【正文】 次的交流電稱為低頻電流，大于 10000 次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。射頻的基本原理是電磁理論：在電子學(xué)理論中，電流流過(guò)導(dǎo)體，導(dǎo)體周?chē)鷷?huì)形成磁場(chǎng)；交變電流通過(guò)導(dǎo)體，導(dǎo)體周?chē)鷷?huì)形成交變的電磁場(chǎng)，稱為電磁波，電磁波可以在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn)距離傳輸能力。同時(shí)射頻系統(tǒng)還具有不局限于視線，識(shí)別距離比光學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。所以 RF 射頻技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域具有廣泛而不可替代的作用。 而射頻功率放大器是發(fā)射機(jī)的末級(jí) ,它將已調(diào)制的頻帶信號(hào)放大到所需要的功率 ,保證 在覆蓋區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以收到滿意的信號(hào)電平 ,但不能過(guò)于干擾相鄰信道的通信 ,同時(shí)又要盡量地保持放大后的大功率信號(hào)不失真畸變。這些不同方面的要求使得功率放大器的設(shè)計(jì)者要面面俱到地考慮到很多指標(biāo)的平衡 ,射頻功率放大器的設(shè)計(jì)也成為無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟之一。 在微波射頻電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常會(huì)碰到電路匹配問(wèn)題，離不開(kāi)阻抗和反射系數(shù)等參量的計(jì)算，因此會(huì)碰到大量繁瑣的復(fù)數(shù)運(yùn)算，所以常常采用史密斯圓圖來(lái)進(jìn)行分析。由于 Smith 圖解法只是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，方便而又直觀，因而得到廣泛應(yīng)用。 Smith 圓圖雖然 發(fā)展于十九世紀(jì)三十年代，但是直至今日，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的程序中，圓圖依然是電路阻抗分析、匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、噪聲系數(shù)計(jì)算、增益計(jì)算的基礎(chǔ)。 Matlab 是一種現(xiàn)在被廣泛使用的軟件，具有強(qiáng)大的計(jì)算和仿真功能，如果能夠把它很好的應(yīng)用到 RF 電路中去，就能有效的減輕工程設(shè)計(jì)的工作量和提高設(shè)計(jì)精度。所以，通過(guò) Matlab的仿真來(lái)掌握 Smith圓圖的應(yīng)用是一項(xiàng)很有意義的工作。 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 射頻技術(shù)現(xiàn)狀 近些年，無(wú)線通信事業(yè)經(jīng)歷了從第一代模擬系統(tǒng)（ 1G）到現(xiàn)已投入使用的第三代移動(dòng)通信 3G系統(tǒng)的演變。無(wú)線通信技 術(shù)升級(jí)到 3G 時(shí)代后，雙模、多模手機(jī)、高頻基站、無(wú)縫切換等技術(shù)逐步成熟。射頻技術(shù)不但應(yīng)用在無(wú)線通信上，而且在醫(yī)療上的應(yīng)用也在逐擴(kuò)大范圍。目前，美國(guó)處于領(lǐng)先地位，日韓的發(fā)展也在日益精進(jìn)。現(xiàn)在射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在日常生活中起著舉足輕重的作用。比如安全防護(hù)領(lǐng)域中的汽車(chē)防盜、電子物品監(jiān)視系統(tǒng)等，已經(jīng)融入人們的生活而且逐漸不可代替。 射頻技術(shù)發(fā)展方向 無(wú)線傳輸發(fā)展了近二百年，形成了大量的用戶和產(chǎn)品群，但是，由于氣候的變化和地表障礙物的影響，不能傳輸完美的信息。近代人類發(fā)明了廉價(jià)的高頻傳輸線纜（射頻線），為了追求 完美的信息傳輸質(zhì)量，兼顧原有的無(wú)線設(shè)備，無(wú)線方式有線傳輸開(kāi)始流行。產(chǎn)生了射頻傳輸這一概念。 射頻是無(wú)線信號(hào)的源頭，這一切的美好生活都來(lái)自于射頻收發(fā)技術(shù)的不斷演進(jìn)，而且射頻技術(shù)還將繼續(xù)快速發(fā)展下去，畢竟現(xiàn)在只有 12%的便攜電子產(chǎn)品帶有射頻模塊，而據(jù)估計(jì)到 2030 年超過(guò) 50%的便攜產(chǎn)品將擁有射頻功能，這其中將包括你的手表也許還有你的皮鞋！ 射頻技術(shù)的發(fā)展首先要滿足市場(chǎng)對(duì)其提出的主要要求，即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化、集成化，并在提高集成度的同時(shí)降低射頻電路的尺寸并降低功耗。在此基礎(chǔ)上，還必須基于數(shù)字電路的發(fā)展，提高射頻電 路在多標(biāo)準(zhǔn)、多模式環(huán)境下的應(yīng)用能力，也就是通常所說(shuō)的 “ 軟件無(wú)線電技術(shù) ” 。 從技術(shù)角度而言，射頻技術(shù)首先還是要從性能上取得提升以滿足各種技術(shù)的需要。隨著寬帶無(wú)線系統(tǒng)的不斷推出，系統(tǒng)對(duì)于信道利用率的要求越來(lái)越高，這對(duì)信道編碼技術(shù)及空中接口技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。對(duì)于射頻部分來(lái)說(shuō)，則提出了更高的線性度和更低的帶內(nèi)、帶外噪聲指標(biāo)要求。射頻芯片的挑戰(zhàn)還包括更高的接收靈敏度和更低的噪聲系數(shù)，優(yōu)異的性能是對(duì)產(chǎn)品的最基本要求。 實(shí)現(xiàn)高性能的重要手段就是提高射頻電路的復(fù)雜程度，而射頻電路一般包括收發(fā)器、功放和開(kāi)關(guān)三個(gè)部分。現(xiàn)在的 射頻電路從根本上來(lái)說(shuō)是以模擬電路為主的混合信號(hào)電路。雖然數(shù)字化是現(xiàn)在射頻電路芯片的一個(gè)趨勢(shì)，但射頻技術(shù)很難離開(kāi)高性能模擬技術(shù)的支持，因此射頻電路復(fù)雜程度的提高對(duì)射頻芯片體積的減小提出很多挑戰(zhàn)。射頻端必須著重在降低功耗、加速不同工藝的整合及降低成本上努力。這可由兩個(gè)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)，一個(gè)是采北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 用全新的 SPI架構(gòu)，也就是將不同工藝的芯片集成在一個(gè)封裝模塊上，如前端的功放及天線收 /發(fā)開(kāi)關(guān) (swtichplexer)，或?qū)⒐Ψ偶笆瞻l(fā)器放在同一個(gè)基板上 (Laminate)做成模塊。另外一項(xiàng)就是將功率放大器的制作工藝進(jìn)步到 CMOS，以便與收發(fā)器的芯片相整合，在降低功放的功耗上則應(yīng)設(shè)計(jì)高效率的功放操作，在飽和條件下與前述的極化調(diào)制相對(duì)應(yīng)。 本文采用的是前一種方向?qū)崿F(xiàn)的。 電路復(fù)雜度的提升和尺寸的縮小意味著射頻芯片將具有更高的集成度。射頻芯片集成度的提高，射頻電路其他器件數(shù)量的減少，意味著更低的 BOM(物料清單 )價(jià)格和產(chǎn)品成本、更高的產(chǎn)品穩(wěn)定性和良品率。 射頻技術(shù)主要有：藍(lán)牙射頻技術(shù)、超寬帶、沖激無(wú)線電、 WiFi、 WiMAX 和蜂窩廣域通信。 藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)采用的是一種擴(kuò)展窄帶信號(hào)頻譜的數(shù)字編碼技術(shù)，通過(guò)編碼運(yùn)算增加了發(fā)送比特的數(shù)量，擴(kuò) 大了使用的帶寬。藍(lán)牙使用跳頻方式來(lái)擴(kuò)展頻譜。跳頻擴(kuò)頻使得帶寬上信號(hào)的功率譜密度降低，從而大大提高了系統(tǒng)抗電磁干擾、抗串話干擾的能力，使得藍(lán)牙的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸更加可靠。 超寬帶 (UWB)是一種無(wú)線射頻技術(shù)，支持家電、電腦外設(shè)和移動(dòng)設(shè)備在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)，且功耗非常低。該技術(shù)是無(wú)線傳輸高品質(zhì)多媒體內(nèi)容的理想選擇。 UWB 技術(shù)使用寬帶無(wú)線頻譜在短距離 (如在家中或小型辦公室中 )內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)相比，它能夠在特定時(shí)段通過(guò)無(wú)線方式傳輸更多的數(shù)據(jù)。這一特性與低功耗脈沖數(shù)據(jù)交付 (pulsed data delivery)功能相結(jié)合，加快了數(shù)據(jù)傳輸速度，同時(shí)也不會(huì)受到現(xiàn)有其它無(wú)線技術(shù) (如WiFi、 WiMAX 和蜂窩廣域通信 )的干擾。 沖激無(wú)線電 (Impulse Radio， IR)是最有希望的超寬帶技術(shù)之一。 IR 信號(hào)由極窄的脈沖串組成，這些脈沖在時(shí)間上偽隨機(jī)出現(xiàn)。偽隨機(jī)性依靠跳時(shí)碼實(shí)現(xiàn)，跳時(shí)碼的作用是讓發(fā)射信號(hào)隨機(jī)化，有利于用戶分隔和譜成形，以避免竊聽(tīng)。信號(hào)的調(diào)制方式可以用脈沖幅度調(diào)制 (PAM)或脈沖位置調(diào)制 (PPM)。為了確保低成本的超寬帶設(shè)備，所有脈沖都具有同一波形。 射頻技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用，目前仍處于開(kāi)拓狀態(tài)， 應(yīng)用還不是很廣，但隨著射頻通信技術(shù)的成熟，未來(lái)市場(chǎng)需要巨大，前景廣闊。 本文研究的目標(biāo) 通過(guò)對(duì) RF 電路及系統(tǒng)的知識(shí)的學(xué)習(xí)與了解，進(jìn)行 RF 電路中部分模塊主要是功率放大電路的設(shè)計(jì)，并利用 Matlab 工具對(duì)設(shè)計(jì)電路的各方面性能進(jìn)行測(cè)試分析。 論文結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 第一章為緒論，主要介紹了課題的意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和本文的研究目標(biāo)，以及全北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 文的結(jié)構(gòu)。 第二章和第三章是文章的基礎(chǔ)內(nèi)容，介紹了 RF 放大器設(shè)計(jì)的原理和工具。特別是第三章詳細(xì)說(shuō)明了放大器的性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)方法。 第四章 通過(guò) 兩種不同的設(shè)計(jì)方法對(duì)放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求。 第五章為結(jié)束語(yǔ)，是對(duì)全文的總結(jié)，以及對(duì)將來(lái)研究的展望。 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 2 射頻電路設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 射頻（ RF）電路的設(shè)計(jì)既借鑒了低頻音頻電路的設(shè)計(jì)方法，又借鑒了微波電路的設(shè)計(jì)方法，但是和這些技術(shù)是有重要差異的。因此，射頻電路的設(shè)計(jì)需要使用一些其他頻率范圍內(nèi)不使用的特殊技術(shù)。在當(dāng)前的應(yīng)用中，射頻的范圍一般指 30MHZ到 4GHZ。當(dāng)前的多數(shù)無(wú)線電活動(dòng)都在這個(gè)范圍內(nèi)發(fā)生。在這個(gè)范圍內(nèi)，工程師必須考慮輻射、寄生耦合，以及電路元件的頻率響應(yīng)。 一般射頻系統(tǒng) 圖 21所示的整個(gè)方框圖稱為收發(fā)信機(jī)，因?yàn)樗税l(fā)射機(jī)和接收機(jī)電路以及用單個(gè)天線進(jìn)行通信。典型應(yīng)用是移動(dòng)電話和無(wú)線局域網(wǎng)（ WLAN）。在這個(gè)配置里，輸入信號(hào)（聲音或從計(jì)算機(jī)來(lái)的數(shù)字信號(hào)）首先進(jìn)行數(shù)字處理，然后壓縮，壓縮的目的是為了降低傳輸時(shí)間；最后為了抑制噪聲和通信誤碼，要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)木幋a。 輸入信號(hào)經(jīng)數(shù)字處理后，再通過(guò) DAC回到模擬形式。改低頻信號(hào)與本地振蕩器提供的高頻載波信號(hào)組合后，被功率放大器（ PA）放大，然后再到天線，天線的任務(wù)是將此編碼的信息作為電磁波向自由空間發(fā)射。 數(shù) 字 電 路 ? LPF 發(fā)射功率放大器 接收功率放大器 PA PA ADC DAC 模數(shù)變換器 數(shù)模變換器 低通濾波器 OSC. 本地振蕩器 切換開(kāi)關(guān) 混頻器 混合信號(hào)電路 模擬信號(hào)電路 圖 21 一般射頻系統(tǒng)方框圖 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 Smith 圓圖的構(gòu)成和工作原理 Smith 圓圖是把特征參數(shù) 0Z 、 ? (傳播常數(shù) )、長(zhǎng)度 L 和工作參數(shù)（反射系數(shù) ? 、阻抗 ? 、電壓駐波比 ? ）組合成一體，把阻抗平面和反射系數(shù)平面直角坐標(biāo)系映射成為極坐標(biāo)系，采用圖解法進(jìn)行微波傳輸研究的一種專用圓圖 。 等反射系數(shù) 圓 反射系數(shù) ?為圓圖基底 ： （ ） 直角坐標(biāo)表示為： （ ） 二者之間的關(guān)系為： 22|| ir ????? ， iarctg r???? （ ） 在復(fù)平面上，以原點(diǎn)為圓心，反射系數(shù) ||? 為半徑所畫(huà)的圓為等反射信號(hào)圓。反射系數(shù)的模和駐波比是一一對(duì)應(yīng)的，故又稱為等駐波圓。因?yàn)?||? ? 1，故全部反射系數(shù)圓都位于單位圓內(nèi)。 阻抗圓圖 )(1 )(1)()( 0 zzZ zZzZ ?? ????? （ ） 將（ 1）代入上式，得到： XjRjzZiriirir ?????? ?????? ?????? 2222 22 )1( 2)1( )(1)( () 式中2222)1()(1irirR ???? ????? ， 22)1( 2iriX ???? ?? 其中 R 稱為歸一化的電阻， X 稱為歸一化的電抗，可以分別化成下述方程： ?? ????? jzj eez ?2)(ir jz ????? )(北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 222 )1 1()1( RRR ir ??????? () 222 )1()1()1( XXir ?????? () 上述方程（ ）和（ ）在復(fù)平面上分別表示兩組圓：等電阻圓方程、等電抗圓方程。（ ）式是 以歸一化電阻 R 為參變量的一組圓，圓心坐標(biāo)為 [R/(R+1),0],半徑為1/(R+1),y 圓心軌跡與復(fù)平面正實(shí)軸重合，所有的等 R圓相切于點(diǎn)（ 1， 0）。如下圖 22： （ ）式以歸一化的電抗 X 為參變量的一組圓。圓心坐標(biāo)為（ 1， 1/X），圓的半徑為1/|X|。圓心坐標(biāo)的軌跡在直線 1??i 上。所有的等 X圓相切于點(diǎn)（ 1， 0）。如下圖 23： 圖 22 等電阻圓 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 把阻抗圓圖旋轉(zhuǎn) ?180 就可以得到導(dǎo)納 圓圖，其構(gòu)成原理和使用方法與阻抗圓圖相似。 標(biāo)定電壓駐波比 ? 匹配點(diǎn) 電壓波腹 電壓波節(jié) 純阻線 r? 圖 23 等電抗圓 i? 純電抗線 實(shí)軸表示阻抗純阻點(diǎn)，因此，可由電阻 r 對(duì)應(yīng)出電壓駐波比 ? ， 如圖 24所示。因?yàn)殡妷厚v波比 ? 對(duì)應(yīng) r1 的等電阻圓與實(shí)軸 r? 的交點(diǎn)，因此容易導(dǎo)出rr?????11? 圖 24 ? 的 Smith圓圖 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 散射參數(shù)（ S 參數(shù)） S 參數(shù)表達(dá)的是功率波，它使我們可以用入射功率波和反射功率波的方式定義網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出關(guān)系。根據(jù)圖 25，可以定義歸一化入射功率 na 和歸一化反射功率 nb 如下： )(2 1 00 nnnIZVZa ?? （ ） )(2 1 00 nnnIZVZb ?? （ ） 其中下標(biāo) n 為端口編號(hào) 1 或 2。阻抗 0Z 是連接在網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗。（假設(shè)輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗相同。） 變換（ 8）式可得以下電壓、電流表達(dá)式： )(0 nnn baZV ?? （ ） )(10 nnnbaZI ?? () 若用（ 8）式表示功率，則物理意義十分明顯： )|||(|21||Re21 22* nnNnn baIVP ??? （ ） 若從（ 9）式中解出正向波和反向波，則可見(jiàn)： ?? ??nnn IZZVa 00 （ ） ?? ??? nnn IZZVb 00 （ ） 這與定義式（ 8）是一致的，因?yàn)??