第一章射频微电子学 简介
射频基础知识培训课件知识
信号的峰值功率、平均功率和峰均比PAR 解释：很多信号从时域观测并不是恒定包络,而是如下面图形所示.峰值功率即是指以某种概率出现的肩峰的瞬态功率.通常概率取为0.01%.
功率相关概念
功率相关概念
信号的峰值功率、平均功率和峰均比PAR 解释：平均功率是系统输出的实际功率.在某个概率下峰值功率跟平均功率的比就称为在某个概率下的峰均比,如PAR=9.10.1%,各种概率下的峰均比就形成了CCDF曲线（互补累积分布函数）. 在概率为0.01%处的PAR,一般称为CREST因子.
噪声相关概念
相位噪声 相位噪声是用来衡量本振等单音信号频谱纯度的一个指标,在时域表现为信号过零点的抖动.理想的单音信号,在频域应为一脉冲,而实际的单音总有一定的频谱宽度,如下面所示.一般的本振信号可以认为是随机过程对单音调相的过程,因此信号所具有的边带信号被称为相位噪声.相位噪声在频域的可以这样定量描述：偏离中心频率多少Hz处,单位带宽内的功率与总信号功率相比.
1dB压缩点 例如一个射频放大器,当输入信号较小时,其输出与输入可以保证线关系,输入电平增加1dB,输出相应增加1dB,增益保持不变,随着输入信号电平的增加,输入电平增加1dB,输出将增加不到1dB,增益开始压缩,增益压缩1dB时的输入信号电平称为输入1dB压缩点,这时输出信号电平称为输出1dB压缩点.如下图：
无线通信的电磁波传输
长波（低频LF）传播 长波是指波长1公里~10公里（频率为30~300kHz）的电磁波.其可沿地表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）. 中波（中频MF）传播 中波是指波长100米~1000米（频率为300~3000kHz）的电磁波.中波可沿地表面传播（地波）和靠电离层反射传播（天波）.中波沿地表面传播时,受地表面的吸收较长波严重.中波的天波传播与昼夜变化有关.
第一章射频微电子学简介
W. SHOCKLEY
J. BARDEEN W. H. BRATTAIN
不断发展的通信技术
• Kilby和Noyce 发明集成电路 • 1962年 Telstar I 卫星发射，转播欧、美之间电视
广播；
• 1965年 发射商用通信卫星；
不断发展的通信技术
• 70年代初 Bell实验室R. Frenkiel等提出蜂窝式无线 移动通信网概念；
Integrated Circuits，电子工业出版社 • Behzad Razavi，模拟CMOS集成电路设计，业出版社
课程内容
• 第一章 简介 • 第二章 射频基本概念 • 第三章 调制解调基础 • 第四章 收发机基本架构 • 第五章 低噪声放大器及混频器 • 第六章 振荡器 • 第七章 频率综合器 • 第八章 功率放大器
Chih-Kong Ken Yang
High-Performance Mixed-mode Circuit Design Group
/~ckygroup/people.htm l
Donhee Ham
Research Laboratory Circuits
of
Electronics
Patrick Yue
Mau-Chung Frank Chang
Thomas H.Lee
UCSB High-Speed Silicon Lab
High Speed Electronics Lab Stanford Microwave Integrated Circuits
Laboratory
/yuegroup/leadership .html
&
Integrated
/~donhee/
射频基础知识
第一部分射频基础知识目录第一章与移动通信相关的射频知识简介 (1)1.1 何谓射频 (1)1.1.1长线和分布参数的概念 (1)1.1.2射频传输线终端短路 (3)1.1.3射频传输线终端开路 (4)1.1.4射频传输线终端完全匹配 (4)1.1.5射频传输线终端不完全匹配 (5)1.1.6电压驻波分布 (5)1.1.7射频各种馈线 (6)1.1.8从低频的集中参数的谐振回路向射频圆柱形谐振腔过渡 (9)1.2 无线电频段和波段命名 (9)1.3 移动通信系统使用频段 (9)1.4 第一代移动通信系统及其主要特点 (12)1.5 第二代移动通信系统及其主要特点 (12)1.6 第三代移动通信系统及其主要特点 (12)1.7 何谓“双工”方式？何谓“多址”方式 (12)1.8 发信功率及其单位换算 (13)1.9 接收机的热噪声功率电平 (13)1.10 接收机底噪及接收灵敏度 (13)1.11 电场强度、电压及功率电平的换算 (14)1.12 G网的全速率和半速率信道 (14)1.13 G网设计中选用哪个信道的发射功率作为参考功率 (15)1.14 G网的传输时延，时间提前量和最大小区半径的限制 (15)1.15 GPRS的基本概念 (15)1.16 EDGE的基本概念 (16)第二章天线 (16)2.1天线概述 (16)2.1.1天线 (16)2.1.2天线的起源和发展 (17)2.1.3天线在移动通信中的应用 (17)2.1.4无线电波 (17)2.1.5 无线电波的频率与波长 (17)2.1.6偶极子 (18)2.1.7频率范围 (19)2.1.8天线如何控制无线辐射能量走向 (19)2.2天线的基本特性 (21)2.2.1增益 (21)2.2.2波瓣宽度 (22)2.2.3下倾角 (23)2.2.4前后比 (24)2.2.5阻抗 (24)2.2.6回波损耗 (25)2.2.7隔离度 (27)2.2.8极化 (29)2.2.9交调 (31)2.2.10天线参数在无线组网中的作用 (31)2.2.11通信方程式 (32)2.3．网络优化中天线 (33)2.3.1网络优化中天线的作用 (33)2.3.2天线分集技术 (34)2.3.3遥控电调电下倾天线 (1)第三章电波传播 (3)3.1 陆地移动通信中无线电波传播的主要特点 (3)3.2 快衰落遵循什么分布规律，基本特征和克服方法 (4)3.3 慢衰落遵循什么分布规律，基本特征及对工程设计参数的影响 (4)3.4 什么是自由空间的传播模式 (5)3.5 2G系统的宏小区传播模式 (5)3.6 3G系统的宏小区传播模式 (6)3.7 微小区传播模式 (6)3.8 室内传播模式 (9)3.9 接收灵敏度、最低功率电平和无线覆盖区位置百分比的关系 (10)3.10 全链路平衡和最大允许路径损耗 (11)第四章电磁干扰 (12)4.1 电磁兼容（EMC）与电磁干扰（EMI） (12)4.2 同频干扰和同频干扰保护比 (13)4.3 邻道干扰和邻道选择性 (14)4.4 发信机的（三阶）互调干扰辐射 (15)4.5 收信机的互调干扰响应 (15)4.6 收信机的杂散响应和强干扰阻塞 (15)4.7 dBc与dBm (16)4.8 宽带噪声电平及归一化噪声功率电平 (16)4.9 关于噪声增量和系统容量 (17)4.10 直放站对基站的噪声增量 (17)4.11 IS-95 CDMA 对 GSM 基站的干扰 (19)4.12 G网与PHS网的相互干扰 (20)4.13 3G系统电磁干扰 (22)4.14 PHS系统与3G系统之间的互干扰 (24)4.15 GSM系统与3G系统之间的互干扰 (25)第五章室内覆盖交流问题应答 (12)5．1、目前GSM室内覆盖无线直放站作信源站点数量达60%，WCDMA的建设中，此类站点太多将导致网络上行噪声被直放站抬高，请问怎么考虑？5.2、高层窗边的室内覆盖信号场强难以做到主导，而室内窗边将是数据业务需求的高发区域，室内窗边的高速速率如何保证？5.3、有厂家建议室内覆盖不用干放，全用无源覆盖分布，我们如何考虑？5.4、室内覆盖中，HSDPA引入后，有何新要求？5.5、系统引入多载频对室内覆盖的影响？5.6、上、下行噪声受限如何考虑？5.7、室内覆盖时延分集增益。
射频微波电路导论课件
滤波器设计
滤波器的作用
滤波器用于选择特定频率范围的 信号，抑制不需要的频率成分，
从而提高信号的纯度。
滤波器的设计方法
可以采用LC电路、微带线等方法进 行滤波器的设计，通过调整元件的 值和连接方式来实现不同的滤波特 性。
滤波器的应用场景
在射频微波电路中，滤波器广泛应 用于信号处理、通信系统等领域。
天线设计
THANKS
感谢观看
物联网技术将促进射频微波电路与其他技术的 结合，如传感器技术、云计算技术等，为射频 微波电路的创新发展提供更多可能性。
新材料的应用前景
新材料的出现将为射频微波电 路的设计和制造提供更多的选 择和可能性。
新材料具有优异的物理性能和 化学性能，可以提高射频微波 电路的性能和稳定性。
新材料的应用将推动射频微波 电路向绿色环保、可持续发展 方向迈进，降低对环境的负面 影响。
04
射频微波电路的设计与实现
匹配网络设计
匹配网络的作用
匹配网络的应用场景
匹配网络是用于实现射频微波电路中 各个元件之间的阻抗匹配，确保信号 传输的效率和质量。
在射频微波电路中，如放大器、滤波 器、混频器等元件都需要用到匹配网 络，以确保信号的顺畅传输。
匹配网络的设计方法
可以采用传输线理论、Smith Chart 等方法进行匹配网络的设计，通过调 整元件的阻抗值来实现匹配。
01
03
滤波器在射频微波电路中的设计和制作需考虑其频率 响应特性、插入损耗和群时延等因素，以确保电路性
能的稳定性和可靠性。
04
滤波器的种类繁多，常见的有LC滤波器、微带线滤波 器和介质滤波器等，根据不同的应用需求选择合适的 滤波器类型和规格。
03
微波电路西电雷振亚老师的课件1章射频微波工程介绍
射频微波工程的重要性
通信技术发展
随着通信技术的不断发展，射频微波 工程在移动通信、卫星通信、物联网 等领域发挥着至关重要的作用。
国家安全
科学研究
射频微波工程在物理学、化学、生物 学等基础学科的研究中也有广泛应用 ，为科学研究提供了重要的工具和手 段。
在军事和国防领域，射频微波技术对 于雷达探测、电子战和通信系统具有 重要意义，直接关系到国家安全。
各种参数。
测量流程
03
包括信号源校准、信号传输、接收和处理等步骤，以确保测量
结果的准确性和可靠性。
04
射频微波工程案例分析
无线通信系统中的射频微波电路设计
无线通信系统概述：无线通信系统是利用电磁波 进行信息传输的系统，包括移动通信、无线局域 网、蓝牙等。
无线通信系统中射频微波电路设计的挑战：无线 通信系统中的射频微波电路设计面临许多挑战， 如信号干扰、多径效应、频谱拥挤等。
雷达系统中的射频微波电路设计
雷达系统概述
雷达是一种利用电磁波探测目标的系统，广泛应用于军事、气象、航 空等领域。
射频微波电路设计在雷达系统中的作用
在雷达系统中，射频微波电路设计主要负责发射和接收电磁波，并进 行信号处理和分析。
雷达系统中射频微波电路设计的挑战
雷达系统中射频微波电路设计面临许多挑战，如电磁波的传播特性、 目标反射特性、干扰等。
电路仿真软件
如Multisim、PSPICE等，用于模拟电路的工作状 态和性能。
仿真设计流程
包括建立电路模型、设置参数、进行仿真分析和 优化等步骤，以提高射频微波电路的性能。
微波测量技术
测量原理
01
基于电磁波传播和散射的原理，研究微波信号的测量方法和技
射频微波电路导论 课件(西电版)第1章
射频电路布线与PCB制作
高功率发射电路远离低功率接收电路 〃保证充足的物理空间 〃布置在PCB板的两面 〃加金属屏蔽罩
射频电路布线与PCB制作
布线时作为常规应考虑以下基本原则 1、射频器件管脚间引线越短越好 2、可靠的接地是器件稳定工作的保证 3、射频信号间避免近距离平行走线，射频 输出远离射输入 4、保证印制板导线最小宽度 因设计条件的制约无法实施常规准则时，必须学会 进折中处理
ΓOUT = S’22
ΓL
' S22 S22
RL
放大器电路方块图
S12 S21S 1 S11S
小信号放大器设计步骤
小信号放大器设计步骤
1.根据指标选择适当晶体管 2.设计直流偏置电路 3.测量晶体管的S参数 3.判断稳定性 4.根据单向化系数确定单、双向化设计 5.设计输入输出匹配网络 ①最大增益设计 ②等增益设计 ③最佳噪声设计
两大步骤：布局、布线
布局 布局是设计中一个重要的环节，合理的布局是 PCB设计成功的第一步，是实现一个优秀RF设 计的关键。 布局规则 1、设置去耦电容 2、确保射频信号路径最短 3、高功率发射电路远离低功率接收电路
射频电路布线与PCB制作
电源设置去耦电容
射频电路布线
与PCB制作
确定射频信号最短路径
射频模块
项次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 OPEN/SHORT/THRU п 型 T 型阻抗匹配器 电阻式功率分配器 威尔金森微带功率分配器 п 型 T 型衰减器 L－C 定向耦合器 微带线定向耦合器 滤波器 放大器 振荡器 压控振荡器 变频器，倍频器 混频器 微波控制电路 天线 模块
平行线定向耦合器的应用
射频微波基础知识
射频微波基础知识射频简称RF射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。
每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。
有线电视系统就是采用射频传输方式的。
在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。
在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波成为射频，英文缩写：RF一、射频和微波技术基础知识1、什么是射频?射频(RF)是指无线通信系统中使用的电磁频率范围。
它涵盖了广泛的频率范围，通常从3kHz(千赫)到300GHz(千兆赫)。
射频信号的特点是能够长距离传播并穿过障碍物，这使其成为各种通信应用的理想选择。
2、微波频率微波是射频频率的一个子集，频率范围为300MHz(兆赫)到300GHz。
虽然微波仍然是像射频一样的电磁波，但它们具有更短的波长，这在特定应用中提供了某些优势，例如高数据传输速率和精确成像能力。
二、射频和微波技术的应用1、无线通信射频和微波技术最突出的应用之一是在无线通信系统中。
从简单的无线电传输到复杂的蜂窝网络，射频技术使移动设备上的语音通话、短信、互联网浏览和视频流成为可能。
此外，Wi-Fi网络、蓝牙连接和其他无线协议依赖RF信号进行无缝数据交换。
2、卫星通信卫星通信严重依赖微波频率。
地球静止轨道或近地轨道卫星利用微波远距离传输电视信号、互联网数据和电话，确保在传统通信基础设施有限，或无法使用的偏远地区实现全球连接。
3、雷达系统微波雷达系统对各种应用至关重要，包括空中交通管制、天气监测和军事防御。
雷达使用微波脉冲来探测物体的存在、距离和速度，从而进行精确的跟踪和分析。
4、医疗应用射频和微波技术在医学领域有着重要的应用，例如磁共振成像(MRI)和微波消融。
第1章无线通信中射频收发机结构及应用1
无线局域网(WLAN)是利用全球通用且无须申请许可的ISM频段 (2.4GHz频段、5.0GHz频段)，在无线的环境中实现便携式移动通 信。
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1．5 典型应用的集成收发信机
1．5．2 应用于无线局域网的收发机
无线局域网(WLAN)是利用全球通用且无须申请许可的ISM频段 (2.4GHz频段、5.0GHz频段)，在无线的环境中实现便携式移动通 信。
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1．3 射频电路与微波电路和低频电路的关系
IEEE和工业用微波波段的定义
频带名称 L带 C带 Ku带
Ka带(毫米波) U带(毫米波) E带(毫米波) F带(毫米波)
频率范围(GHz) 1.0～2.0 4.0～8.0
12.0～18.0 26.5～40.0 40.0～60.0 60.0～90.0 90.0～140.0
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1．1 无线收发信机射频前端功能和特性
对于发送系统硬件电路系统而言，最困难的部分就在于中放变
频和功放。中放变频的难点主要在于变频系统方案的设计，好
的系统方案设计可能产生的相关干扰较少，甚至还可能降低对
参与变频的本地振荡信号的要求。
基带信号 解调
中频变 频
低噪声放 大器
接收天线
图1－2接收机结构图
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2．高射频和微波电路
对于高射频和微波电路，其中可以有一个或几个集总元件，但至 少要有一个分布式元件。
对于分布电路，具有下述三个特点：
1.必须采用麦克斯韦方程提出的波传播概念；
2.电路要有大的电长度，物理长度与电路中信号传播的波长可比拟；
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高频（HF）
甚高频（VHF） 特高频（UHF） 超高频（SHF） 极高频（EHF）
3MHz~30MHz
30MHz~300MHz 300MHz~3GHz 3GHz~30GHz 30GHz~300GHz
102~10(m)
10~1(m) 1.0~0.1 (m) (分米波) 0.1~0.01 (m)（厘米波） 0.01~0.001(m)（毫米波）
不断发展的通信技术
• 1895年 Marconi 发明的无线电报，传输2 公里 • 1897年 Marconi申请无线电报专利，建立 无线电报公司 • 1901年12月12日 Marconi在加拿大纽芬兰 岛收到从英国Cornwall发出的无线信号， 传输距离1700mile • 1900年 专利《调谐电话》获得批准，专 利号为No.7777；同年公司改名为Marconi 公司 • 1907年 获诺贝尔物理奖 • 1904年Flemin发明电子二极管； • 1906年De Forest发明电子三极管放大； • 1920年AM广播在美国Pitt b h开通
课程内容
• • • • • • • • 第一章 简介 第二章 射频基本概念 第三章 调制解调基础 第四章 收发机基本架构 第五章 低噪声放大器及混频器 第六章 振荡器 第七章 频率综合器 第八章 功率放大器
国外部分射频研究实验室
University Caltech UCLA Professor Ali Hajimiri Behzad Razavi Lab Caltech High-speed Integrated Circuits Communication Circuits Laboratory URL / /~brweb/ma inpage.html /pr ojects.htm /~ckygroup /people.html
什么是RF
• RF: radio frequency • 射频：可以无线发射的频率 • 工作频率：从几百MHz到GHz
多学科领域
射频前端电路
模拟通信机
数字通信机
无线数字手机的射频级电路
射频电路设计要求
• 良好的选择性 • 低噪声、高动态范围
– 信号小-噪声 – 信号大-非线性度
• 接收机对杂散频率信号有良好的抑制能力
参考书目
• • • • • Behzad Razavi，RF Microelectronics，清华大学出版社 陈邦媛，射频通信电路，科学出版社 池保勇，CMOS射频集成电路分析与设计，清华大学出版 Reinhold Ludwig，射频电路设计-理论与应，电子工业出版 Thomas H.Lee，The Design of CMOS Radio Frequency Integrated Circuits，电子工业出版社 • Behzad Razavi，模拟CMOS集成电路设计，西安交通大学出 版 • 吴建辉，CMOS模拟集成电路分析与设计 ，电子工业出版社
造就当今移动通信辉煌局面的应首推 微电子技术和射频技术
Clinton总统給R. Frenkiel 授奖
射频技术的应用
• • • • 无线局域网（WLAN 802.11a/b/g） 全球定位系统（GPS） 射频识别（RFID） 个人无线通信 （GSM/TDSCDMA/WCDMA/CDMA2000/LTE） • 家庭卫星网络（house satellite network） • 其他近距离无线通信：
无线信道的恶劣环境
• 接收信号微弱
– 介质损耗
• 多途径传输造成的多径衰落 • 敞开信道收到的各种干扰
– 同频 – 临近频道
• 移动接收中的多普勒频移和频谱色散
– 多普勒频移：由于发射机和接收机间的相对运 动，接收机接收到的信号频率与发射机发出的 信号频率之间的差值
• 色散信道（dispersive channel）分为时间色散信道和 频率色散信道 • 时间色散信道——当发射端发射一个极窄的脉冲信号 时，接收端接收到这个信号（经过不同路径传播的） 多个副本，在时间上展宽——就是多径了； • 频率色散信道——在多径环境中，发射端和接收端之 间存在相对运动， 并且/或者，该传播信道中有其它 运动的反射体、散射体，及障碍物等。由于多普勒效 应，各个路径的信号产生不同的（在非相关散射条件 下， 统计独立的）多普勒频移。接收天线处合成信 号的效果就是接收信号的频谱展宽了。如果发射的是 一个单频信号，就可以明显地看到接收信号的频谱变 化。
调制的目的： • 有效的发射电磁波
– 天线长度&信号波长相比拟（至少为1/10） – 话音频率300~3400Hz ~ 300km – 900MHz ~ 33cm
• 有效的利用频带 调制方式: • 调幅— 基带信号控制载波幅度 • 调频— 基带信号控制载波频率 • 调相— 基带信号控制载波相位
RF频带划分
无所不在的无线通信
人人用得起通信设备
不断发展的通信技术
Maxwell
• 1820年，Oersted(奥斯特)发现电流会产 生磁场； • 1831年，Faraday(法拉第)发现导线作切 割磁力线运动产生感应电流； • 1864年，Maxwell提出电磁场方程组， 预言电磁波存在； • 1887年，德国科学家赫兹的电磁波辐射 实验，辐射出1000MHz电磁波； • 1894年，O. Lodge(洛奇)发明粉末检波器， 在牛津检测到150码远发出的无线信号；
《射频微电子学》
课程简介
• 课程内容：研究通信系统中的射频集成电 路
• 课程目标：建立对射频系统的认识，熟练 掌握射频系统组成及相关电路的基本原理 • 授课时间：每周五3-5节（前8周） • 考核方法：平时+综述
课程基础
• • • • • 模拟电子线路 通信电子线路 半导体器件原理 信号与系统 电磁场理论
Berkeley Wireless Research Center
High-Performance Mixed-mode Circuit Design Group
Research Laboratory of Electronics & Integrated /~ Circuits donhee/ Analog & RF IC Design Research UCSD Radio Frequency Integrated Circuits Group UCSB High-Speed Silicon Lab High Speed Electronics Lab Stanford Microwave Integrated Circuits Laboratory /kin get_group/index.html /advisor.htm l /yuegroup /leadership.html /~hsel/ppl _mcfrankchang.html
– 多次变频
• • • •
本振信号应具有低的相位噪声 发射机必须严格限制带外衰减 发射机功率放大器具有高的功率增加效率（PAE） 低电压、低功耗
射频设计六边形
射频电路设计所需知识
• • • • • • • • Analog Circuit design Basic understanding of communication systems) Transmission line (On chip, On board) S-parameters, Smith chart Noise, linearity Implementing passive components on chip Analog/RF layout techniques Board design
Marconi
不断发展的通信技术
• • • • • 在一次大战中E. Armstrong发明超外差AM接收机； 1933年E. Armstrong发明FM； 1929年美国人Zworykin发明电视； 1933年英国BBC广播电视开通； 1947年Brattain, Bardeen, Shockley发明晶体管；
RFIC设计一般流程-Cont.
Specifications Identify Topology Options (Literature Search) Choose a Foundry Obtain Foundry’s Device Models and Design Rules Initial Simulations Choose Final Topology Stability Analysis (Amplifier Only) Temperature Analysis
W. SHOCKLEY
J. BARDEEN
W. H. BRATTAIN
不断发展的通信技术
• Kilby和Noyce 发明集成电路 • 1962年 Telstar I 卫星发射，转播欧、美之间电视 广播； • 1965年 发射商用通信卫星；
不断发展的通信技术
• 70年代初 Bell实验室R. Frenkiel等提出蜂窝式无线 移动通信网概念； • 1983年出现第一代商用蜂窝移动通信系统 • 目前第二代→第三代→三代后；
RFIC设计一般流程
Initial Layout Include all Layout Parasitic Elements in Topology Minimize Layout Area, Preserving Performance, the Art of the Trade Off Complete Final Layout Create Test Cells for Critical Circuit Blocks DRC at the Foundry Assemble the Reticle, Tapeout Mask-Making, Wafer Fabrication