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1、第1章 绪 论,1.1 微波电子线路的特点 1.2 移动通信系统 1.3 多普勒测速雷达,1.1 微波电子线路的特点 微波电子线路是微波无源元件和微波有源器件的有机结合。微波无源元件包括阻抗变换器、滤波器、隔离器、定向耦合器、环行桥、功率分配器、衰减器、移相器、谐振腔和负载等，在前修课程内我们已经学习了这些元件的原理和设计。微波有源器件主要包括各类微波半导体器件和微波电真空器件，这些器件往往需要直流偏置。 本课程的主要目标就是掌握有源器件的外特性及其功能，合理设计微波无源元件，从而充分发挥有源器件的电气功能。,微波技术的核心任务是构成发射机和接收机，实现功率的传输或信息的交换。电磁场理论是微波
2、技术的基础和解决问题的基本方法之一，但这并不是说所有的微波问题都要建立严格的电磁场方程。事实上，工程中能够精确求解或能进行数值计算的问题是极为有限的。在微波网络中，我们已经学到利用网络思想解决无源元件问题。对于有源电路，微波网络概念依然是行之有效的方法。此外，还要用到半导体知识、信号分析，这些都是模拟电路或高频电路的知识向微波领域的扩展，只是由于频率的提高，相应的半导体器件的结构和原理有很大不同而已。清楚了这些，微波电子线路的学习就比较容易了。,微波电子线路涉及到的半导体器件有二极管(包括肖特基势垒二极管、变容二极管、阶跃恢复二极管(SRD)、雪崩渡越时间二极管(IMPATT)、体效应二极管(
3、TED)、PIN二极管等)、三极管(包括双极结管(BJT)、场效应管(FET)、异质结管(HBT)、 高电子迁移率器件(HEMT)等)、多功能器件(包括单片微波集成电路(MMIC)、 数字射频器件(RFCMOS)等)。各类器件都是当今先进的科学技术在各个领域进展的集中表现。材料科学和工艺科学、微电子技术的不断进步，使得微波半导体器件的集成化程度越来越高。,在射频与微波频段，热门的器件有三种：双极结(Si或SiGe)、场效应(GaAs)和CMOS器件，就成本、性能、功率等方面考虑，各有特长，它们共同构成了千变万化的微波电子系统。其中让人们感受最深的是手机的外型轻巧和功能强大，RFCMOS技术使得
4、射频T/R电路和信号处理电路合为一体，无论是可靠性还是节电效果都大为改观; 而基站的功放要用GaAsFET或LDMOS 器件。可以想象，微波半导体还将继续不断进步，而不会停滞在一个水平上，这必将是微波技术工作者和微电子工作者共同努力的发展过程。,微波电子线路的基本功能模块包括微波振荡器(包括点频振荡器、频率合成器等)、微波放大器(包括用于接收机高放的低噪声放大器，用于发射机的功率放大器，用于对抗的 宽频带放大器等)、微波频率变换电路(包括用于接收机的混频器、检波器，用于发射机的上变频器、倍频器)、微波信号控制电路(包括微波开关、电调衰减器、微波限幅器、微波移相器)等。这些电路模块可以单独使用，
5、也可以集成为专门用途的微波组件。有了这些电路模块，就可以构成各类微波电子系统。,现已有许多商业软件应用于微波电子线路设计。成熟的计算公式、世界著名公司器件的参数模型、世界著名品牌的微带介质基板参数都作为软件的组成部分，方便实用，效率高。ANSOFT公司的DESIGNER和SERENADE、Agilent公司的ADS、AWR公司的MICROWAVE OFFICE、AGLEWARE公司的GENESYS等软件是世界公认的优秀微波电路设计软件。MATLAB和MATHCAD等数学计算工具也可用作微波电子线路的设计工具，并有相关配套软件包供选购使用。,可以看出，微波电子线路就是接收机和发射机组成部件，是决
6、定各类无线电系统性能的关键。软件更新和器件换代要求我们必须不断学习，才能跟随时代的脚步。建议大家经常阅读以下英文杂志，了解微波电路的最新动向：Microwave Journal、Microwave & RF、Microwave Product Digest(MPD)、Applied Microwave & Wireless。 这些杂志都可以在网上免费订阅电子版，十分方便。,下面给出常见的微波系统： (1) 无线通信系统：空间通信，远距离通信，无线对讲，蜂窝移动，个人通信系统，无线局域网，卫星通信，航空通信，航海通信，机车通信，业余无线电等。 (2) 雷达系统：航空雷达，航海雷达，飞行器雷达，防
7、撞雷达，气象雷达，成像雷达，警戒雷达，武器制导雷达，防盗雷达，警用雷达，高度表，距离表等。 (3) 导航系统：微波着陆系统(MLS)，GPS，无线信标，防撞系统，航空、航海自动驾驶等。 ,(4) 遥感：地球监测，污染监测，森林、农田、鱼汛监测，矿藏、沙漠、海洋、水资源监测，风、雪、冰监测，城市发展和规划等。 (5) 射频识别：保安，防盗，入口控制，产品检查，身份识别，自动验票等。 (6) 广电系统：调幅(AM)、调频(FM)广播，电视(TV)等。 (7) 汽车和高速公路：自动避让，路面告警，障碍监测，路车通信，交通管理，速度测量，智能高速路等。 (8) 传感器：潮湿度传感器，温度传感器，长度传
8、感器，探地传感器，机器人传感器等。,(9) 电子战系统：间谍卫星，辐射信号监测，行军与狙击等。 (10) 医学应用：磁共振成像，微波成像，微波理疗，加热催化，病房监管等。 (11) 空间研究：射电望远镜，外层空间探测等。 (12) 无线输电：空对空、地对空、空对地、地对地输送电能等。 微波电子线路的这些应用各有侧重，又有共性。下面以移动通信和多普勒测速雷达为例介绍其工作体制。,1.2 移动通信系统 1.2.1 移动通信体制 国际相关组织对移动通信体制有明确的规定，见表1-1。各国根据自己的实际情况可选择恰当的移动通信体制。我国两大运营商中国移动和中国联通使用的系统为GSM和CDMA。第三代移动
9、通信(3G)采用改进后的CDMA。我国各大城市流行的小灵通是PHS体制，而大灵通是CDMA体 制。3G牌照的呼之欲出将带动一场产业热潮。,表1-1 移动通信体制,移动通信技术从诞生到现在已经有100多年的历史了。1897年，马可尼在赫兹试验的基础上完成了一个固定站与一艘拖船之间的无线通信试验，证明了在移动体之间以无线方式进行通信的可行性。此后相当长的一段时间内，只在短波的几个频段上开发出了专用移动通信系统，并且通常只用于军队和政府部门。第二次世界大战期间，军事上的需求促进了无线电通信技术及其制造业的长足发展，同时也出现了许多新的理论和技术。二战结束后，移动通信技术从军用转向民用，移动通信网从专
10、用网向公用网过渡。 20世纪60年代中期，美国和德国推出了采用大区制的移动通信网，实现了无线频道的自动选择并能够自动接续到公用电话网。,大区制系统由于频率资源的原因，容量非常有限。为此，美国贝尔实验室及其他一些公司提出了蜂窝系统的概念和理论，蜂窝网(即所谓的小区制)，由于实现了频率资源的复用，因此可以大大提高系统的容量。直到20世纪70年代中期，随着半导体技术的成熟、大规模集成电路器件和微电子技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，移动通信系统的设备小型化问题逐步得以解决，这为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。贝尔实验室于1978年底推出AMPS(先进移动电话业务)，这是第一个真正意义上的具有随
11、时随地通信功能的大容量蜂窝移动通信系统，移动通信技术由此进入蓬勃发展的时期。,1983年，AMPS系统首次在芝加哥投入商用。英国于1985年开发出TACS(全地址通信系统)，并首先在伦敦投入使用。我国采用TACS标准的公用移动通信网于1987年建成并开通。AMPS和TACS等蜂窝移动通信系统通过频率复用显著增大了系统容量，网络的智能化实现了越区切换和漫游功能，扩大了用户的服务范围。由于采用的是模拟调制技术，这类蜂窝移动通信系统存在以下缺点：各系统间没有公共接口，手机不可能在国外使用; 难以开展数据承载业务; 安全保密性差，易被窃听和做“假机”; 频谱利用率低，无法适应大容量的需求。,随着超大规
12、模集成电路和低速语音编码技术的出现，数字通信技术表现出比模拟技术更突出的优越性，在移动通信领域出现了数字技术取代模拟技术的趋势。20世纪80年代出现了两种重要的数字移动通信体制：一种是以欧洲的GSM(全球移动通信系统)为代表的TDMA(时分多址)体制，另一种是以美国的IS-95系统为代表的CDMA(码分多址)体制。1991年，欧洲第一个GSM系统开通，1993年，我国第一个GSM系统开通。1995年，中国香港和美国的CDMA公用网开始投入商用，1998年，我国CDMA实验网开通。,以GSM系统和CDMA系统为代表的第二代移动通信系统经过10年多的发展，呈现出用户数量急剧增加的局面。与此同时，信
13、息技术的飞速发展对移动通信提出了更多的新业务需求，如图像、语音与数据业务相结合的多媒体业务和高速数据业务需求，而第二代移动通信系统因只能提供语音业务和低速数据业务，因此新一代移动通信系统的研究和发展就成为移动通信领域的热点。,3G(第三代移动通信系统)最初的研究工作始于1985年，当时ITU-R成立临时工作组，提出了未来公共陆地移动通信系统(FPLMTS)，实现了全球无缝漫游，并提供了多种业务。1996年，FPLMTS正式更名为IMT-2000。IMT-2000支持的网络称为第三代移动通信系统，它可以支持高达2 Mb/s的传输速率，并可提供多媒体业务和高速数据业务。第三代移动通信系统的标准化工
14、作已经基本完成，形成了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流标准。其中欧洲的WCDMA和美国的CDMA2000分别是在GSM和IS-95CDMA的基础上发展起来的，采用的是FDD(频分双工)模式，TD-SCDMA是由大唐电信代表中国提出的，采用了TDD(时分双工)模式。,3G发展至今经历了较快的演变过程。以 WCDMA为例，已经有R99、R4和R5等几个主要版本。其中，R99版本的无线接入部分采用CDMA技术，核心网在GSM电路域的基础上增加了分组域。从R99演进到R4版本的网络时，3G无线网络变化不大，主要是核心网发生了实体的改变，主要体现是引入了软交换的结构，即将原R99核
15、心网络中MSC的功能分为两个设备来实现：MSC Server(主要包括MSC的呼叫控制和移动控制部分，负责处理信令)和MGW(媒体网关)，进而实现控制与承载的分离。在R5版本的网络中，无线网络侧引入了高速下行分组接入HSDPA技术，核心网络在电路域和分组域的基础上增加了IP多媒体子系统。 ,3G网络采用了码分多址技术，具有频谱利用率高、抗干扰能力强和保密性好的特点。与GSM网络相比，两者有以下主要不同之处： (1) 影响网络覆盖的因素不同。GSM网络中能够建立和保持呼叫的用户数取决于是否有空闲的时隙，网络覆盖则取决于基站的高度和发射功率等因素，容量和覆盖之间没有必然的关系。而3G网络的覆盖、容
16、量和质量之间的关系是相互均衡的，3G网络的覆盖与干扰程度、系统负荷、应用业务密切相关。,(2) 网络中存在的无线干扰不同。在GSM网络中，需要考虑的是同频和邻频干扰。因此，频率规划是影响网络质量的重要因素。在3G网络中，采用码分多址，每个小区占用分配的整个频段，主要干扰是由相邻小区造成的，减少干扰就等于增加了容量和覆盖。因此，在3G网络中，需要通过高频次的功率控制来减少基站和终端不必要的功率发射来减少干扰。,(3) 提供的服务不同。3G网络采用了可变语音编码速率和软切换等技术，可以提供比GSM网络更优质的语音服务。GSM网络只能提供低速率的数据应用，3G网络可提供高达384 kb/s的数据速率
17、。带宽的增加不仅对第二代移动网络原有的业务有促进作用，而且产生了丰富多彩的新业务。流媒体业务和视频电话业务是3G网络除语音业务外最重要的基 本业务，根据市场需要还可以推出位置业务等多种增值业务。 目前，我国各大电信运营商和设备制造商都在密切关注3G技术的发展，相信在不久的将来，3G移动网络一定会给我们带来更加丰富多彩的信息服务。,1.2.2 分址方式 1. 频分多址 频分多址(FDMA)是指在模拟移动通信系统中，把系统频带分成很多频率信道，使得不同的用户同时进入一组不同的频率。一般地，两个相邻信道中心频率间隔为25 kHz，如图1-1所示。要提高通话容量，就要减小信道间隔或增加整机带宽。 FD
18、MA的优点：多用户同时进入给定频带; 通过减小信道间隔可以提高通话容量。 FDMA的缺点：信道间隔的减小导致通话质量的下降；要求每个信道频率准确度高；要求信道滤波器阻带特性好; 每个信道有一套发射机/接收机。,图 1-1 FDMA 示意图 (a) 信道间隔；(b) 时频关系,2. 时分多址 在时分多址(TDMA)系统中，所有用户使用同一个信道，这个信道足够宽，每个用户可以在非常短的时间间隙内使用整个信道，就通话速度而言，所有用户几乎是同时工作的，如图1-2所示。 TDMA的优点：大量用户同时使用一个特定频带；依据时间间隙的数量，一套发射机/接收机同时为多用户服务；发射机/接收机间歇工作节省电能
19、；减小对滤波器的要求。 TDMA的缺点：要求各用户的时间同步；要求处理器的能力强；要求采用宽带调制。,图 1-2 TDMA 示意图,3. 码分多址 在码分多址(CDMA)系统中，所有用户都可以在任何时候使用整个频带，依靠每个用户的特定编码来区分用户，如图1-3所示。 CDMA的优点：大量用户同时使用一个特定的信道；一个接收机能同时接收多个信号； 对滤波器的要求不高； 减少了系统的成本；可以为更多的用户提供服务。 CDMA的缺点：要求各用户的时间同步； 须在宽动态范围内快速控制发射机功率。,图 1-3 CDMA 示意图,1.2.3 蜂窝通信 如图1-4所示，GSM地面基站的设置就像蜂窝一样，每个
20、蜂窝内设置一个基站。由于基站设置布满整个区域，因此不需要太大的功率就能覆盖系统范围，开阔区域每个基站的传输距离为35 km。实际中每个基站的覆盖范围不一定是正六边形，图1-4中字母相同的基站工作频率也相同。,图 1-4 蜂窝移动通信系统 (a) 蜂窝示意；(b) 系统构成,1.2.4 WCDMA射频前端 CDMA体制是移动通信的发展方向。图1-5给出某款WCDMA手机射频电路的结构框图和可选用的微波电子器件。由图可以看出：整机的振荡信号由频率合成器产生，包括发射机/接收机本振和调制/解调本振；发射上变频和接收下变频；发射功率放大器用MMIC作驱动放大，用多芯片模块(MCM)作输出功放；接收机低
21、噪声放大器和接收混频器都是MMIC；收发开关是MMIC 单刀双掷开关；发射调制器和接收解调器均采用硅集成专用芯片。,图 1-5 WCDMA手机的射频电路,1.3 多普勒测速雷达 多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号频率将发生变化。这一物理现象首先在声学上由物理学家克里斯顿多普勒于1842年发现。1930年左右开始将这一规律运用到电磁波领域。 在多普勒测速雷达中，如果目标向着雷达运动，反射波的频率会增加；如果目标远离雷达运动，反射波的频率会降低。反射波频率的变化就是多普勒频率，这个频率含有目标运动速度的信息，如图1-6所示。,图 1-6 多普勒测速示意图,多普勒频率为
22、 式中：v为运动目标的速度；c为光速；f0为发射波频率。 因此，目标运动速度为,(1-1),(1-2),可见，只要测出多普勒频率就可以得出运动目标的速度。通常，测速雷达发射源为连续波工作。按照国际惯例，测速雷达的工作频率为10.5 GHz、24.15 GHz、35.5 GHz或76.5 GHz。 实际中，雷达与目标之间往往有一个夹角，如图1-7所示。故多普勒频率也可写为 如果目标与测速雷达垂直，则没有多普勒频率；如果目标与雷达是径向的，或者夹角很小(小于10)，则多普勒频率为式(1-1)所示。 ,(1-3),图 1-7 雷达与目标之间的夹角,图1-8是多普勒测速雷达的结构框图。微波源是体效应二极管(GUNN)点频振荡器(耿氏振荡器)，经过极化分离器到达喇叭发射出去，回波信号经过极化分离器到达混频器，中频信号就是多普勒频率，经过放大后送入数字信号处理器(DSP)，最后由显示器指示目标速度。,图 1-8 测速雷达结构框图,由式(1-1)可知，多普勒频率与微波发射源的频率有关。表1-2给出了两个发射频率下不同速度的多普勒频率。发射频率越高，多普勒频率越大。因此，目前流行的测速雷达的工作频段是Ku波段和毫米波段。,表1-2 发射频率与多普勒频率的关系,表1-3给出三种商品化多普勒测速雷达的主要电气指标，以供参考。,表1-3 多普勒测速雷达的主要电气指标,