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无线射频技能原理及电路设计技巧

无线射频技术原理及电路设计技巧-RF(射频)专指具有一定波长可用于无线电通信的电磁波。电磁波可由其频率表述为:KHz(千赫),MHz(兆赫)及GHz(千兆赫)。其频率范围为VLF(极低频)也即10-3

  RF(Radio Frequency)技能被广泛运用于多种范畴,如:电视、播送、移动电话、雷达、主动辨认体系等。

  专用词RFID(射频辨认)即指运用射频辨认信号对方针物进行辨认。

  RFID的运用包括:

  ETC(电子收费)

  铁路机车车辆辨认与盯梢

  集装箱辨认

  贵重物品的辨认、认证及盯梢

  商业零售、医疗保健、后勤服务等的方针物办理

  收支门禁办理

  动物辨认、盯梢

  车辆主动锁死(防盗)

  RF(射频)专指具有必定波长可用于无线电通讯的电磁波。电磁波可由其频率表述为:KHz(千赫),MHz(兆赫)及GHz(千兆赫)。其频率规模为VLF(极低频)也即10-30KHz至EHF(极高频)也即30-300GHz。

  RFID是一项易于操控,简略有用且特别合适用于主动化操控的活络性运用技能,其所具有的共同优越性是其它辨认技能无法企及的。它既可支撑只读作业方法也可支撑读写作业方法,且无需触摸或瞄准;可自在作业在各种恶劣环境下;可进行高度的数据集成。别的,由于该技能很难被仿冒、侵入,使RFID具有了极高的安全防护才干。

  从概念上来讲,RFID 类似于条码扫描,关于条码技能而言,它是将已编码的条形码附着于方针物并运用专用的扫描读写器运用光信号将信息由条形磁传送到扫描读写器;而RFID则运用专用的RFID读写器及专门的可附着于方针物的RFID单元,运用RF信号将信息由RFID单元传送至RFID读写器。

  RFID单元中载有关于方针物的各类相关信息,如:该方针物的称号,方针物运送开端停止地址、中转地址及方针物通过某一地的具体时刻等,还能够载入比如温度等方针。RFID单元,如标签、卡等可活络附着于从车辆到载货底盘的各类物品。

  RFID技能所运用的电波频率为50KHz-5.8GHz,如图一所示,一个最根本的RFID体系一般包括以下几个部份:

  一个载有方针物相关信息的RFID单元(应答机或卡、标签等)

  在读写器及RFID单元间传输RF信号的天线

  一个发生RF信号的RF收发器(RF transceiver)

  一个接纳从RFID单元上回来的RF信号并将解码的数据传输到主机体系以供处理的读写器。

  天线、读写器、收发器及主机可部分或悉数集成为一个全体,或集成为少数的部件。不同制造商有各自不同的集成办法。

  (在以上根本装备之外,还应包括相应的运用软件)

  射频技能—典型的射频电路

  射频电路最首要的运用范畴便是无线通讯,图1为一个典型的无线通讯体系的框图,下面以这个体系为例剖析射频电路在整个无线通讯体系中的效果。

  

  这是一个无线通讯收发机(《span》tranceiver)的体系模型,它包括了发射机电路、接纳机电路以及通讯天线。这个收发机能够运用于个人通讯和无线局域网络中。在这个体系中,数字处理部分首要是对数字信号进行处理,包括采样、紧缩、编码等;然后通过A/D转化器转化器变成模仿方法进入模仿信号电路单元。

  射频技能—电路的组成和特色

  下面,将针对图方框图中的低噪声扩大器(LNA)评论一般射频电路的组成和特色。

  

  上图给出了这个扩大器的电路板图,注意到输入信号是通过一个通过匹配滤波网络输入扩大模块。扩大模块一般选用晶体管的共射极结构,其输入阻抗有必要与坐落低噪声扩大器前面的滤波器的输出阻抗相匹配,然后确保最佳传输功率和最小反射系数,关于射频电路规划来说,这种匹配是有必要的。此外,低噪声扩大器的输出阻抗有必要与其后端的混频器输入阻抗相匹配,相同能确保扩大器输出的信号能彻底、无反射的输入到混频器中去。

  这些匹配网络是由微带线组成,在有些时分也或许由独立的无源器材组成,可是它们在高频 状况下的电特性与在低频的状况下彻底不同。图上还能够看出微带线实际上是必定长度和宽度的敷铜带,与微带线衔接的是片状电阻、%&&&&&%和电感。

  射频技能—电路的功率和增益

  增益、噪声和非线性是描绘射频电路最常用的方针。在射频和微波体系中,由于反射的普遍存在和抱负的短路、开路难以获得,低频电路中常用的电压和电流参数的丈量变得好不简单,因而,功率的丈量得到了广泛的运用。

  而且,传统的射频和微波电路运用分立元件和传输线构成,电路的输入、输出一般需求匹配到一个体系阻抗(50Ω或75Ω)。由于上面两个原因,电路的性能方针,如增益、噪声、非线性等,都能够通过功率表明出来。

  为了核算便利,在射频和微波工程中常用功率强度对数的方法来表明功率,dBm是信号功率相关于1mW的对数值。

  有了功率的界说,现在开端评论射频体系中的一个重要方针:增益。在射频体系中考虑的功率指的是功率增益,这与电压增益很简单发生混杂。此外,在射频体系中,相同存在多种功率的界说,当匹配电路存在时,能够界说以下功率:

  PL:负载获得的功率

  Pin:电路的输入功率

  Pavs:信号源能供给的最大功率

  Pavn:电路能供给的最大功率

  相应的,能够界说三种功率:一般功率增益Gp、转化功率增益GT和资用增益GA。

  射频技能—电路规划办法

  无线发射器和接纳器在概念上,可分为基频与射频两个部份。基频包括发射器的输入信号之频率规模,也包括接纳器的输出信号之频率规模。基频的频宽决议了数据在体系中可活动的根本速率。基频是用来改进数据流的牢靠度,并在特定的数据传输率之下,削减发射器施加在传输前言(transmission medium)的负荷。因而,PCB规划基频电路时,需求很多的信号处理工程常识。发射器的射频电路能将已处理过的基频信号转化、升频至指定的频道中,并将此信号注入至传输媒体中。相反的,接纳器的射频电路能自传输媒体中获得信号,并转化、降频成基频。

  发射器有两个首要的PCB规划方针:第一是它们有必要尽或许在耗费最少功率的状况下,发射特定的功率。第二是它们不能搅扰相邻频道内的收发机之正 常运作。就接纳器而言,有三个首要的PCB规划方针:首要,它们有必要精确地复原小信号;第二,它们有必要能去除希望频道以外的搅扰信号;最终一点与发射器相同,它们耗费的功率有必要很小。

  射频技能—仿真之大的搅扰信号

  接纳器有必要对小的信号很活络,即便有大的搅扰信号(阻挠物)存在时。这种状况出现在测验接纳一个弱小或远距的发射信号,而其邻近有强壮的发射器在相邻频道中播送。搅扰信号或许比等待信号大60~70 dB,且能够在接纳器的输入阶段以很多掩盖的方法,或使接纳器在输入阶段发生过多的噪声量,来阻断正常信号的接纳。假如接纳器在输入阶段,被搅扰源唆使进 入非线性的区域,上述的那两个问题就会发生。为避免这些问题,接纳器的前端有必要是十分线性的。

  因而,“线性”也是PCB规划接纳器时的一个重要考虑要素。由于接纳器是窄频电路,所以非线性是以丈量“交调失真 (intermodulaTIon distorTIon)”来计算的。这牵涉到运用两个频率附近,并坐落中心频带内(in band)的正弦波或余弦波来驱动输入信号,然后再丈量其交互调变的乘积。大体而言,SPICE是一种耗时耗本钱的仿真软件,由于它有必要履行许屡次的循环 运算今后,才干得到所需求的频率分辨率,以了解失真的景象。

  

  射频技能—电路仿真之小的希望信号

  接纳器有必要很活络地侦测到小的输入信号。一般来说,接纳器的输入功率能够小到1 μV。接纳器的活络度被它的输入电路所发生的噪声所约束。因而,噪声是PCB规划接纳器时的一个重要考虑要素。而且,具有以仿真东西来猜测噪声的才干是不可或缺的。附图一是一个典型的超外差(superheterodyne)接纳器。接纳到的信号先通过滤波,再以低噪声扩大器(LNA)将输入信号扩大。然 后运用第一个本地振荡器(LO)与此信号混合,以使此信号转化成中频(IF)。前端(front-end)电路的噪声效能首要取决于LNA、混合器 (mixer)和LO。尽管运用传统的SPICE噪声剖析,能够寻找到LNA的噪声,但关于混合器和LO而言,它却是无用的,由于在这些区块中的噪声,会被很大的LO信号严重地影响。

  小的输入信号要求接纳器有必要具有极大的扩大功用,一般需求120 dB这么高的增益。在这么高的增益下,任何自输出端耦合(couple)回到输入端的信号都或许发生问题。运用超外差接纳器架构的重要原因是,它能够将增 益分布在数个频率里,以削减耦合的机率。这也使得第一个LO的频率与输入信号的频率不同,能够避免大的搅扰信号“污染”到小的输入信号。

  由于不同的理由,在一些无线通讯体系中,直接转化(direct conversion)或内差(homodyne)架构能够替代超外差架构。在此架构中,射频输入信号是在单一过程下直接转化成基频,因而,大部份的增益 都在基频中,而且LO与输入信号的频率相同。在这种状况下,有必要了解少数耦合的影响力,而且有必要建立起“杂散信号途径(stray signal path)”的具体模型,比如:穿过基板(substrate)的耦合、封装脚位与焊线(bondwire)之间的耦合、和穿过电源线的耦合。

  射频技能—电路仿真之相邻频道的搅扰

  失真也在发射器中扮演着重要的人物。发射器在输出电路所发生的非线性,或许使传送信号的频宽分布于相邻的频道中。这种现象称为“频谱的再生长 (spectral regrowth)”。在信号抵达发射器的功率扩大器(PA)之前,其频宽被约束着;但在PA内的“交调失真”会导致频宽再次添加。假如频宽添加的太多,发射器将无法契合其相邻频道的功率要求。当传送数字调变信号时,实际上,是无法用SPICE来猜测频谱的再生长。由于大约有1000个数字符号 (symbol)的传送作业有必要被仿真,以求得代表性的频谱,而且还需求结合高频率的载波,这些将使SP%&&&&&%E的瞬态剖析变得不切实际。

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