电子系统设计与工程应用 课件 第6章 射频通道与天线.pptx

6.1概述

6.2电波传播与天线

6.3馈线

6.4信号隔离与射频滤波

6.5射频放大

6.6频率合成技术

6.7电磁兼容技术;6.1概述;在发射端,待发射的已调制中频信号需要经射频通道进一步处理,以形成射频信号由天线辐射。在接收端,天线感应的射频信号同样需经射频通道处理,以得到中频信号。射频通道与天线单元组成框图如图6.1所示,图(a)与图(b)分别表示收发分离与收发一体两种结构。;收发分离结构适用于单工通信,收发一体结构适用于双工通信。相比于收发分离结构,收发一体结构为了降低实现成本,通常接收与发射共用一副天线,发射信号与接收信号采用双工器实现隔离。同时,为了减小发射大功率信号对接收微弱射频信号的影响,采用频分双工(FDD)工作体制,即发射的射频信号与接收的射频信号的射频频率存在一个固定的频率差。如日常使用的手机就是一种收发一体频分双工通信设备。

无论是收发分离结构还是收发一体结构,其射频通道与天线部分的组成都是极其相似的。在发射端,已调制中频信号经再次混频,将中频信号变换成容易传输的射频信号,射频频率或工作波道由受频率控制字控制的、频率合成单元输出的本振信号频率决定。射频信号经滤波放大以及功率放大后,由馈线送到天线向外辐射。选择馈线时应尽量选择对射频信号衰减小的馈线,馈线既可以是射频电缆,也可以是波导,由射频频率决定。在接收端,天线感应的微弱射频信号经馈线送到带通滤波器,或经双工器后送到带通滤波器,然后由低噪声前置放大器对信号进行适量放大。;当天线与接收设备较远、馈线较长时,有时先对信号进行放大,然后经馈线送到设备前端,以抵消馈线对射频信号的损耗。前置放大后的信号再经主放大器放大,送到混频器,将信号的中心频率由射频搬移到中频,并经滤波、放大处理后送到中频单元。频率控制字与接收信号的射频频率或工作波道对应,以保证工作在不同波道时,混频器输出的中频频率固定。;6.2电波传播与天线;对于一个电子系统来说,工作频率不同,则电波传播方式、衰减特性、天线尺寸以及系统覆盖区域都存在很大差异。设计电子系统的工作频率时必须掌握这些知识。

在真空中,???有的无线电信号,不管它的频率是多少,都以光速直线传播。但是,地球周围的空间并不是真空,而是大气和电离层。无线电信号在这样的介质中传播,其传播特性则与它们的频率有着密切的关系。

6.2.1无线电频段的划分

无线电频率一般认为是从3kHz到300GHz的范围。为了方便对不同频率无线电信号的传播特性进行描述,通常又将这个范围划分为若干个频段,如表6.1所示。不同频段电波传播特性差别很大。

在较高的频段上,经常采用如表6.2所示的频段划分。这种划分与标准的波导尺寸有关,使用也比较广泛。;6.2.2无线电信号的传播特性

发射天线产生的无线电波,通过自然条件下的媒质或真空到达接收天线的过程,称为无线电波的传播,它是一种电磁能量的传播。当电磁波在电导率为零、相对介电常数和相对磁导率都恒为1的各向同性、均匀无耗介质的自由空间传播时,只有直线传播的扩散损耗,传播速度等于真空中的光速。但是电磁波实际传播空间并不是真空,而是存在着各种各样的媒质,并且这些媒质的电磁参数具有明显的不均匀性和随机性,使得通过它们的电磁波的传播特性会发生随机变化,产生反射、折射、散射、绕射、色散和吸收等现象,并可能引起无线电信号的畸变。实际传播媒质对电波信号传播的???响,主要表现在传输的吸收性损耗、相速变化、传播方向的改变、干扰和噪声等方面。

电波传播特性不仅与媒质的结构特性有关,而且与电波的特征参数(如频率、极化方式等)有关。下面针对无线电定位系统中使用的三种电波传播方式讨论无线电信号的传播特性。;1.地波传播

电波沿地球表面的传播称为地波传播或表面波传播。这种传播方式主要发生在VLF、LF、MF频段。长波、超长波沿地面传播的能力最强,传波距离可达几千到上万公里;中波可以沿地面传播几百公里;短波的地波传播距离更近,从几十到一百公里左右;超短波和微波沿地面传播的能力就更差了。沿地球表面传播的电磁波,由于地表面的吸收、损耗,所接收的功率已经不像在自由空间那样与距离平方成反比,而是与距离的四次方近似成反比。

地波传播受地表面传播路径上的电导率和介电常数的影响很大,关系也很复杂。但地表面的电参数随时间的变化一般较小,而且很慢,同时,它受太阳照射条件变化的影响也很小,因此,地波传播稳定可靠,波长越长,这个优点越突出。采用地波传播作为主要传播方式的无线电系统的缺点为:

(1)很难建设一个接近半个波长的垂直发射天线,辐射效率很低。

(2)由雷电产生的大气噪声比接收机内部噪声大得多,从而影响系统作用距离。

(3)电波沿地表面的传播速度不像在自由空间那样完全是常数,而是对系统与传播速度有关的性能指标会产生不利影响。;2.天波