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射频微波的基础知识

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发表于 2019-4-10 14:32:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
虽然我这次是想写一点高速的电磁兼容方面的基本概念之类的,但是仔细想想这些东西好像是在射频不领域涉及的更深,客观准确一点的来讲确实应该是射频微波的基础知识。
    这次的主要内容应该还是高速电路设计的一些概念和知识,对于不搞射频的工程师来讲,主要的应用是在高速的PCB设计中。
传输线基础
    首先说一下传输线。这个概念在我大二的时候第一次接触到,但是到现在让我简单的说一下传输线的定义,我也不知道怎么说,反正就是一段导线,就是PCB上的走线。
    为什么要单独搞一个传输线的概念?简单来说就是在高速电路中,一段走线会呈现出一些和直流条件下不一样的特性。比如趋肤效应啊等等,最终现象是发生串扰、反射、振铃啊等等。
    要想了解传输线,就要首先对以前课本上学的一些概念有更进一步的认识。不破不立。首先要想明白的一点是电路是怎么工作的,换句话说就是回路是怎么形成的。
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   这是一个典型的回路,回路的形成有两部分,信号路径和回流路径。在这里没有地线的概念,那叫回流路径。回路是怎么形成的?电路是怎么工作的?请看下图
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图画的比较丑,凑合着看吧。粉色的表示电场的方向,黑色的圆圈表示磁场,方向没有画出来(我不会画)。回路形成的过程就是电场从电源出发一直扩散到最右边的灯,磁场从正极出发,沿路径回到负极的过程。电路中的元件是依靠电能工作的,所以如果问你上图中的3个灯亮的先后顺序,那答案应该是什么呢?
    信号的载体是能量,信号的传播就是能量的传递,回路的形成就是能量场建立的过程。所谓能量场,就是电场与磁场,而二者在同一时刻存在,在同一时刻互相转化。这里的转化不同于LC震荡的能量转化,LC震荡的能量转化虽然也是电场与磁场的转化,但并不是同时发生。
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    关于传输线阻抗有很多种解释,我介绍一种比较少见的说法。一般在分析电磁兼容的问题时,我们用集总元件和集总参数来表示,像上图所示,L1和L2表示传输线的等效电感,C1表示传输线的等效电容,R1表示源的内阻和等效电阻。关于传输线的阻抗,可以这样表述:在任意时刻,回路都满足电场能量等于磁场能量,也就是说1/2*C*U*U=1/2*L*I*I。所以Z=U/I=SQR(L/C),所以传输线的阻抗就是在回路的能量传递中保持电场与磁场能量相等的一个比例关系。
反射特性
    在高中物理中学过,波在不同的介质中传播时,在两种介质的交界处会发生反射,这是由于介质的传输特性不同。典型的例子就是光在由空气进入水中时会发生反射。对于电磁波来讲也是一样,当电信号在传输线上传播时,如果出现传输线的特征阻抗发生突变,那也会发生反射。
    根据传输线上阻抗失配的大小,其反射的大小也会不同。物理中学到的,将一根绳子的一端用钉子钉在墙上,在另一端甩绳子,波会反射回来,和后面来的波相叠加,形成驻波。对于信号来讲其实没有任何区别,驻波会对原始信号形成干扰,造成信号的失真,最终导致接收端无法正确的识别信号。
    在工程实际中不可能做到从源端到末端传输线特性阻抗的完全匹配,为了定量研究反射影响的大小,就要引入反射系数的概念。当在绳子的另一端用钉子钉住时,传播到钉子处的波会全部反射回来,此时反射系数为1,称为全反射。当另一端接的是一段完全相同的绳子时,波会继续传播,不会发生反射,反射系数为0。
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反射的信号与原始的信号相叠加会形成驻波,全反射时,驻波的波峰幅值与信号幅值相等,驻波的波谷幅值为0。当信号无反射时,不会形成驻波,这时用的名词叫行波系数,等于1。驻波比定义为驻波的包络中Umax/Umin的比值。
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S参数
    在微波射频领域中用S参数来描述传输信道的传输特性。以一个典型的二端口网络为例,传输线共有两个端口port1和port2,信号由port1 输入,反射表示的是信号在进入port1 时反射回来的部分,所以用S11表示反射的量,就是回波损耗;信号由port1输入,从port2输出,表示的是传输线的传输特性,用S21来表示传输的量,就是插入损耗。二端口网络反过来的参数就是S22和S12。S参数的值一般用dB来表示。
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传输线的等效模型就是上面贴过的那张图,由于等效电感与等效电容的存在,其传输特性肯定会出现谐振点,在谐振点上其传输特性最好,反射最小,S11的一般曲线如下图
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换到对数坐标系上的曲线是这样的:
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    关于S21,插入损耗,信号频率越高,传输线的插损就越大,插损的曲线长这样:
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    对于对于传输线而言,我们最终想要的结果是传输特性,从S11和S21两个角度入手会有不同的思路来解决信号完整性的问题。从回损的角度入手,可以通过改善阻抗匹配来减小信号的反射;从插损的角度入手,可以采用的预加重和均衡的手段来改善信号质量。
    傅里叶曾经说过,任何一个信号都可以看成若干不同频率的正弦波信号的叠加。在数字电路的设计中,理想的数字信号都是方波,而方波的傅里叶变换则是载波和其若干高次谐波叠加的结果,结合插损的特性,当一个方波信号经过传输线后,其高频部分的信号损耗要大于低频部分,这样就会导致信号的失真。所谓预加重就是在源端人为增加信号中的高频成分,对其进行补偿。而所谓均衡,就是指在末端人为衰减信号中的低频成分,和高频的衰减相匹配。两种方式应该视不同的条件而定。
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史密斯圆图
    史密斯圆图是比较专业比较清晰的表示S11特性的一个工具。它是反射系数的极坐标图。Smith Chart定量的反映了阻抗特性和反射特性的关系。
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        对于确定的阻抗Z=R+JX,在Smith chart上有确定的点与之相对应,R相等的圆叫做等电阻圆,对应上图中蓝色的线;X相等的圆叫等电抗圆,对应上图中绿色的线。等电阻圆和等电抗圆的交点为阻抗Z,该点的半径即为反射系数的模,夹角为反射系数的相位。
        在Smith chart上,中间绿色的直径以上为电感区,表示此时的系统呈现感性,以下为电容区,表示此时的系统呈容性。圆图最左边是短路点,此时的阻抗为0,最右边是开路点,阻抗为无穷大。
        Smith chart在设计PA与天线的匹配时是一个重要工具,史密斯圆图的周期是信号波长的λ/2,在一段传输线上的不同位置,其阻抗也会有不同,在λ/4的位置,也就是在圆图的半周期位置,传输线完成了对端口阻抗的反相转换。信号波长越短,传输线对阻抗的影响越大。

传输特性
        传输特性可以定义为输出信号和输入信号的比值。传输系数为信号电压的比值,是矢量。传输特性可以简单地分成两类,线性和非线性。所谓线性传输系统就是只对信号产生幅度与相位的变化;非线性传输系统就是会对信号频率产生影响,比如谐波和交调。无源器件和有源器件在其对应的条件下都存在着非线性特性。
      对于系统的信号传输来讲,我们对于传输系统的要求是保证对输入信号不产生失真的波形变化。这就意味着线性传输特性是我们可以接受的,非线性特性是我们不愿意看到的。
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       对于只有高低两电平的数字信号来讲,其频谱的分析要比模拟信号简单很多,可以简单的认为是方波,其谐波分量随着阶次的升高,功率也逐渐降低,取其基波、三次谐波和五次谐波的和,可以简单的代表一个数字信号。,当该信号通过传输网络时,由于相频特性为线性衰减,故而5次谐波的衰减最大,此时方波开始逐渐变为正弦波。
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      下面说说相频特性的非线性和群时延
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      在实际中,时域的指标更能反映相位非线性的现象,就是群延时,群延时更能精确的反映出实际器件的时延抖动。一般群时延关注的指标有两个:群时延平均值和群时延抖动。
        在通信系统中,相位传输的非线性会直接影响QPSK和QAM这类以信号相位为调制参数的系统的输出结果。
      对于信号失真来讲,非线性网络的影响更大。
      对于有源链路来讲,半导体器件的非线性特性会对信号的失真产生很大的影响。由于PA的功率问题,输出会出现削波的现象,这被称为AM/AM转换,在发生AM/AM转换时,信号的失真并不对称,这也就意味着信号的中心值的漂移,从而导致的结果就是信号的相位漂移,这种现象被称为AM/PM转换。对于调制信号来讲,就意味着调制误差率MER的上升。
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      对于AM/AM转换特性,一般用1dB压缩点来量化,定义放大器增益出现1dB的下降时的功率为1dB压缩点,表示从1dB压缩点开始,器件开始进入非线性区域。
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      对于AM/PM转换特性来讲,在调制信号的星座图上可以简洁明了的表示出来,没什么好说的。
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