基于Matlab的RF电路设计与仿真 第3页1.2国内外研究现状
1.2.1射频技术现状
近些年，无线通信事业经历了从第一代模拟系统（1G）到现已投入使用的第三代移动通信3G系统的演变。无线通信技术升级到3G时代后，双模、多模手机、高频基站、无缝切换等技术逐步成熟。射频技术不但应用在无线通信上，而且在医疗上的应用也在逐扩大范围。目前，美国处于领先地位，日韩的发展也在日益精进。现在射频识别技术已经在日常生活中起着举足轻重的作用。比如安全防护领域中的汽车防盗、电子物品监视系统等，已经融入人们的生活而且逐渐不可代替。
1.2.2射频技术发展方向
无线传输发展了近二百年，形成了大量的用户和产品群，但是，由于气候的变化和地表障碍物的影响，不能传输完美的信息。近代人类发明了廉价的高频传输线缆（射频线），为了追求完美的信息传输质量，兼顾原有的无线设备，无线方式有线传输开始流行。产生了射频传输这一概念。
射频是无线信号的源头，这一切的美好生活都来自于射频收发技术的不断演进，而且射频技术还将继续快速发展下去，毕竟现在只有12%的便携电子产品带有射频模块，而据估计到2030年超过50%的便携产品将拥有射频功能，这其中将包括你的手表也许还有你的皮鞋！
射频技术的发展首先要满足市场对其提出的主要要求，即实现系统的模块化、集成化，并在提高集成度的同时降低射频电路的尺寸并降低功耗。在此基础上，还必须基于数字电路的发展，提高射频电路在多标准、多模式环境下的应用能力，也就是通常所说的“软件无线电技术”。
从技术角度而言，射频技术首先还是要从性能上取得提升以满足各种技术的需要。随着宽带无线系统的不断推出，系统对于信道利用率的要求越来越高，这对信道编码技术及空中接口技术提出了新的挑战。对于射频部分来说，则提出了更高的线性度和更低的带内、带外噪声指标要求。射频芯片的挑战还包括更高的接收灵敏度和更低的噪声系数，优异的性能是对产品的最基本要求。
实现高性能的重要手段就是提高射频电路的复杂程度，而射频电路一般包括收发器、功放和开关三个部分。现在的射频电路从根本上来说是以模拟电路为主的混合信号电路。虽然数字化是现在射频电路芯片的一个趋势，但射频技术很难离开高性能模拟技术的支持，因此射频电路复杂程度的提高对射频芯片体积的减小提出很多挑战。射频端必须着重在降低功耗、加速不同工艺的整合及降低成本上努力。这可由两个方向来实现，一个是采用全新的SPI架构，也就是将不同工艺的芯片集成在一个封装模块上，如前端的功放及天线收/发开关(swtichplexer)，或将功放及收发器放在同一个基板上(Laminate)做成模块。另外一项就是将功率放大器的制作工艺进步到CMOS，以便与收发器的芯片相整合，在降低功放的功耗上则应设计高效率的功放操作，在饱和条件下与前述的极化调制相对应。本文采用的是前一种方向实现的。
电路复杂度的提升和尺寸的缩小意味着射频芯片将具有更高的集成度。射频芯片集成度的提高，射频电路其他器件数量的减少，意味着更低的BOM(物料清单)价格和产品成本、更高的产品稳定性和良品率。
射频技术主要有：蓝牙射频技术、超宽带、冲激无线电、Wi-Fi、WiMAX和蜂窝广域通信。
蓝牙无线技术采用的是一种扩展窄带信号频谱的数字编码技术，通过编码运算增加了发送比特的数量，扩大了使用的带宽。蓝牙使用跳频方式来扩展频谱。跳频扩频使得带宽上信号的功率谱密度降低，从而大大提高了系统抗电磁干扰、抗串话干扰的能力，使得蓝牙的无线数据传输更加可靠。
超宽带(UWB)是一种无线射频技术，支持家电、电脑外设和移动设备在短距离内高速传输数据，且功耗非常低。该技术是无线传输高品质多媒体内容的理想选择。UWB技术使用宽带无线频谱在短距离(如在家中或小型办公室中)内传输数据，与传统无线技术相比，它能够在特定时段通过无线方式传输更多的数据。这一特性与低功耗脉冲数据交付(pulsed data delivery)功能相结合，加快了数据传输速度，同时也不会受到现有其它无线技术(如Wi-Fi、WiMAX和蜂窝广域通信)的干扰。
冲激无线电(Impulse Radio，IR)是最有希望的超宽带技术之一。IR信号由极窄的脉冲串组成，这些脉冲在时间上伪随机出现。伪随机性依靠跳时码实现，跳时码的作用是让发射信号随机化，有利于用户分隔和谱成形，以避免窃听。信号的调制方式可以用脉冲幅度调制(PAM)或脉冲位置调制(PPM)。为了确保低成本的超宽带设备，所有脉冲都具有同一波形。
射频技术在通信领域的应用，目前仍处于开拓状态，应用还不是很广，但随着射频通信技术的成熟，未来市场需要巨大，前景广阔。
1.3本文研究的目标
通过对RF电路及系统的知识的学习与了解，进行RF电路中部分模块主要是功率放大电路的设计，并利用Matlab工具对设计电路的各方面性能进行测试分析。
1.4论文结构简介
第一章为绪论，主要介绍了课题的意义、国内外研究现状和本文的研究目标，以及全文的结构。
第二章和第三章是文章的基础内容，介绍了RF放大器设计的原理和工具。特别是第三章详细说明了放大器的性能指标及设计方法。
第四章通过两种不同的设计方法对放大器进行设计，实现目标要求。
第五章为结束语，是对全文的总结，以及对将来研究的展望。
2 射频电路设计的基本内容
射频（RF）电路的设计既借鉴了低频音频电路的设计方法，又借鉴了微波电路的设计方法，但是和这些技术是有重要差异的。因此，射频电路的设计需要使用一些其他频率范围内不使用的特殊技术。在当前的应用中，射频的范围一般指30MHZ到4GHZ。当前的多数无线电活动都在这个范围内发生。在这个范围内，工程师必须考虑辐射、寄生耦合，以及电路元件的频率响应。
2.1 一般射频系统
图2-1所示的整个方框图称为收发信机，因为它包含了发射机和接收机电路以及用单个天线进行通信。典型应用是移动电话和无线局域网（WLAN）。在这个配置里，输入信号（声音或从计算机来的数字信号）首先进行数字处理，然后压缩，压缩的目的是为了降低传输时间；最后为了抑制噪声和通信误码，要进行恰当的编码。
输入信号经数字处理后，再通过DAC回到模拟形式。改低频信号与本地振荡器提供的高频载波信号组合后，被功率放大器（PA）放大，然后再到天线，天线的任务是将此编码的信息作为电磁波向自由空间发射。
2.2 Smith圆图的构成和工作原理
Smith圆图是把特征参数、(传播常数)、长度L和工作参数（反射系数、阻抗、电压驻波比）组合成一体，把阻抗平面和反射系数平面直角坐标系映射成为极坐标系，采用图解法进行微波传输研究的一种专用圆图。
2.2.1等反射系数圆
反射系数为圆图基底： （2.1）
直角坐标表示为： （2.2）
二者之间的关系为：， （2.3）
在复平面上，以原点为圆心，反射系数为半径所画的圆为等反射信号圆。反射系数的模和驻波比是一一对应的，故又称为等驻波圆。因为1，故全部反射系数圆都位于单位圆内。
2.2.2阻抗圆图
（2.4）
将（1）代入上式，得到：
(2.5)
式中，
其中称为归一化的电阻，称为归一化的电抗，可以分别化成下述方程：
(2.6)
(2.7)
上述方程（2.6）和（2.7）在复平面上分别表示两组圆：等电阻圆方程、等电抗圆方程。（2.6）式是以归一化电阻为参变量的一组圆，圆心坐标为[R/(R+1),0],半径为1/(R+1),y圆心轨迹与复平面正实轴重合，所有的等R圆相切于点（1，0）。如下图2-2：
（2.7）式以归一化的电抗X为参变量的一组圆。圆心坐标为（1，1/X），圆的半径为1/|X|。圆心坐标的轨迹在直线上。所有的等X圆相切于点（1，0）。如下图2-3：
把阻抗圆图旋转就可以得到导纳圆图，其构成原理和使用方法与阻抗圆图相似。
2.2.3标定电压驻波比
2.3 散射参数（S参数）
S参数表达的是功率波，它使我们可以用入射功率波和反射功率波的方式定义网络的输入、输出关系。根据图2-5，可以定义归一化入射功率和归一化反射功率如下：
（2.8a）
（2.8b）
其中下标n为端口编号1或2。阻抗是连接在网络输入、输出端口的传输线特性阻抗。（假设输入、输出端口的传输线特性阻抗相同。）
变换（8）式可得以下电压、电流表达式： （2.9a）
(2.9b)
若用（8）式表示功率，则物理意义十分明显：
（2.10）
若从（9）式中解出正向波和反向波，则可见： （2.11a）
（2.11b）
这与定义式（8）是一致的，因为 （2.12）
根据图2-5中电压波方向的规定，就可以定义S参数：
（2.13）
其中符号的意义为（2.14a）
（2.14b）
(2.14c)
(2.14d)
由于S参数直接与功率有关，因此我们可以采用时间平均功率来表达归一化输入、输出波。1端口的平均功率为： （2.15）
其中，当输出端口匹配时，输入端口反射系数满足如下关系： (2.16)
由此1端口的驻波系数（VSWR）为： (2.17)
我们还可以确定1端口的入射功率： （2.18）
这就是信号源的最大资用功率。用入射功率与反射功率之和表示的1端口总功率（输出端口匹配）： （2.19）
如果反射系数为零，则所有资用功率都注入到网络的1端口。2端口情况同1端口。
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