 。 (4) 載波頻率穩(wěn)定度(Carrier Frequency Stability)發(fā)射器的載波頻率需要符合系統(tǒng)指標(biāo),以避免在通道與其他信道的干擾,尤其在窄頻帶系統(tǒng)中更形重要?？衫面i相回路技術(shù)(Phase Locked Loop)及增加載波頻率的穩(wěn)定性。 (5) 鄰近信道功率(Adjacent Channel Power)此參數(shù)是因于系統(tǒng)的調(diào)制方法或是由于發(fā)射器快速的開關(guān)所造成。在窄頻帶系統(tǒng)中,一般指標(biāo)設(shè)定在低于載

13、波信號功率50dB 。而在寬頻帶系統(tǒng)中,則會要求到80dB 。 (6) 發(fā)射啟動時間(Transmitter Turn-on Time)數(shù)字通訊系統(tǒng)發(fā)射器另一個很重要的參數(shù)是發(fā)射啟動時間,它必須夠短以免限制系統(tǒng)的信息流通量(System Throughput)。一般定義為發(fā)射器輸出功率達(dá)到額定功率(rated output power)的90%所需的時間。IF70MHzBPF21700 MHzLO： 2100MHz信號發(fā)生器中頻信號70MHz 0dBmLO RF IF 頻譜分析儀圖5-6 基本射頻前端發(fā)射器結(jié)構(gòu)圖A B 五、模塊測量：1 測量相關(guān)的各個模塊的特性，集成在一起完成一個發(fā)射機(jī)的功能。2 準(zhǔn)備相關(guān)的模塊，模塊間連線。3 測量內(nèi)容 1、變頻耗損或增益( CONVERSION LOSS/GAIN,L C)2、信號端與本振端的隔離