04射频前端上变频器

实验四 微波射频前端上变频器

一、实验目的

1．了解射频前端发射器的基本结构与主要设计参数。 2．利用实验模块的实际测量了解射频前端发射器的特性。

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。

三、实验设备

项次 1 2 3 4 设备名称 微波扫频仪或频谱分析仪 混频器、锁相本振源、滤波器等模块 BNC-SMA或L16-SMA 转接头 SMA 连接线 数量 1套 1套 各2个 2条 备注 亦可用网络分析仪 置于实验箱内 四、理论分析

微波发射机原理结构如图5－1所示，它大抵可分成以下几个部分。1、中频放大器(IF Amplifier)2、中频滤波器(IF Bnadpass Filter)3、上变频混频器(Up-Mixer; Up Converter)4、射频滤波器(RFBandpass Filter)5、载波振荡器(Carrier Oscillator; Local Oscillator) 混频器

Signal IF RF

BPF IF From 70MHz 2170 MHz Baseband Processing Unit LO

LO 2100MHz 图5-1 基本射频前端发射器结构图

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混频器的基本电路结构图如图5-2所示。在二极管上的电流如式(5-1)所示。

混频 二极管 IF PIF LO 匹配 电路 匹配 电路 匹配 电路 滤波器 RF PRF 图5-2 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

fLOfIF。至于

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fRF1. 镜频信号 ( IMAGE FREQUENCY ): fimfLOfIF)

fLO2fIF

fLO，n=正整数

2. 载波信号的谐波( CARRIER HARMONICS ): n3. 边带谐波信号( HARMONIC SIDEBANDS ): 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。 混频器的主要技术参数如下。

(1) 变频耗损或增益( CONVERSION LOSS/GAIN,L C)

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PIF LC(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2fIF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5-3(a)(b)所示。上变频器的也类似。

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混波器

信号 发生器

fRF PRF 带通 滤波器 fOUT 频谱 分析仪 带通 滤波器 fLO 信号 发生器 图5-3(a)下变频器的IP2测量

Lc(dB) POUT(dBm) PRF(dBm)

B(dBm) Δ(dBm) fIF 2fIF

fLO fRF 图5-3(b) 下变频器的频谱图

(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,如图示5-4(a)(b)所示。 混频器

f1 带通 信号 频谱 滤波器 合路器 分析仪 f2 带通 滤波器 fLO

图5-4(a) 混频器的IP3测量图 信号 产生器

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PIN (dBm)

Desired Signals fLO+f1 fLO+f2 Δf1 f2 fLO fRF1 fRF2 图5-4(b) 上变频器的IP3fLO +2f– f2 fLO +2f2 – f1 1 频谱图

Intermodulation Signals

发射器的设计参数如下。

(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5-5(a)(b)所示。

POUT (dBm) PSAT P1dBThe higher the 1dB Compression 1dB The larger is the LDR of amplifier。

1dB Compression Point

PD PIN (dBm)

图5-5(a) [放大器]的「PSAT，P1dB和1dB 功率压缩点

Powe

1 dB Compression r

Gain (dB)

Pin

Linear Dynamic Range (LDR) of amplifier

图5-5(b) 放大器的1dB Compression和 LDR关系图 (2) 内调制失真 ( Intermodulation Distortion)

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

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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的间加接一个或多个环行器(CIRCULATOR ) 来降低发射器的内调制失真。 (3) 杂波抑制比(Spurious Rejection)

射频前端发射器的较大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。一般指标定为低于主要载波信号功率70至90 。

(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指标,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,一般指标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)

数字通讯系统发射器另一个很重要的参数是发射启动时间,它必须够短以免限制系统的信息流通量(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。

五、模块测量：

IF 信号发生器 中频信号 70MHz 0dBm

IF 70MHz RF BPF 21700 MHz LO A LO： 2100MHz B 频谱 分析仪 图5-6 基本射频前端发射器结构图

1． 测量相关的各个模块的特性，集成在一起完成一个发射机的功能。 2． 准备相关的模块，模块间连线。 3． 测量内容

1、变频耗损或增益( CONVERSION LOSS/GAIN,L C) 2、信号端与本振端的隔离比(PORT ISOLATION)

3、三阶互调截止点( THIRD-ORDER INTERCEPT POINT,IP3) 4、杂波抑制比(Spurious Rejection)

5、载波频率稳定度(Carrier Frequency Stability) 6、观测输出频谱和杂波抑制比 7、实验记录:

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各点射频信号电平大小 本振信号2100MHz (dBm) 射频信号 2170dBm 中频信号70 MHz dBm 混频器后A点 滤波器后B点

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