一篇文章快速瞭解【無線電波如何傳播】射頻篇

筆記內容來源於《實戰無線通信應知應會》在本書的第二篇中,該篇筆記總結了無線通信的最基礎知識--無線電波是如何在射頻器件的傳播。

導言

“事善能,動善時”。電磁波最大優點是能通過幅值、相位、頻率三者的變化來攜帶信息。而我們利用電磁波傳送信息時,要選擇良好的無線環境,通過了解其在不同環境的一般傳播規律,我們可以有效的規避各種干擾從而增大有用信號。電磁波在自由空間中可以叫無線電波,而電磁波在器件中傳送則稱爲射頻。兩者不同點是:自然空間中無線電波具有一般傳播規律,但是無線電波在有形器件裏發射、傳送、接收又是講究另一套傳播規律。但相同的是:射頻器件和在自由空間的無線電波一樣在完成其特定功能的同時,會引入各種各樣的噪聲。

本節閱讀探討的問題:

1、在射頻器件裏傳送無線電波,幅值、頻率、相位的變化規律是怎麼樣的?對其衡量的指標又有哪一些?

2、在選擇和使用射頻器件時我們應注意什麼?如何有效地克服干擾、增大有用信號?

 

一、關於射頻

射頻是什麼?

射頻就是比較容易發射出去的高頻交變電波,頻率範圍爲300kHz~30GHz。接收和發送射頻信號的器件叫做射頻器件,如放大器、接收機、饋線等。

怎麼進行射頻有線傳輸?

無線電波在射頻傳輸線纜中傳輸之前,需要經過調製後變成高頻無線電波。然後,射頻線纜通過與天線相連接,向空中發射出去無線電波或從空中接收下來無線電波。

射頻電路有什麼特別之處?

射頻電路一般由接收機射頻處理單元、發射機射頻處理單元和頻率合成單元組成。

射頻電路的最大特點是在射頻頻段內,導線的電阻、電感或電容的特性都會變得相當複雜,有時完全喪失其原有特性。在射頻頻段內電阻可以表現出電感和電容的特性。

PS:電容所表現出來的也不僅僅是電容特性,它同樣有一定的電阻和電感;一個導線繞成的電感中除有一定的電感外,導線上還存在着電阻,一圈圈導線之間還有電容。因此,在設計射頻器件的時候,一定要考慮射頻頻段對元器件特性的影響,從而保證射頻器件工作穩定可靠。

1、趨膚效應,解釋一下唄?

  • 舉例

好比農村的土路上中間積滿了水,大家只好沿着路邊排隊通過,路邊緣處行人密度高,路中間處行人密度低。

而作爲射頻來說,交流電就好比行人,導體就相當於與道路(只不過道路是平面的,導體是立體的)。那導體的外表面就相當於道路邊緣,導體的中心就相當於道路的中間。

  • 分析

從一個導體的橫截面看,導體中心的感抗對交流電的阻礙作用比外層或表面大很多。因此,交流電通過導體時,各部分的電流密度是不均勻的,導體表面電流密度大減少了截面積,增大了損耗),而導體中心的電流密度小,這種現象稱爲趨膚效應。交流電的頻率越高,趨膚效應越顯著;頻率高到一定程度,可以認爲電流完全從導體表面流過。

  • 實際應用

在實際應用中,用空心導線代替實心導線,可節約材料;在高頻電路中,使用多股相互絕緣的細導線編織成束,來削弱趨膚效應的影響。

 

2、峯均比、峯值因子——貧富差距有多大

  • 舉例

若研究全國各自然村富翁的財富分佈情況來說明不同省份的經濟發展水平,可以用峯均比的概念,即最有錢的村富翁的財富和所有村富翁財富的平均值相比。也就是說,峯均比指出是xxx峯值和xxx均值的比,單位是比值或比值的dB表達式。

  • 分析

無線信號從時域上觀測是幅度不斷變化的正弦波,幅度並不恆定,一個週期內的信號幅度峯值和其他週期內的幅度峯值是不一樣的,因此每個週期的平均功率和峯值功率是不一樣的,所以峯均比要考察在一個較長的時間內。

峯值功率也並不是某一最大值而是一定概率的較大值的集合,通常取值爲0.01%。在這個概率下的峯值功率跟系統總的平均功率的比就是峯均比(PAR)。

在概率爲0.01%處的PAR,一般稱爲峯值因子(Crest Factor,CF)。

  • 理解

(1)功率的峯均比約爲電壓峯均比的平方(從量級上看),PAR一般是指功率的峯均比,但也有書上把它當做電壓的峯均比來用。

(2)如果功率幅值隨時間沒有變化,即“包絡的最大值”與“包絡的平均值”處處相等,那麼“恆包絡”信號的峯均比爲1或者是0dB。

(3)如果只考慮一個週期的無線信號純正弦波,功率峯均比就是2,即3dB;而其電壓的峯值因子(CF)就是功率峯均比的平方根,即1.414,也就是1.5dB。

(4)調製技術、多載波技術都可能帶來較大的峯均比會影響很多射頻器件的應用效率。抑制過大的峯均比是在設計和使用射頻器件時必須考慮的。

 

二、噪聲,你瞭解多少?

往來汽車的滴滴聲(人類之外的噪聲、人羣的嘈雜聲(人類的噪聲),都是人們正常交流時可碰到的聲波噪聲。這些噪聲隨着環境的不同,噪聲大小不同,影響程度也不同,我們無法對特定時刻某個具體噪聲的大小進行預測,但它有一定的統計規律。

1、白噪聲、高斯白噪聲、噪聲譜密度

白噪聲是指功率譜密度爲常數、能量在整個頻域內均勻分佈的隨機信號或隨機過程。理想白噪聲的帶寬無限大,因而其能量也無限大,這在現實世界中是不可能存在的,只是爲了讓我們在數學分析上更加方便。

高斯白噪聲:如果一個噪聲,它的幅度分佈服從高斯分佈,而它的功率譜密度又是均勻分佈的,則稱之爲高斯白噪聲。

兩個正交高斯噪聲信號之和的包絡服從瑞利分佈

單位帶寬內分佈的噪聲功率稱爲噪聲譜密度。由於高斯白噪聲的功率譜密度是均勻分佈的,理論上在無限帶寬範圍內的噪聲功率是無窮大的,但幸好一切接收設備都只能接收一定帶寬範圍內的噪聲,否則這些設備都會被噪聲衝擊而喪失功能。

2、相位噪聲

相位噪聲就是指系統(如各種射頻器件)在各種噪聲的作用下引起的系統輸出信號相位的隨機變化,正如航班因爲天氣的變化無法正常起飛或降落進而導致之後的航班安排的混亂。

描述無線電波的三要素是幅度、頻率、相位。頻率和相位相互影響。理想情況下,固定頻率的無線信號波動週期是固定的,正如飛機的正常航班一樣,起飛時間是固定的。頻域內的一個脈衝信號(頻譜寬度接近0)在時域內是一定頻率的正弦波。

正如延誤的航班可能擠佔其他航班的時間使航班安排變得混亂,偏離中心頻率很遠處的信號(邊帶信號)可能會被擠到相鄰的頻率中去。這個邊帶信號就叫做相位噪聲。

如何描述相位噪聲的大小呢?在偏移中心頻率一定範圍內,單位帶寬內的功率與總信號功率的比。好比評估某一天天氣對航班的影響,定義晚點1小時以上的航班和航班總數的比例,當然這個比例越小越好。射頻器件系統內的熱噪聲可能導致相位噪聲的產生。

相位噪聲的大小可以反映出射頻器件的優劣。在設計和使用射頻器件時,要注意射頻器件對相位噪聲的抑制能力。相位噪聲越小,射頻器件越好。

3、信噪比

  • 說明

無線通信領域的信噪比,簡單地說,就是有用信號和噪聲(主要是加性噪聲)的功率之比,就好比我們所說的性價比一樣,通常以SNR表示。有用信號的可靠傳送是我們想要獲得的好處;有用信號在傳輸的過程中,必然會引入各種噪聲(最起碼的會有熱噪聲)。

  • 理解:

(1)在不考慮成本的前提下,信噪比越大越好。
(2)有用信號↑、干擾和噪聲↓,信噪比↑。
(3)在極少的應用場合中(如相機、MP3等),以有用信號和噪聲的電壓之比表示信噪比。

4、噪聲係數

射頻器件的噪聲係數=輸入端信噪比與輸出端信噪比之比。

        NF=10lg(\frac{SNR_{in} }{SNR_{out} } )

噪聲係數可以衡量接收機、放大器等射頻器件的射頻(RF)性能。它表示經過射頻器件後,信號有用功率的相對損失和噪聲功率的相對放大。

5、加性噪聲

不管有沒有有用信號,加性噪聲始終存在於射頻器件中,或多或少地影響着正常通信的質量。

一般通信中把隨機的加性噪聲看成是系統的背景噪聲。內部熱噪聲由電子器件不規則的熱運動引起,在數學上可以用隨機過程來描述,又可稱爲隨機噪聲。可通過保證通風條件,降低環境溫度來降低干擾。

 

6、乘性噪聲

  • 引言

在相互聯繫的複雜系統中,一個微小的初始輸入信號的差別,可能引發一系列連鎖反應;這些連鎖反應超出了系統的線性工作範圍,導致巨大的輸出問題。這個現象類似蝴蝶效應或者是多米諾骨牌效應。

  • 理解

乘性噪聲是由於無線環境的不理想或者射頻器件的非線性,伴隨着無線信號的接收和傳送過程而產生的噪聲。這種噪聲與信號的關係是相輔相成的,有信號就有它,沒有信號它也就不存在了。

在射頻器件非線性範圍內無線信號的微小變化,可能導致巨大的信息失真。提高射頻器件的線性程度,避免射頻器件工作在非線性範圍,可以減弱乘性噪聲的影響。

 

三、失真

失真,就是失去真實。信號經過射頻收發通道的時候,由於有加性噪聲和乘性噪聲引入,或多或少會對所傳信號有一定程度的歪曲,這種情況就是無線信號的失真。

無線信號的失真可分爲線性失真和非線性失真。

1、線性失真

線性失真可以分爲線性幅度失真和線性相位失真,是由該電路的線性電抗元件對不同頻率的響應不同而引起的,所以叫線性失真。由於是射頻器件對不同頻率的信號處理結果上的偏差,又叫頻率失真。線性失真主要是由濾波器等無源器件產生的。

2、非線性失真

非線性失真也可以分成非線性幅度失真和非線性相位失真。非線性失真主要是由一些放大器、混頻器等有源器件產生的。非線性失真產生了新的諧波成分,改變了原來的信號頻譜。

在設計和選擇有源射頻器件的時候,常用的衡量非線性幅度失真的指標有1dB壓縮點、三階交調、三階截止點等,這些指標都表明系統遠離了線性工作範圍,進入了器件的飽和區,會產生較大的信號失真。

3、1dB壓縮點

當輸入信號較小時,在射頻放大器的線性工作範圍內,輸出信號與輸入信號可以保證線性關係。輸入信號的幅度增加1dB(即26%)時,輸出也相應增加1dB。但是進入了放大器的飽和區,開始了非線性幅度失真,即輸入電平增加1dB,輸出將增加不到1dB,輸出增加值開始減少。在某一點的實際輸出值比理想的仍然線性增長時的值減少了26%(即1dB),這一點叫做1dB壓縮點(這一點在射頻器件中表示爲P1dB點),

4、放大器功率回退

就如同水桶水位不斷增加。放大器的輸入和輸出關係就像注水和水桶水位之間關係一樣,有一個線性動態範圍,在這個範圍內,放大器的輸出功率隨輸入功率的增加而線性增加。放大器超出線性範圍進入飽和區,當放大器工作在1dB壓縮點時輸入一波動,輸出就容易失真很多(就像水桶滿了一樣,水桶滿了一晃動水就容易溢出)。

水桶不能裝太滿,同樣的道理,放大器的工作範圍要遠離1dB壓縮點,遠離飽和區,這就是放大器的功率回退。一般要求輸出功率比1dB壓縮點回退6~10dB,使功率放大器能可靠地工作在線性區域。

5、三階交調

一般射頻器件的接觸不好、器件老化,都可能引起器件的非線性。交調從字面上理解就是相互(兩個及兩個以上)影響,交調產物就是互相影響的產物。兩個或兩個以上頻率的無線電波在非線性射頻器件中傳播時,或者在空中傳播碰上金屬物體的時候,可能產生其他頻率的交調幹擾信號,就像恐慌的傳遞一樣,羣鹿的驚慌傳到了羊羣(三階交調),但是恐慌程度可能降低,羊羣的恐慌傳到小鳥(五階交調),恐慌的程度又有所降低。

交調幹擾信號有三階、五階、七階或者更多階的分量,但是三階交調分量最大。三階交調是用來衡量射頻器件非線性的重要指標 = 交調產物與主輸出信號的比,單位是dBc。在選擇射頻器件時,三階交調指標的絕對值越大越好。

6、三階截止點

一個射頻器件,當輸入信號增加到主輸出信號和輸出的三階交調產物幅度相等時,交調產物將會嚴重影響主信號的質量,這一點稱爲三階截止點。工作時往往遠離三階截止點。

 

四、收發射頻指標

怎樣衡量無線通信系統“說、聽”的能力呢?

收發好比我們的“說”和“聽”。

說,就相當於無線通信系統的“發射”,從發射的角度看,儘量發射信道帶寬範圍內的信號。衡量發射機帶內輻射能力、帶外抑制能力的主要指標就是鄰道泄漏比和雜散輻射。

聽,就相當於無線通信系統的“接收”,從接收機的角度看,儘量接收信道帶寬範圍內的信號。衡量接收機帶內接收能力、帶外響應抑制能力的主要指標就是接收靈敏度和雜散響應。

1、鄰道泄漏比

鄰道泄漏是用來衡量射頻器件主工作頻率外的信道的影響特性,或稱帶外輻射特性,就像一年級學生的嘈雜聲可能會影響到二年級一樣。鄰道泄漏比(ACLR)就是泄漏在鄰道的功率與主信道功率之比,通常用dBc表示,其值越大,表明主信道功率比泄漏在鄰道的功率大得越多,說明對鄰道的影響越小。

2、雜散輻射

在發射無線信號的過程中,產生了很多非規定頻率範圍內的信號,即發生了雜散輻射,就像探照燈照到了旁邊的生活小區。射頻發信機發射了非自己頻率範圍內的信號,就可能對其他通信系統造成干擾,就像工地的探照燈影響了旁邊小區居民休息一樣。

雜散輻射可能是一些非線性元器件產生的諧波分量、交調信號等。爲了防止一個系統的雜散輻射對其他無線通信系統造成干擾,需要提高系統的電磁兼容性能。

 

3、接收靈敏度

接收靈敏度就是接收機能夠正確地把有用信號拿出來的最小信號接收功率。它和3個因素有關係,即帶寬範圍內的熱噪聲、系統的噪聲係數、系統把有用信號拿出所需要的最小信噪比。

要想讓接收機“聽清楚”發射機“說的話”,信號電平強度一定要大於接收機的接收靈敏度S。當然接收靈敏度S越小,說明接收機的接收性能越好;接收靈敏度S越大,說明接收機的接收性能越差。

4、雜散響應

雜散響應也稱寄生響應,就是在接收機中產生的,和接收到的有用信號頻率相近的、系統無法濾除的干擾信號。

從系統接收的角度看,由於環境的帶外干擾太大,且本身的抗雜散響應能力弱,就會引起系統接收性能變差。

五、傳輸線相關——後勤線上的困惑

1、行波、駐波、行駐波——部隊前行

什麼是行波?

行波就是行動的無線電波。無線電波在空氣或者射頻器件中傳播時其波形不斷向前推進,其能量隨波的傳播而不斷向前傳遞,傳播介質的任何一處,通過的平均能量不爲零,就像不斷前行的隊伍一樣。

什麼是駐波?

駐波就是不再繼續推進的無線電波,雖然電波上的任何一點都在上下震動,但波形沒有傳播出去,就像原地踏步的隊伍不再前進一樣。兩列波(如入射波與反射波)振幅和頻率相同、傳播方向相反,疊加後波形不向前推進,就是駐波。

什麼是行駐波?

傳輸線在阻抗不匹配的情況下,同時存在入射波和反射波,就像有前進、有返回的隊伍一樣。反射波的振幅小於入射波,入射波和反射波相疊加,形成的合成波叫行駐波。

2、傳輸線、饋線——後勤補給線

射頻傳輸線是用來傳輸無線電波能量的導線,是射頻器件之間的連接器。

天線和基站機頂口之間的主要傳輸線,稱爲饋線(Feeder)。

爲了匹配射頻器件(主要是基站和天線)的接入端口,連接在饋線和射頻器件端口之間幾米內的傳輸線,稱爲跳線(Jumper)。

3、阻抗匹配

特性阻抗?

特性阻抗,是射頻傳輸線影響無線電波電壓、電流的幅值和相位變化的固有特性,等於各處的電壓與電流的比值,用Zo表示。在射頻電路中,電阻、電容、電感都會阻礙交變電流的流動,合稱阻抗。電阻是吸收電磁能量的,理想電容和電感不消耗電磁能量。

什麼是阻抗匹配?

傳輸線和射頻器件相連的時候,要求二者阻抗匹配。阻抗匹配就是在分界處只有入射波,沒有反射波;也就是傳輸線和射頻器件在無線電波傳送時如同沒有分界面一樣,正如左手使用左手剪刀,雖然是兩個事物在一起,感覺上沒有任何不適。

那麼,什麼情況下,阻抗匹配呢?

傳輸線所接射頻器件的阻抗Z1等於傳輸線的特性阻抗Z0時,就是阻抗匹配了。匹配時,能夠保證傳輸線的下一級射頻器件得到全部的信號功率,而沒有損失。

在選擇射頻器件的時候,一定要看各器件的特徵阻抗是否匹配。衡量阻抗匹配程度的參量有反射係數、回波損耗、反射損耗、駐波比、行波係數,等等。

4、反射係數

電壓反射係數就是指反射波電壓和入射波電壓幅度之比。

在射頻器件安裝調試的時候,我們希望器件的連接處儘量沒有反射,即反射係數接近0,這樣無線電波在器件的連接處就可以全部傳送過去,沒有反射損耗。

5、駐波比、行波係數——高速公路上的車速比

在射頻系統傳送的無線電波,我們總是希望駐波越小越好,行波越大越好。

  • 反映駐波大小的是駐波比。駐波比越大,駐波所佔的比例越大,系統無線電波的傳送問題就越大;
  • 反映行波大小的是行波係數,行波係數越大,行波所佔的比例越大,系統無線電波傳送就越順暢。

駐波比用來描述阻抗的匹配情況,駐波比越大,說明無線信號的傳輸效果越差。駐波比的倒數可以稱爲行波係數。

在無線通信工程中,駐波比是衡量傳輸線和射頻器件之間阻抗匹配程度的重要指標,有專門的駐波比測試儀,一般要求駐波比小於1.5,當然越接近1越好。

6、回波損耗

回波損耗是傳輸線端口的反射波功率與入射波功率之比,以對數形式來表示,單位是dB,一般是負值,其絕對值可以稱爲反射損耗。

  • 反射係數是反射波和入射波電壓之比;
  • 回波損耗是反射波和入射波的功率之比。

7、衰減係數——新疆的坎兒井

衰減係數:單位長度產生的損耗大小。

應用

爲了使傳輸線損耗控制在合理範圍內,工程上應該合理選用傳輸線的類型,儘量減少傳輸線使用的長度。通過合理的信號轉換,用光纖來代替射頻傳輸線傳送無線信號,就會大大減少衰減;光纖可以稱爲無線信號的“坎兒井”,使信號傳得更遠,損耗更小。

8、傳播常數——睡眠質量越來越差

傳播常數是指行波每經過單位長度的傳輸線,振幅和相位的變化。

六、干擾——我上網聊會兒天再說

無線通信的干擾是指對無線信號接收質量有影響的一切因素,它包括各種噪聲的影響,但不只是噪聲的影響,可能是其他無線系統的影響,也有可能是系統工作頻率範圍內的同頻或異頻信號對一個信號的影響。

1、雜散干擾——孟子遷離墓地

雜散干擾是一個系統頻段外的雜散輻射落入到另外一個系統的接收頻段內造成的干擾,就像墓地嚎哭的聲音(雜散干擾)對小孟子(接收方)的影響。雜散干擾直接影響了系統的接收靈敏度,要想減弱雜散干擾的影響,要麼在發射機上過濾干擾(在墓地周圍圍上一堵牆),要麼遠離干擾(搬離此地)。

雜散干擾是由發射機產生的,包括功放產生和放大的熱噪聲、系統的互調產物,以及接收頻率範圍內收到的其他干擾。

2、阻塞干擾——小貓躲了起來

阻塞干擾是指接收機接收到帶外的強幹擾信號後,突然進入飽和區,導致信號嚴重失真。

而克服阻塞干擾,需要增加接收機對工作頻率範圍外信號的抑制能力(即增加帶外抑制度)。

3、接收互調幹擾

接收互調幹擾就是頻率不同的兩個或多個干擾信號同時進入接收機,由於接收機自身的非線性而產生的互調產物,正好落在了接收機的工作頻帶範圍內,對系統造成的干擾。

4、發射互調幹擾

發射互調幹擾是指由發射端產生的互調信號傳到接收機,正好落在了接收機的工作頻帶內,對接收機的性能造成了影響。

有兩種情況:

  • 一種情況,由於發射機輸出端的非線性,一個強信號從發射機的輸出端經過一些頻率的變化又返回到發射機時,會與發射機的發射信號一起產生互調產物;
  • 另外一種情況,當不同頻率的兩個或多個強信號同時作用在發射端的某個金屬上時,由於金屬的非線性產生了互調產物。

 

5、隔離度——孟母三遷的目的

隔離度就是爲了儘量減少各種干擾對接收機的影響所採取的抑制干擾措施。通常有幾種措施,最重要的就是增加空間隔離度,增加空間的距離或者避免方向上和干擾源面對面;再次就是在發射端增加濾波器或者在接收端干擾來的方向上加金屬隔離網做屏蔽。

6、雜散抑制——偉人在大街上讀書

雜散抑制能力是指接收端在接收頻帶內抑制干擾、提取有用信號的能力,雜散抑制水平是衡量接收機抗干擾能力的指標。

7、阻塞抑制——集中注意力

阻塞抑制水平用來衡量接收機對接收頻率範圍外干擾的抑制能力。提高接收機的線性度,可以增強阻塞抑制能力。

8、互調抑制——不要想入非非

互調抑制是指接收機在工作時對發射互調和接收互調的抑制能力。同時有兩個干擾信號進入接收機,它們的3階交調產物正好落在帶內就是互調幹擾。提高接收機的線性度、提高3階截止點、避免金屬物體的近距離阻擋,可以增加互調抑制能力。

 

七、射頻系統

射頻系統由射頻接收、射頻發射兩部分組成。射頻接收電路的典型功能是完成接收信號的濾波、信號放大、解調等功能。射頻發射電路的典型功能是完成基帶信號的調製、變頻、功率放大等功能。

1、發信機、接收機

  • 發信機是什麼?

無線電波的發信機主要由發信源、功率放大器和頻率源3大部分組成。

發信源的作用主要是調製;

頻率源是爲調製器和上變頻器提供合乎頻率要求的振動信號;

功率放大器將發信源輸入的信號放大到所需的功率電平,具有功率控制的功能。

發信機最核心的功能就是提供一定頻率、一定功率的無線電波,用以承載無線信號。

  • 接收機是什麼?

無線電波是通過天線和饋線傳到接收機上的,就好像人類的耳朵和外耳道接收聲波信號一樣。無線電波的接收機主要由濾波器、功率放大器(或低噪聲功率放大器)、解調器組成。

濾波和放大功能也是人類聽覺系統所具有的功能,解調的功能類似大腦對聽到的聲音進行理解的功能。

噪聲係數與靈敏度用於描述接收機對微弱信號的接收能力

2、功率、電平

功率的表述常用於日常電路域,電平的說法常用在無線電通信領域。電平就是射頻電路中電量的水平,一般將倍數轉化爲對數來表示。常用的電平是指功率的對數,以dBm爲單位。功率和電平二者可以說是同一個事物,但用的場合不同。

3、功放——鼓風機送風大小的調節

功率放大器,簡稱“功放”,但它放大的不是功率,也不是憑空產生了功率,因爲能量不能憑空產生;功放放大了輸入信號的變化,功放的輸出功率的變化成倍地放大或反映了無線信號輸入功率的變化。

功放的輸出功率來源於功放本身的工作耗能,由工作電壓和工作電流決定。功率放大器只是在輸入和輸出之間起到“反映、傳遞信息”的樞紐作用,就像鼓風機送風的大小和火車運行速度的關係一樣。

功率放大器的本質是利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用使輸出信號功率隨輸入信號的規律變化。小信號注入基極,則集電極流過的電流等於基極電流的b倍。經過若干級的電流及電壓放大,就完成了功率放大。

4、功放增益

功放的增益是表徵放大器信號放大能力的一種參數,就是輸出信號與輸入信號功率之比。

5、低噪放——得到的信息儘量真實

低噪放,顧名思義,就是噪聲係數很低的放大器,一般用於接收機的高頻或中頻前置放大電路。低噪放的成本一般比同等條件下(除噪聲係數外的其他要求相同)的放大器要大一些,因此一般應用在接收端便可,而不用於發射端。因爲在接收端,需要放大微弱信號,減少放大器自身引入的噪聲,提高輸出信號的信噪比,從而提高接收靈敏度。

理想低噪放的噪聲係數是0dB,其物理意義是輸出信噪比等於輸入信噪比。

6、混頻器、變頻器——追趕呼嘯而過的火車

混頻器(或變頻器)的作用是將無線信號頻率由一個值變換爲另一個值,起到頻譜搬移的作用。混頻器的作用類似於上例中馬的作用,只不過一個是變頻,另一個是變速。如果說馬是速度中介,混頻器則是頻率中介,其振盪頻率可以稱爲本振頻率。對無線信號進行擴頻、調製等處理工作是在低頻段下進行的,然後再將處理好的信號上變頻到高頻段發射出去;或將接收到的射頻信號下變頻到低頻段,再做解調、解擴等信號處理工作。混頻器在中頻範圍內進行信號放大,工作線性範圍較爲穩定,接收機的靈敏度可以提高。

7、濾波器——身高大於180cm的學生去打籃球

濾波器是對特定頻率的無線信號有選擇和消除作用的射頻器件,讓有用信號儘可能無衰減地通過,對無用信號儘可能大地進行衰減。

濾波器選擇的頻率範圍稱爲通帶,濾波器抑制的頻率範圍稱爲阻帶。

按對頻率的選擇性可將濾波器分爲低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器

8、振盪器——舞動的節奏

振盪器就是一個頻率源,其功能是把直流電“振盪”起來使之成爲交流電,就像節奏感強的音樂可以讓不同的人按音樂節奏舞動一樣。振盪器是將直流電轉換爲具有一定頻率的交流電的能量轉換裝置,是收發設備的基礎電路。

9、鑑相器——舞蹈教練

所謂鑑相器,就是指鑑別相位的射頻器件,又叫相位比較器,是輸入信號、反饋信號之間的相位差與其輸出電壓有確定關係的電路,鑑相器是鎖相環的基本部件之一。

10、鎖相環—保證車行駛在正道上

鎖相環,顧名思義,就是鎖定相位的環路。學過自動控制原理的人都知道,這是一種典型的反饋控制電路,利用外部輸入的參考信號控制環路內部振盪信號的頻率和相位,實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤,一般用於閉環跟蹤電路。

鎖相環通常由鑑相器、濾波器和壓控振盪器3部分組成前向通路,由分頻器組成頻率相位的反饋通路。

鎖相環的工作原理是檢測輸入信號和輸出信號的相位差,並將檢測出的相位差信號通過鑑相器轉換成電壓信號輸出,經低通濾波器濾波後形成壓控振盪器的控制電壓,對振盪器輸出信號的頻率實施控制,再通過反饋通路把振盪器輸出信號的頻率、相位反饋到鑑相器。

鎖相環在工作過程中,當輸出信號的頻率成比例地反映輸入信號的頻率時,輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值,這樣輸出電壓與輸入電壓的相位就被鎖住了。

11、插損——旅遊使小明記憶的單詞損失一半

插入損耗(簡稱插損)是指當電路中接入某一無源射頻器件後所引起的功率損耗。

插損(dB)=器件輸出電平(dBm)一器件輸入電平(dBm)

12、合路器——涇渭分明

合路器一般用於發射端,其作用是將兩路或者多路從不同發射機發出的射頻信號合爲一路送到天線發射的射頻器件,同時避免各個端口信號之間的相互影響。

13、功分器——一分爲二澆水法

功分器是實現無線信號等功率分配的射頻器件。二功分器一般有一個輸入口和兩個輸出口;三功分器則有一個輸入口和3個輸出口。

14、耦合器——從主幹水道上獲得一小部分水流

耦合器是從無線信號主幹通道中提取出一小部分信號的射頻器件,與功分器一樣都屬於功率分配器件,不同的是耦合器是不等功率的分配器件。耦合器與功分器搭配使用,主要爲了達到一個目標——使信號源的發射功率能夠儘量平均分配到室內分佈系統的各個天線口,使每個天線口的發射功率基本相同。

15、衰減器——用來減速的沙子路

衰減器就是射頻電路中用來減弱無線信號功率的二端口射頻器件。衰減器完全由電阻元件組成,在工作頻段範圍內相位偏移爲零,其衰減特性和特性阻抗均與頻率無關。

主要用途是減弱電路中信號大小、改善阻抗匹配性能。衰減器的技術指標包括工作頻帶(工作頻段範圍)、回波損耗(衡量阻抗匹配程度)、衰減量、功率容量等。

16、負荷——防震減速的泡沫板

在射頻電路中負荷是用於某一電路或電器(如放大器)空閒的輸出端口以接收多餘電功率的元器件或裝置(如同溜冰場用於防震減速的泡沫板)。對負荷最基本的要求是功率接收和阻抗匹配。射頻器件有空閒端口的時候,必須安裝阻抗匹配的負荷。這個負荷的阻抗不能太大,也不能太小;否則,不僅不能把多餘的信號功率吸收掉,反而會把這部分功率反射到線路中去,影響系統的正常運行。

17、塔放——哨塔上的衛兵

塔放即塔頂放大器,是安裝在塔頂部緊靠在接收天線之後的一個低噪聲放大器。塔放與天線距離很近,一般塔放與天線之間是通過一根跳線連接。

塔放可以有效地提高系統的靈敏度,同時降低手機的發射功率,減小系統內的干擾噪聲,改善通話可靠性和話音質量。

應用:在上行覆蓋受限的場景中,當用戶位於小區覆蓋範圍之外,有可能掉話時,採用塔放可以顯著降低掉話率。

 

八、天線——蝙蝠的超聲波發送和接收

天線是在無線電收發系統中,向空間輻射或從空間接收電磁波的裝置。接收和發射可以設計在同一個物理實體上。

天線大小的設計和無線電波的波長關係較大。可以這樣認爲:無線信號的波長越大,要求天線陣子的尺寸也越大。不同的安裝條件、不同的無線環境,對天線的外觀設計的要求也是不一樣的。

1、增益——水爲什麼流得急、射得遠

天線的增益是指在相同輸入功率條件下,天線在最大輻射方向上某一點所產生的功率密度,與理想點源天線在同一點所產生的功率密度比值。天線的增益反映了天線將電波集中發射到某一方向上的能力。

一般來講天線的增益越高,天線發射出的能量也越集中。

天線增益的單位一般有兩種:dBi與dBd。

其中,dBi是以理想點源天線爲參考的基準,而dBd是以半波陣子(偶極子)的天線爲參考基準。

同一個天線增益,dBi比dBd在數值上大2.15dB。

2、極化方向

無線電波傳播方向與其電場、磁場的運動方向垂直。

極化方向指的是天線輻射的電磁波最大輻射方向其電場矢量在空間的取向。天線的極化方向一般與單元振子的方向一致。

以大地爲基準面,電場矢量垂直於地面爲垂直極化(VP),平行於地面爲水平極化(HP)。

在雙極化天線中,天線單元極化方向分別與地面成+45°和-45°夾角。

3、方向圖——向日葵向日特性

天線在不同的空間方向上接收和輻射信號的強度是不一樣的,可以用數學或者圖形的方式來描述這個關係。

輻射方向圖是描述隨着空間方向變化,天線輻射強度變化的關係圖。方向圖有水平面方向圖和垂直面方向圖。

天線按照水平面方向圖的特性可分爲全向天線與定向天線兩種。

  • 全向天線在水平面內的所有方向上輻射出的電波能量都是相同的,但在垂直面內不同方向上輻射出的電波能量是不同的。
  • 定向天線在水平面與垂直面內的不同方向上輻射出的電波能量都是不同的,

4、波瓣寬度

波瓣寬度,顧名思義,就是無線電波輻射形成的扇面所張開的角度。

同一天線發射的無線電波不同方向上的輻射強度是不同的,所以定義爲比最大輻射方向上的功率下降3dB的兩個方向之間的夾角爲波瓣寬度。

在天線增益不變的情況下,水平波瓣寬度大了,垂直波瓣寬度必然變小。正如澆花軟管出口的水流一樣,水平方向寬了,垂直方向必然變窄。

5、前後比——水槍後部漏水了

前後比是衡量定向天線後向波束抑制能力的重要指標,前後比反映了天線對後向干擾的抑制能力,一般要求大於25dB。

6、旁瓣抑制——水管側漏問題

定向天線的輻射方向圖中,除主波束方向之外,在其他相鄰方向上也會出現波束分量,可稱之爲旁瓣或副瓣。爲了減少對鄰區的干擾,天線波束賦形時應儘可能抑制那些可能帶來干擾的副瓣

7、零點填充

天線的主波束近下方往往存在無線電波深衰落的地方,一般稱之爲零深。零點填充就是爲了使天線的輻射電平更加均勻。建議天線掛高太大時(如大於100m)採用零點填充,避免塔下黑的問題。

零點填充的程度一般用零點填充達到的電平和主波瓣電平的差值(dB)來表示,有時也用百分比(電壓)來表示。如某天線零點填充爲10%,則有:零深相對於主波束大於-20dB就表示有零點填充。

8、波束下傾——站在牆上用軟水管澆花

波束下傾是指由於覆蓋規劃或網絡優化的需要,天線的俯仰面波束指向需要向下做的調整。

如果波束下傾完全依賴機械調節,機械調節角度過大的時候,天線的水平面波束覆蓋將變形。

9、泄漏電纜

泄漏電纜是一種特殊形式的天線,通過沿電纜縱向的一系列均勻分佈的開口發射和接收信號,如同等距離開口的長水管把水送到各房間一樣。

10、智能天線——傳音入密的神功

智能天線是TD-SCDMA的關鍵技術之一。

智能天線可使所服務用戶的接收信號功率最大化,同時使波束照射範圍外的非服務用戶受到的干擾最小,甚至爲零。如此,智能天線就像有了“傳音入密”。

神功的郭靖一樣可以只和自己期望的人進行信息交互,而不會打擾其他人。

 

 

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