通信电子电路(一)通电课程背景 以及选频网络概念

    技术2022-07-12  75

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    前言 ´・ᴗ・`通信电子电路是什么?背景知识选频网络作用选频网络性能的考量LC谐振网络分米波 厘米波 毫米波

    前言 ´・ᴗ・`

    本节主要讲了本篇内容将会帮助你学习… 1 通信电子电路是什么?2 选频网络作用3 选频网络的性能的考量参数4 谐振概念5 分米波 厘米波 毫米波 概念

    通信电子电路是什么?

    我们已经学习了 电路分析 模拟电路 数字电路 乃至数字电路衍生的DSP数字信号处理,再加上我们现在学的通信电子电路,即 高频(射频)电路,实际上这些都是我们一个电子产品的一块块拼图,我们看下面这张图: System Level就是系统级的架构,一个电子产品的架构包含模拟系统(analog),数字系统(digital),模拟系统又衍生为低频模拟子系统和高频(射频)模拟子系统 即:

    System 模拟 a n a l o g analog analog 低频 l o w − f r e q u e n c y low-frequency lowfrequency f T < 20 M H z f_T< 20MHz fT<20MHz高频 h i g h − f r e q u e n c y high-frequency highfrequency f T ≥ 20 M H z f_T≥ 20MHz fT20MHz 数字 d i g i t a l digital digital 组合逻辑 c o m b i n a t i o n a l − l o g i c combinational -logic combinationallogic 顺态 现在的结果只与现在的输入有关 与过去 无关 比如 与或非逻辑时序逻辑 s e q u e n t i a l − l o g i c sequential-logic sequentiallogic 因果的 有记忆功能的 现在的结果与过去和现在的都有关 比如 寄存器 触发器

    那么通电是个什么玩意?字面意思 用于通信的电子电路,因为通信的频率普遍偏高,一般是300MHz起步,和高频的研究范围很像 因此就等价于高频(或者说射频) 横向对比 电路分析的升级版 ≈ \approx 模电 模电的升级版 ≈ \approx 通电

    数电的升级版 ≈ \approx 信号与系统 信号与系统的升级版 ≈ \approx 数字信号处理

    牛顿定律的升级版 ≈ \approx 爱因斯坦的相对论

    那么我们这一节来回顾一下模电 或者说通电的基础。

    背景知识

    阻抗一家:

    符号英文中文解释单位RResistance电阻直流电路中 (电阻器)阻碍电流通过的程度大小 Ω \Omega ΩXReactance电抗交流电路中 (电感-感抗 或 电容-容抗) 阻碍电流通过的程度大小 Ω \Omega ΩZImpedance阻抗 Z ( j ω ) = R + X ( j ω ) Z(j\omega) = R + X(j\omega) Z(jω)=R+X(jω) Ω \Omega Ω

    很好玩的是 因为数学上把复杂的阻抗关系式做个倒数运算会使得计算更简单 更直观,一帮数学家又把阻抗一家分别都做个倒数 变成了

    导纳一家:

    符号英文中文解释单位Gconductance电导直流电路中 传输电流能力强弱程度的大小 G = 1 R G=\frac{1}{R} G=R1 S S SBReactance电纳交流电路中 (电感-感纳 或 电容-容纳) 传输电流能力强弱程度的大小 B = 1 X B=\frac{1}{X} B=X1 S S SYImpedance导纳 Y ( j ω ) = G + B ( j ω ) Y(j\omega) = G + B(j\omega) Y(jω)=G+B(jω) Y ( j ω ) = 1 Z ( j ω ) Y(j\omega) =\frac{1}{Z(j\omega) } Y(jω)=Z(jω)1 S S S

    然后就是这个两个三角形要知道:

    其实任何复数都这个套路

    选频网络作用

    选频是啥意思呢?为什么要选频? 第一篇文章我们知道,接收端的天线理论上会接受几乎所有电磁波信号,但是特定的通信协议的频率是固定在一定范围的,比方,wifi频率大概是2.400—2.4835GHz (这是其中一个常用频段),那么你设计wifi接收天线的时候,在这个范围之外的有必要收集嘛?当然没有,因为收集到的肯定不是wifi信号。

    那么 我们就希望 有一个电路网络 能够选择频率在2.400—2.4835GHz这个范围内 这就是选频网络 (frequency selective network)

    很明显 我们希望选频率网络的效果是这样的: 频率在2.4~2.4835GHZ内的信号都保留,而其他的信号都去掉了。 不过我们可能见到的实际效果是:

    选频网络性能的考量

    那么 张三做了个选频网络 李四也做了个选频网络 谁的网络选频性能更好呢?这个标准应该怎么衡量?有两个指标 一个是质量因素 Q Q Q,一个是矩形系数(rectangular coefficient)

    我们先看看矩形系数: 我们先设定 U U 0 = 选 频 后 的 电 信 号 强 度 选 频 前 的 电 信 号 强 度 \frac{U}{U_0} = \frac{选频后的电信号强度}{选频前的电信号强度} U0U= 目标就是 我想要的信号 选频后与选频前尽量不衰减,比值控制在 1 2 \frac{1}{\sqrt{2}} 2 1~1, 而其他无用信号 衰减得越厉害越好,比值控制在0~0.1,这样我的选频性能就比较好了。

    这里就是理想和现实的对比:这里 f 1 = 2.4 G H z f_1 = 2.4GHz f1=2.4GHz, f 2 = 2.4835 G H z f_2 = 2.4835GHz f2=2.4835GHz 既然理想电路 那个矩形的图像代表最好的选频特性 我们的图像只需要更加契合 长得更加像矩形就好了 于是我们这么设置 f 1 − f 3 f_1-f_3 f1f3 f 4 − f 2 f_4-f_2 f4f2越小越好 你可以脑补一下 这样是不是更像一个矩形? 当然数学上就化成这个公式: K 0.1 = B 0.1 B 0.707 K_{0.1}=\frac{B_{0.1}}{B_{0.707}} K0.1=B0.707B0.1 其中 B 0.1 = f 4 − f 3 , B 0.707 = f 2 − f 1 B_{0.1}=f_4-f_3, B_{0.707}=f_2-f_1 B0.1=f4f3,B0.707=f2f1 这个 B 0.707 = f 2 − f 1 B_{0.707}=f_2-f_1 B0.707=f2f1就叫做通频带 一般记做 B w B_w Bw 很好理解 我们认为这块的信号保存的比较好 所以是通过信号的频率 简称通频带

    矩形系数描绘的其实也是一个曲线的陡峭程度,你看矩形的左右两边直线上升下降 我们只想做到 斜率尽量的大就行

    那么如果我就想要处于2.4GHz频率的信号呢?不再是一个范围。这时 通频带越窄越好:) 比如张三的选频网络的通频带是2.3GHz~2.5GHz 李四的选频网络的通频带是2.39GHz~2.41GHz 明显李四的选频网络性能更好 那么怎么表达?我们要不设计一个参数 与通频带成反比的参数 这个参数越大 通频带越窄 选频性能越好 这里我们就揭示品质因素的公式: Q = f 0 B w Q = \frac{f_0}{B_w} Q=Bwf0 f 0 f_0 f0是我们想要的频率 也就是 f 0 = 2.4 G H z f_0=2.4GHz f0=2.4GHz 我们发现 通频带和Q是反比 意味着Q越大 通频带越窄 这样是不是 Q越大 性能越好了呢:) 体会一下 “品质因素” 这就是在讲网络的品质啊

    当然实际上这个品质还有别的很多含义,其实原本指的是电感的品质,其另一个公式为 Q = ω 0 L r Q=\frac{\omega_0 L}{r} Q=rω0L r指的是电感的直流电阻,所以Q是结合了电感的物理特性,表现了这个电感在谐振频率,或者说是我们的想要的工作频率 ω 0 \omega_0 ω0条件下的品质。所以在某些频率下,你电感的Q值达不到要求,就要考虑用别的方法弥补了。

    LC谐振网络

    我们选频网络,可以采用电感L和电容C谐振的方式来实现

    当然了 不只有LC谐振 这玩意是最简单的 只能适用于 f t < 1 G H z f_t<1GHz ft<1GHz的场合, 但是确实是选频网络的基础,我们通过它了解谐振 以及选频网络的一些特性(刚刚讲到了一些其实)

    下面我们简单了解谐振 作为这一节的结束:)

    分米波 厘米波 毫米波

    上物理公式: λ T = u c / f T λ_T=u_c/f_T λT=uc/fT 其中 u c = 3 × 1 0 8 m / s u_c = 3\times10^8m/s uc=3×108m/s

    意味着 频率在1GHz 是分米波,这种工作频率我们就用LC选频就好了, 但是对于厘米波 毫米波,我们就必须建立更加复杂的模型,一个概念后面会讲 就是散射(scatter),评估散射的参数称为S参数 (S-parameter) 我们看图 什么是散射?上面这个元件 我们用散射模型建模,发现他有6个端口,正常来说,假设所有端口是输入端口,那么信号进去,只进不出,因此只留下 a 1 a_1 a1的轨迹才对,那为啥还有 b 1 b_1 b1的轨迹呢? 因为到了厘米波乃至更小的波段,信号的反射、散射现象不可忽略了,就好像你高频以后,电感里面的寄生电容不可忽略一样,亦或是牛顿定律在接近光速的相对论效应不可忽略一样。

    其实很好理解的,物理的波也有反射散射,电磁波也是波嘛 只不过平常我们欺负她频率低 所以忽略而已

    散射的模型更加复杂,因此 越高频 电路越难做 你看,太赫兹电路 都不知道积累了多少年才出来,而普通电路比如电风扇那些驱动电路老早就有了

    现在我问你 纳米波的频率数量级为多少,你回答的出来吗? 1 0 8 + 9 = 1 0 17 10^{8+9}=10^{17} 108+9=1017

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