射频电路实验报告12/13 学年第1学期学院：信息与通信工程学院专业：电子信息科学与技术学生姓名：学号：指导教师：李永红日期: 2012 年10月28日实验一滤波器设计一、实验目的(1) 掌握基本的低通和带通滤波器的设计方法。

(2) 学会使用微波软件对低通和高通滤波器进行设计和仿真，并分析结果。

二、预习内容(1) 滤波器的相关原理。

(2) 滤波器的设计方法。

三、实验设备Microwave Office软件四、理论分析滤波器的种类：(1) 按通带特性分为低通、高通、带通及带阻四种。

(2) 按频率响应分为巴特沃斯、切比雪夫及椭圆函数等。

(3) 按使用原件又可分为L-C性和传输线型。

五、软件仿真设计一个衰减为3dB，截止频率为75MHz的[切比雪夫型1dB 纹波LC 低通滤波器（Zo=50ohm），并且要求该滤波器在100MHz至少有20dB 的衰减。

图1-1切比雪夫型1dB 纹波LC低通滤波器电路图图1-2 模拟仿真结果六、结果分析经过仿真，得到了两种滤波器的频率特性的到了结果。

红色的曲线为低通滤波器，蓝色的为带通滤波器，两种滤波器的特性可以鲜明地在图上看出差别。

低通滤波器在低频区域，是通带，通带非常的平缓，纹波较低，但是截至段不是很陡。

带通滤波器具有较好的陡峭特性，但是相对而言，通带比较窄而且纹波较大。

实验二放大器设计一、实验目的(1) 掌握射频放大器的基本原理与设计方法。

(2) 学会使用微波软件对射频放大器进行设计和仿真，并分析结果。

二、预习内容(1) 放大器的基本原理。

(2) 放大器的设计方法。

三、实验设备Microwave Office软件四、理论分析射频晶体管放大器常用器件为BJT、FET、MMIC。

放大器电路的设计主要是输入/输出匹配网络。

输入匹配网络可按低噪声或高增益设计，输出匹配网络要考虑尽可能高的增益。

五、软件仿真设计一900MHz放大器。

其中电源为12VDC，输出入阻抗为50Ω。

AT4151之S参表(V CE=8V，I C=25mA，Zo=50Ω，T A=25℃)如下列图2-1 900MHz放大器电路图图2-2 模拟仿真结果六、结果分析：本设计是设计一个放大器，其通频段是0到900MHz,然后根据图上的蓝色和红色曲线可见LC组成的网络的幅频特性曲线，可见这个网络在900MHz左右会对信号有一个比较大的衰减，因此必须对输出网络进行阻抗匹配，而且匹配网络的中心频率在900MHz左右，才可以做好阻抗匹配。

实验三振荡器设计一、实验目的(1) 掌握射频振荡器的基本原理与设计方法。

(2) 学会使用微波软件对射频放大器进行设计和仿真，并分析结果。

二、预习内容(1) 振荡器的基本原理。

(2) 振荡器的设计方法。

三、实验设备Microwave Office软件四、理论分析射频晶体管振荡器电路可分为三大部分：二端口有源电路、谐振电路及输出负载匹配电路。

五、软件仿真设计一800MHz振荡器。

其中电源为12VDC，负载阻抗为50Ω。

AT41511之S参表(V CE=8V，I C=25mA，Zo=50Ω，T A=25℃)如下列。

表4.1 AT41511之S参表图3-1 800MHz振荡器电路图图3-2 模拟仿真结果六、结果分析：有仿真结果可以看出，设计的振荡器的中心频率在800MHz左右，具有较好的矩形窗，在整个频段内，只有290MHz左右有一个非常微小的噪声，在整个频段内，振荡信号还是频谱很集中的，具有较好的频率特性。

整个振荡信号的频谱宽度有100MHz，但中心频率的增益有15.8dB，相比较而言，这个振荡器还是很好的。

实验四射频前端发射机与接收机一、实验目的1.了解[射频前端发射器]之基本架构与主要设计参数。

2.利用实验模组的实际测量得以了解[射频前端发射器]之特性。

二、预习内容(1) 振荡器的基本原理。

(2) 振荡器的设计方法。

三、实验设备四、理论分析发射器：在无线通讯中，发射机担任着重要的角色，无论是话音还是数据信号要利用电磁波传送到远端，都必需使用射频前端发射机。

一个典型的发射机电路如图5.1所示，可分成九个部分：中频放大器(IF Amplifier)，中频滤波器(IF Bnadpass Filter)，上变频混频器(Up-Mixer; Up Converter)，射频滤波器(RFBandpass Filter)，射频驱动放大器(RF Driver Amplifier)，射频功率放大器(RF Power Amplifier)，载波振荡器(Carrier Oscillator; Local Oscillator)，载波滤波器(LO BPF)，发射天线(Antenna)。

本单元中将就上变频混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.图4-1基本射频前端发射器结构图(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11-2所示.在二极管上的电流可以(11-1)表示.()[]∑∞=⋅+⋅⋅+=1)2sin()2sin(!)(n nLO LO IF IFn nkT e IF O t f V t f Vn I I v i ππ其中I S = 二极管的饱和电流 V IF = 中频信号的振幅大小 f IF = 中频信号的频率大小 V LO = 载波信号的振幅大小 F LO = 载波信号的频率大小 [混频]后的输出射频频率为LO IF RF f n f m f ⋅+⋅= 其中 m ，n 可为任一正负整数在绝大多数的应用上,RF 频率应是载波及IF 频率的和或差,即是IF LO RF f f f ±=.至于取[和频]或[差频]则根据发射器射频规格及系统参数,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IF LO RF f f f ±=)1. 镜频信号 ( IMAGE FREQUENCY ):IF LO im f f f ⋅+=2AntennaSignal From Unit2. 载波信号的谐波( CARRIER HARMONICS ): LO f n，n=正整数3. 旁波带谐波信号( HARMONIC SIDEBANDS ):IF LO sb f m f f ⋅±=上述噪声皆是在[混频器]及[滤波器]设计中,须特别加以抑制处理的.图4-2 基本混波器电路结构图(二) [混频器]的主要技术参数(1) 变频耗损或增益( CONVERSION LOSS/GAIN,L C )⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=RF IFC PP dB L log 10)( 除非有特别注明,一般所称的[变频耗损]皆是以上式为定义,即是指[单边带变频耗损]( SINGLE-SIDEBAND(SSB) CONVERSION LOSS ), 也就是只考虑射频输出信号频率为f LO +f IF 或f LO -f IF . 若是定义为[双边带变频耗损](DOUBLE-SIDEBAND(DSB) CONVERSION LOSS), 则会较[单边带转频耗损]低3dB.(2) 输入端回波耗损或电压驻波比( PORT RETURN LOSS OR VSWR)如同其他射频电路,输入端的回波耗损或电压驻波比是评断匹配与否的重要参数.对[混频器]而言,其[输入端电压驻波比]规格一般是定在 2 : 1 (IRL=-10 ), 最差为 2.5 : 1 (-7.3 ). 而各端口的回波耗损,受[LO 端输入功率]的增加,各端口的阻抗会随之降低,致使各端口的回波耗损变大. (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]为评量LO 端与RF 端之间,及LO 端与IF 端之间噪声的干扰抑制程度.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,一般订定有此项规格.而功率越低者,在应用上越方便.混波镜象抑制度( IMAGE REJECTION)对于[降频混频器]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為例为例,[镜象]为fim = 2fLO-fRF.即是说若RF端输入[镜象]信号亦可得到同频的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端进入后,也可以从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.第二是使得[混频器]的[噪声指数](NIOSE FIGURE)增加3 dB .解决之道是在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[升频混频器]而言,大致与[降频混频器]相似,只是RF输入端改成IF输入端.(4)噪声抑制度(SPURIOUS REJECTION)对[混频器]而言,[噪声]的定义是指在输出端非是设计所需频率(fIF)的其他信号.尤其是输入信号的谐波所[混频]出来的结果.一般是利用输出端的滤波器来抑制[噪声].二阶互调截止点(SECOND-ORDER INTERCEPT POINT,IP2) (以[降频器]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,所没得的[转频耗损]（Conversion Loss）。

（dB）B =[混波器]输入信号频率fRF=fLO+0.5fIF时,所没得输出端频率为2fIF的信号之功率.（dBm）[降频器]的IP2测量电路应与频谱示意图,如图12-3(a)(b)所示.[升频器]则亦类似.图4-3(a )降频器的IP2测量(5) 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]. P IN = [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[升频器]为例,[混频器]的IP3测量图及频谱示意图,如图示2-4(a)(b)所示.LORFf IF2f IFP 图4-3(b) 降频器的频谱图混频器f 1 f 2(三) [发射器]的重要设计参数(1) [1分贝压缩功率](1dBCompression, P 1dB )[功率放大器]的[1分贝压缩功率]即是[发射器]最大发射功率的主要参数.一般而言,对于[放大器]其P 1dB 可说是线性放大的最大输出功率,而P 1dB 则为[放大器]的最大饱和输出功率(SATURATION POWER).其定义如图示12-5(a)(b)所示.(2) 内调制失真 ( Intermodulation Distortion)对于[发射器]的[内调制失真]是由于发射天线接收到同通道其它较大功率信号后,经[功率放大器]内调制混频所产生的再发射信号所造成.解决的方法是在[发射天线]与[功率放大器]之间加接一个或多个[环行器](CIRCULATOR ) 来降低Linear Dynamic Range (LDR) of amplifierPower Gain (dB)P inPIN (dBm)P P P P D图4-5(a)[放大器]的「P SAT ，P 1dB 和1dB 功率压缩点图4-5(b)[放大器]的1dB Compression 和 LDR 关系图[发射器]的[内调制失真].(3) 杂波抑制比(Spurious Rejection)对于[射频前端发射器]而言,较大的噪声信号是因为[功率放大器]的大信号放大所产生的谐波. 其它噪声则是由[载波振荡器]与[混频器]所混频出来的.一般规格定为低于主要载波信号功率70至90 .以降低对其它通道的干扰.(4) 载波频率稳定度(Carrier Frequency Stability)[发射器]的载波频率需要符合系统规格,以避免在通道与其他信道的干扰,尤其在窄频带系统中更形重要.可利用[锁相回路技术](Phase Locked Loop)及增加载波频率的稳定性.(5) 邻近信道功率(Adjacent Channel Power)此项参数是因于系统的调制方法或是由于[发射器]快速的开关所造成.在窄频带系统中,一般规格是设定在低于载波信号功率50dB .而在宽频带系统中,则会要求到80dB .(6) 发射启动时间(Transmitter Turn-on Time)对于数字通讯系统而言,[发射器]的[发射启动时间]使很重要的参数,其必须够短以免限制到系统的信息流通量(System Throughput).一般定义为发射器输出功率达到额定功率(rated output power)的90%所需的时间接收器：.：解调图4-6单变频结构射频前端接收器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：天线(Antenna)；射频接收滤波器(RF_ BPF1)；射频低噪声放大器(LNA)；射频混频滤波器(RF_BPF2)；降频器(Down Mixer)；带通滤波器(Filter)；本地振荡嚣(Local Oscillator)；中频放大器(IF Amplifier)。