微波实验箱指导

《微波实验箱指导》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微波实验箱指导（23页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书实验微波上下变频器的原理与测量一、实验目的1了解微波变频模块的基本工作原理；2利用实验模块各指标的实际测量以了解变频器件的特性；3了解变频器件的电路构架；二、实验原理混频器通常被用于将不同频率的信号相乘，以便实现频率的变换。这样做的原因在于，要在众多密集分布、间隔很近的相邻信道中滤出特定的射频信号需要Q 值极高的滤波器。然而，如果能在通信系统中将射频信号的载波频率降低，或者说进行下变频，则上述任务就比较容易实现。图18-1 是外差式接收机的电路原理框图，它也许是人们最熟悉的下变频系统。图中接收到的射频信号经过低噪声前置放大器（LNA ）放大后输入到混

2、频器中，混频器实现输入射频信号f RF 与本地振荡器 （ LO ）信号f LO 相乘。混频器的输出信号中含有fRFfL 0的成分，经过低通滤波器可以滤出其中频率较低的所谓中频（IF ）分量f RFfL 0然后再进行后续处理。图 18-1 采用混频器的外差式接收机混频器的两个重要组成部分是信号合成单元和信号检测单元。信号合成可以用 90（或LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书180） 定向耦合器 实现。信号检测单元中的非线性元件通常是采用一个二极管 。以后我们也会看到，双二极管的反平行结构及四个二极管的双平衡结构也很常用。除了二极管以外，人们已经采用BJT 和 MESFET 研制出了可以

3、工作在X 波段的低噪声、高频率混频器。在详细讨论混频器的电路设计之前，我们先简要说明混频器为何能在输入端口接受两个信号并在输出端口产生多个频率分量。显然，一个线性的系统是不能实现这个任务的，我们必须采用诸如二极管、FET 或 BJT 等非线性器件，它们可以产生丰富的谐波成分。图18-2是一个基本的系统框图，其中混频器与射频信号V RF（ t）以及本振信号V LO（ t）相连，本振信号也被称为泵浦信号。图 18-2 混频器的基本原理：用两个输入信号频率在系统的输出端口产生新的信号频率由图可见，输入电压信号与本振信号混合后施加在具有非线性传输特性的半导体器件上，该器件可以输出电流驱动负载。二极管和

4、 BJT 都具有指数型传输特性，类似于肖特基二极管方程：I I 0 (eV / VT1)式（ 18-1）然而， MESFET 的传输特性可近似为二次曲线：I(V)I DSS(1V /VT0)2式（ 18-2）为了简化书写，我们省略了漏极电流和栅极-源极电压的下标。输入电压由射频信号VRF=VRFcos( t), 本振信号 VLO=VLOcos(LOt) 以及偏置电压VQ之和表示；即：RFV VQVRF cos( RF t)VL 0 cos( L 0 t)式（ 18-3）此电压作用在非线性器件上所产生的电流响应可根据电压在Q 点附近的泰勒级数展开求得：LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书

5、I (V ) I Q V ( dI / dV ) VQ 1/ 2V 2 (d 2 I / dV 2 ) VQKIQ VA V2B K式（ 18-4）其中常数 A 和 B 分别为（ dI/dV ） |VQ 和 1/2 d2I/dV2） |VQ 。忽略直流偏置V Q和 IQ，并将式（ 18-3）代入式（ 18-4）可得：I (V ) A VRF cos( RF t) VL 0 cos( L 0t)B VRF2 cos2( RF t)VL20 cos2 ( L0 t)2 BVRFVL0 cos( RF t)cos(L0t ) K式（ 18-5）根据三角恒等式cos2( t)= （1/2 ）1-cos

6、(2 t) ，上式中包含余玄平方的项可以展开为直流项以及包含2 RF t 和 2L0 t 的项。关键的是式（18-5）式中的最后一项，它变为：I (V )KBVRFVL 0 cos ( RFL0 ) tcos (RFL 0 ) t式（ 18-6）这个表达式清楚地表明，二极管或晶体管的非线性效应可以产生新的频率分量RFlo，而且其幅度与VRFV LO 的乘积有关，其中B 是与器件有关的参数。公式（ 18-6）只包含了泰勒级数展开式的前3 项，因此只有2 阶交调产物（V 2 B ）。其他高阶产物，如3 阶交调产物（ V 3C）都被忽略了。二极管和BJT 中的这类高阶谐波项对混频器性能的影响极大。然

7、而，如果采用具有二次曲线传输特性的FET，则输出信号中将只有2 阶交调产物。所以，FET 不容易产生有害的高阶交调产物。下面例题讨论的是如何将给定射频信号频率下变频为需要的中频信号。例 1本振频率的选择已知一射频信道的中心频率为 1.89GHz ，带宽为 20MHz ，需要下变频为 200MHz 的中频。请选择合适的本振频率 f LO 。确定能够滤出该射频信道和相应中频信道的带通滤波器的品质因素。解：由式（ 18-6 ）可见，通过非线性器件将射频信号与本振信号混频后，根据fRF 和 fL 0的 相 对 大 小 ， 我 们 可 得 到 fIFfRFfL 0 或 f IFfL 0f RF 的 中

8、频 信 号 。 因 此 ， 为 了 从f RF1.89GHz 产 生f IF =200MHz的 中 频 ， 我 们 可 以 采 用fL 0f RFfIF =1.69GHz 或f L 0fRFf IF =2.09GHz 。这两种方案都是可行的，实际应用中也都常被采用。如果选择LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书f RFfL 0 ，则称混频器为低本振注入；如果选择f RFfL 0 ，则称混频器为高本振注入。由于本振信号频率越低则越容易生成和处理，所以前一种方案更常用。因为在下变频之前，信号带宽为20MHz ，中心频率为1.89GHz ，所以，如果要滤出该信号，我们必须使用品质因素QfRF/

9、 BW94.5 的滤波器。然而，下变频之后，信号的带宽没有变，但中心频率变为fIF =200MHz，所以，滤波器的品质因素只需为Qf RF/ BW10 。此例表明，一旦使用混频器实现了对射频信号的下变频，则可大大降低对滤波器的技术指标要求。关键参数指标及其含义：1.耗损 或增益 ( CONVERSION LOSS/GAIN,L C)LC (dB)PIF10 logPRF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 , 即只考虑射频输出信号频率为 f L 0f IF 或 f L 0f IF 。若是定义为双边带变频损耗, 则比单边带转频损耗低3dB。2.端回波损耗或电压驻波比(

10、 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=-10dB),最差为2.5: 1 (-7.3)。 而各端口的回波损耗, 受 L 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O变大。3. 隔离度为了避免信号互相干扰，隔离度(Isolation) 也是衡量混频器好坏的重要参数。所谓隔离度即是测量混频器各端间的泄漏程度。混频器需要外加一个本地振荡信号来进行混频，但却不希望本地振荡信号泄漏至射频输入端及中频输出端，若泄漏至射频端，则本地振

11、荡信号将可LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书能经由接收天线辐射出去，而造成通讯干扰；若该信号跑至中频端，则可能会使下级放大器电路提早饱和而无法正常工作，或者是干扰到下级的电路。此外信号的外泄也会造成更大的转换损耗。 IF 端对 LO端隔离度 (IF-LO Isolation) 的定义为：IF-LOIsolation (dB)=在 IF 输入端的 L O 信号功率 (dBm) 在 LO 端的 L O 信号输出功率(dBm)IF 端对 LO端隔离度(IF-RF Isolation)的定义为：IF-RFIsolation (dB)=在 IF 输入端的L O信号功率(dBm) 在 RF 端的

12、 L O 信号输出功率(dBm)4.端最低输入功率(MINIMUM L O POWER REQUIRED)对于混频器而言, L O 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.抑制度 ( IMAGE REJECTION)对于下变频混频器而言,IF输出信号频率可由L O 与 RF 两输入端信号频率相减而得。以fff为例 , 镜象为 f2 ff。即若 RF端输入镜象信号也可得到同频的IF 信号 ,IFRFL 0imL0RFfimfRFfIF。 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

13、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) 3dB 。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。 而对于上变频混频器而言 , 大致与下变频混频器相似 , 只是 RF 输入端改成IF输入端。6.互调截止点(SECOND-ORDER INTERCEPT POINT,IP2) (以下变频器为例IP 2PRF(PRFBLC )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f RFfL 0fIF时的转频损耗（Conversion Lo

14、ss）。（dB）B 混波器输入信号频率f RFfL00.5 fIF时的输出端频率为2 f IF的信号的功率。（ dBm）下变频器的测量电路应与频谱示意图, 如图所示。上变频器的也类似。LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书图 18-3 （ a）下变频器的IP2 测量图 18-3 （ b）下变频器的 IP2 频谱图7. 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。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

15、, 混频器的IP3 测量图及频谱示意图, 如图示图18-4(a)(b)LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书图 18-4 （ a）混频器的IP3 测量图图 18-4 （ b）上变频器的IP3 频谱图8. 相位噪声这里我们只介绍相位噪声的概念，不进行公式推导。如图 18-5 所示，由于相位噪声的存在，引起载波频谱的扩展，其范围可以从偏离载波小于 1Hz 一直延伸到几MHz （加性噪声的影响） 。LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书图 18-5 正弦信号的噪声边带频谱三、设计实例单端 BJT 混频器的设计根据图 18-6 所示的直流偏置电路拓扑结构以及偏置条件，计算R1 和 R2 的

16、电阻值。以此网络为基础设计一个f RF=1900MHz ，fIF =200MHz 且元件数目最少的低本振注入混频器。已知BJT在输入端短路，中频频率下测得的输出阻抗为Zout =(677.7-j2324) ,在输出端短路，射频频率下测得的输入阻抗为Zin =(77.9-j130.6)。图 18-6BJT 混频器电路的直流偏置网络由于 R2 上的电压降等于VCC 与 V CE 之差，电流为基极电流与集电极电流之和，所以R2 为：LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书R2(VCCVCE)/( I CI B)448同理，偏置电阻R1 可由 V CE -V BE 与基极电流的比值确定：R1(VC

17、EVBE ) / I B70.3k在开始设计输入匹配网络之前，我们必须先确定如何输入本振信号。最简单的方法如图18-7 所示，即通过一个去耦电容直接将本振信号源与晶体管的基极相连。图 18-7射频源及本振源与晶体管的连接方式去耦电容CLO 的电容量必须足够小，以便防止射频信号被耦合到本振源上。此处我们选CLO 0.2pF。在这种情况下，CLO 与 ZLO 的串联阻抗所产生的射频反射损耗RL RF 仅为0.24dB ：RLRF20log TL0 fRF20log(0.9727)0.24dB遗憾的是，由于本振信号频率与f RF 非常接近，所以上述电容量不但衰减了射频信号同样也将衰减本振信号。我们可

18、以计算出在f L0f RFf IF频率下，此去耦电容对本振信号的插入损耗 IL RF ：IL RF10log(1 TL 02) 13.6dBf L0LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书由此可知，如果本振信号源的输出功率为-20dBm，则只有 -33.6dBm 的本振功率可到达晶体管。由于我们可以调整本地振荡器的输出功率，所以这种看起来很高的功率损耗是可以容忍的。 CLO 和 Z LO 的存在使我们还可调整混频器的输入阻抗。新的总输入阻抗Z in 等于 CLO和 Z LO 的串联阻抗与连接在本振源上的晶体管输入阻抗相并联：RF CL 0 ) Zin(47.2 j103.5)Zin (ZL

19、 0 1/ j输出阻抗不会发生变化，因为Z out 是在输入端杜短路的条件下测量的。如图18-8 所示，由并联电感以及随后的串联电容构成的电路就是可行的拓扑结构之一。其中我们添加了一个隔直电容 Cin 用于防止直流接地短路。将图 18-8单端 BJT 混频器的输入匹配网络18-8RFCR1 直接连在L1 和 CB1 之间。 此时我们仍然通过L1 为晶体管的基极提供偏置，而射频信号则通过CB1接地短路， 从而保持了射频信号与直流电源的隔离。这种匹配网络的另一个任务是提供中频信号的短路条件。尽管电感L1在中频信号下的阻抗已经非常小，我们仍可以选择适当的CB1值使L1与CB1在中频信号下发生串联谐振

20、从而进一步降低该串联阻抗。例LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书如，若选择CB1=120pF ，则射频信号仍然保持良好短路，而且fIF信号的接地通道得到了改善。改进后的输入匹配网络如图18-9 所示。 输出匹配网络也可以采用类似的方法设计。最基本的匹配网络仍然包括并联电感L2 和随后的串联电容C2。它们的值为L2=416nH,C2=1.21pF。这种电路结构使我们可以省去晶体管集电极端口的RFC。然而，这种拓扑结构存在的问题是它不能为射频信号提供接地短路，因而可能会对输出端造成干扰。为了弥补这个缺陷，我们用一个等效LC 电路代替L2 ，其中增加的电容C3=120 pF 用于为射频信号提

21、供良好的接地条件， L2 则调整为 L2=5.2nH 。单端混频器的最终设计电路如图18-10 所示。图 18-9改进后的输入匹配网络LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书图 18-10f RF=1900MHz ， fIF =200MHz 的低本振注入、单端BJT 混频器的最终设计电路四、实验内容实验设备 :项次设备名称数量备注1微波上变频模块1 块有源实验箱2微波下变频模块1 块有源实验箱3频谱分析仪1 台4射频连接线3 条550标准负载1 个实验步骤 :本实验箱包含了微波上变频模块以及微波下变频模块，其原理相同。这里仅以微波上变频模块 为例进行测试。实验框图如图18-11:LTE-W

22、B-02D 微波通信系统实验指导书图 18-11上变频模块测试图变频器转换增益的测量:1. 将频谱分析仪中心频率设定为 2017.5MH Z 并校准频谱分析仪器。2.测量时使用我们有源实验箱上调制模块输出信号作为中频信号 ，其频率为 15MH Z ，输出功率为 4 dBm 并接至电路 IF 端。将微波锁相源输出信号仿真一个本地振荡信号，其 中心频率为 2GHz ，输出功率为12.5 dBm并接至电路了L O端。3.并利用频谱分析仪中之Mark功能 来测量混频器电路之RF 端口输出功率及频率；利用转换损耗之定义将混频器之转换损耗计算出来，将测量结果纪录于表18-1 中。4. 通过微波锁相源拨码盘

23、， 依次调整 L O信号输入的频率， 从 1970MH Z开始重复步骤 2 与步骤 3，直至 L 信号输入的频率为2030 MHZ为止，并将测量结果记录于表18-1 中。O变频器端口隔离度的测量:1.将频谱分析仪之参考电平、中心频率其分别设定为0 dBm 、2017.5MH Z 并校准频谱分析仪器。2.将微波锁相源输出信号仿真一个本地振荡信号接于变频模块的IF 输入端 ，设置频率为 2000MH Z, 功率为 12.5 dBm 。同时将模块的RF 端接 50负载 ，而 频谱仪的输入端接于模块的 L O输出端来测量混频器之IF-L O 隔离度 ，将频谱分析仪之 Marker的频率标示在2000M

24、Hz，.3. 将微波锁相源输出信号接于变频模块的 IF 输入端 ，同时将模块的 L O 端接 50负载 ，而频谱仪的输入端接于模块的 RF 输出端来测量混频器之 IF-RF 隔离度 ，将频谱分析仪之的频率标示在，记录测量结果4.将微波锁相源经过功率分配器输出信号接于变频模块的LO输入端，同时将模块的IFLTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书端接 50负载，而频谱仪的输入端接于模块的RF输出端来测量混频器之L O-RF 隔离度，将频谱分析仪之Marker的频率标示在2000MHz ，记录测量结果.实验记录：表 18-1 为下面此表LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书实验模拟微波通信

25、系统的组装及调试一、实验目的1掌握模拟微波通信系统的典型架构及应用；2了解各微波模块在通信系统中的位置和作用；3调试并理解模拟微波通信系统基本特性。二、实验原理(一 ) 模拟微波通信系统的典型架构微波通信技术问世已半个多世纪，它是在微波频段通过地面视距进行信息传播的一种无线通信手段。最初的微波通信系统都是模拟制式的，它与当时的同轴电缆载波传输系统同为通信网长途传输干线的重要传输手段，例如我国城市间的电视节目传输主要依靠的就是微波传输。模拟微波通信系统组成如图21-1所示。PAPA影音调制ATTPALNA模块混频模块混频模块微波发送系统微波接收系统图 21-1模拟信号微波通信系统(二 ) 微波发

26、射机的重要指标：1. 谐波抑制：所谓谐波， 是指与发射机输出信号有相干关系的信号。在频谱上反映为信号频率f0 的整数倍 nf0 频率处的单根谱线(n=2,3,4,)。谐波功率与载波功率之比称为谐波抑制。它反映了发射机抑制谐波的能力。 显然我们希望该比值越小越好。2. 杂散：杂散是指和输出信号没有谐波关系的一些无用谱。在频谱上可能表现为若干对称边带，LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书也可能表现为信号频率f0 谱线旁存在的非谐波关系的离散单根谱线。这些谱线的幅度一般都高于噪声。杂散抑制就是指与载波频率成非谐波关系的离散频谱功率与载波功率之比。谐波和杂散主要由发射机中的非线性元件产生，也有

27、机内外干扰信号的影响。它们表征了信号输出谱的纯度。3. IMD3 ：通常，输出端口有用与无用功率（单位dBm ）之差被定义为以dB 为单位的交调失真，即cos(IF t)cos( IF t)如图 21-2 所示，当频率为f1 和 f2 的两个等幅信号同时加在放大器的输入端时，由于放大器非线性的影响，在输出端将出现互调失真的成份。其中f2 f1 为二阶互调分量，而2f1 f2 为三阶互调分量。除非是对于宽带的电路，一般我们不考虑二阶互调失真的影响。它是用来衡量接收系统抵抗内调变失真能力的参数。图 21-2微波器件非线性产生邻道干扰(三 ) 微波接收机的重要指标1噪声系数：由于放大器本身就有噪声，

28、输出端的信噪比和输入端信噪比是不一样的，为此，使用噪声系数来衡量放大器本身的噪声水平，它的基本定义为：在环境温度为标准室温（17 ）、一个网络（或收信机）输入与输出端在匹配的条件下，噪声系数 NF 等于输入端的信噪比与输出端的信噪比的比值，记作LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书SiS i / N iN iN oG N iN x1式（ 21-1 ）FSi GG N iG N iN xS o / N oN o式中 Nx 是出现在放大器的输出端，由放大器内部产生的噪声。由公式（ 21-1 ）可以看出，网络（或收信机）的噪声系数最小值为1 （合 0dB ）。NF=1 ，说明网络本身不产生热噪

29、声，即=0 ，其输出端的噪声功率仅由输出端的噪声源所决定。实际的收信机不可能NF=1 ，即 NF1 。式（ 21-1 ）说明，接收机本身产生的热噪声功率越大，值越大。接收机本身的噪声功率要比输入端的噪声功率经放大后的值还要大很多，根据噪声系数的定义，可以说是衡量接收机热噪声性能的一项指标。2镜频抑制：为了说明镜频问题，我们可考察射频信号用给定本振信号进行下变频的情况。除了需要的信号外，我们再以 IF 为间隔相对于 LO 对称放置一个干扰信号（见图 21-3）。射频信号的变换关系应为：RFLOIF镜频信号IM 的变换关系则为：IMLO( LOIF)LOIF由于 cos(IF t) cos( IF

30、 t) ，所以这两个频率谱都移动到了相同的频段内，如图21-3 所示。LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书图 21-3 镜频映射问题为了避免出现幅度可能大于射频信号的有害镜频信号，可以再混频器的前面增加所谓镜频滤波器来抑制镜频的影响，并提供有效的信号频谱隔离。更有效的措施是采用镜频抑制混频器。3邻频抑制：通信接收机要求尽可能高的邻频抑制,因此不得不对中频滤波器的矩形系数有所要求4本振泄露：振泄露就是指泄露到输出口或输入口的本振信号，而本振是指超外差式接收要将接收的讯号与接收机通过振荡电路产生的频率进行“本机振荡 ”。“混频 ”，产生固定的中频讯号进行放大，这个由接收机产生的振荡称为“本

31、振 ”。5灵敏度：接收机灵敏度是指在确保一定质量要求（如达到规定信噪比）的情况下， 接收 机输入端所需的最小信号强度。6动态范围：微波接收机的动态范围是指接收机能正常接收的微波信号的功率范围，其上、下限由下述条件确定：（ 1）信号太弱时，将被噪声所淹没，由此可取信号功率的下限；（ 2）信号太强时，超过最大可允许的输入功率，接收机会出现饱和或过载。通常我们希望接收机有较大动态范围。三、 实验内容实验设备 :项次设备名称数量备注1微波有源实验箱12 台两台实验箱分别做收发系统2微带天线2 只微波无源箱LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书3摄像头1 个带麦克风和电源4电视机1 台5射频线若干

32、6视频线2 根7SMA 有线电视插头转接线1 根8频谱分析仪1 台实验步骤 :(一 ) 两台实验箱的传输实验腔体滤波器低噪声放大器微波下变频数字调制与解模块调模块微波锁相源功分器压控振荡器功率放大器压控衰减器微波上变频视频音频模块调制模块腔体滤波器低噪声放大器微波下变频数字调制与解模块调模块微波锁相源功分器压控振荡器功率放大器压控衰减器微波上变频视频音频模块调制模块1如图所示，将发实验系统接好摄像头和微波调制器的发射支路。实验平台一实验平台二语音视频2 将微波锁相源设定为1970MHz ，打开实验箱电源，测量微波发射频谱特性。3 收实验系统将接收支路连接好，同样将微波锁相源设定为1970MHz ，打开电源，在LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书电视机上应能看到较大的调频雪花噪声颗粒。4对电视机进行调谐，调出图像信号。LTE-WB-02D 微波通信系统实验指导书