對(duì)射頻微波電路設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)

1、射頻微波電路設(shè)計(jì)論文學(xué)院：信電學(xué)院班級(jí)：通信0801姓名：學(xué)號(hào)：對(duì)射頻微波電路設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)摘要：射頻（RF）是Radio Frequency的縮寫，表示可以輻射到空間的電磁頻率， 頻率范圍從300KHz30GHz之間。射頻簡稱RF射頻就是射頻電流，它是一種高 頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于 10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。微波是指頻率為 300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個(gè)有限頻帶的簡稱，即波長在1米（不 含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。 微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常

2、也稱為“超高頻電磁波”。微波作為一 種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè) 特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就 會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類東西，則會(huì)反射微波。關(guān)鍵字：射頻微波電路設(shè)計(jì)射頻即Radio Frequency，通?？s寫為RF。表示可以輻射到空間的電磁頻率， 頻率范圍從300KHz30GHz之間。射頻簡稱RF射頻就是射頻電流，它是一種 高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大 于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。有線電視系統(tǒng)就是 采用射頻傳輸方式。在電子學(xué)理

3、論中，電流流過導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會(huì)形成磁場；交 變電流通過導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會(huì)形成交變的電磁場，稱為電磁波。在電磁波頻率低 于100khz時(shí)，電磁波會(huì)被地表吸收，不能形成有效的傳輸，但電磁波頻率高于 100khz時(shí)，電磁波可以在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn) 距離傳輸能力，我們把具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻，射頻技術(shù)在 無線通信領(lǐng)域中被廣泛使用。射頻技術(shù)的分類：自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和射頻識(shí)別技 術(shù)。自動(dòng)識(shí)別技術(shù)自動(dòng)設(shè)備識(shí)別技術(shù)是目前國際上發(fā)展很快的一項(xiàng)新技術(shù)，英文名稱為AutomaticEquipmentIdentification ，簡稱AEI。該項(xiàng)技術(shù)的基本思想是通 過采用一些先

4、進(jìn)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)各類物體或設(shè)備（人員、物品）在不同狀態(tài)（移動(dòng)、靜止或惡劣環(huán)境）下的自動(dòng)識(shí)別和管理。目前應(yīng)用最 廣泛的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)大致可以分為兩個(gè)方面：光學(xué)技術(shù)和無線電技術(shù)兩個(gè) 方面。其中光學(xué)技術(shù)中普遍應(yīng)用的產(chǎn)品有：條形碼和攝像兩大類。這兩類 產(chǎn)品目前已廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中，并已為人們所熟知。比如：條 形碼用于商品管理，攝像用于抓拍違章車輛等。射頻識(shí)別技術(shù)射頻識(shí)別技術(shù)依其采用的頻率不同可分為低頻系統(tǒng)和高頻系統(tǒng)兩大 類；根據(jù)電子標(biāo)簽內(nèi)是否裝有電池為其供電，又可將其分為有源系統(tǒng)和無 源系統(tǒng)兩大類；從電子標(biāo)簽內(nèi)保存的信息注入的方式可將其分為集成電路 固化式、現(xiàn)場有線改寫式和現(xiàn)場無線改寫式

5、三大類；根據(jù)讀取電子標(biāo)簽數(shù) 據(jù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段，可將其分為廣播發(fā)射式、倍頻式和反射調(diào)制式三大類。一、低頻系統(tǒng)一般指其工作頻率小于 30MHz，典型的工作頻率有：125KHz、225KHz、13.56MHz等，這些頻點(diǎn)應(yīng)用的射頻識(shí)別系統(tǒng)一般都有相 應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)予以支持。其基本特點(diǎn)是電子標(biāo)簽的成本較低、標(biāo)簽內(nèi)保存 的數(shù)據(jù)量較少、閱讀距離較短（無源情況，典型閱讀距離為10cm）電子標(biāo)簽外形多樣（卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀）、閱讀天線方向性不強(qiáng)等。二、高頻系統(tǒng)一般指其工作頻率大于 400MHz，典型的工作頻段有： 915MHz、2450MHz、5800MHz等。高頻系統(tǒng)在這些頻段上也有眾多的國際標(biāo) 準(zhǔn)予以

6、支持。高頻系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是電子標(biāo)簽及閱讀器成本均較高、標(biāo)簽 內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠(yuǎn)（可達(dá)幾米至十幾米），適應(yīng)物體高 速運(yùn)動(dòng)性能好、外形一般為卡狀、閱讀天線及電子標(biāo)簽天線均有較強(qiáng)的方 向性。三、有源電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，一般具有較遠(yuǎn)的閱讀距離，不足之處是電池 的壽命有限（310年）；無源電子標(biāo)簽內(nèi)無電池，它接收到閱讀器（讀出裝置） 發(fā)出的微波信號(hào)后，將部分微波能量轉(zhuǎn)化為直流電供自己工作，一般可做到免維 護(hù)。相比有源系統(tǒng)，無源系統(tǒng)在閱讀距離及適應(yīng)物體運(yùn)動(dòng)速度方面略有限制。在 整個(gè)射頻通信中，主要包含以下幾種頻率：傳輸頻率、接收頻率、中頻和基帶 頻率?；鶐ьl率是用來調(diào)制數(shù)據(jù)的信號(hào)頻率。而真正

7、的傳輸頻率則比基帶頻率 高很多，一般的頻譜范圍是500MHz到38GHz，數(shù)據(jù)信號(hào)也是在此高頻下進(jìn)行傳 輸?shù)?。一般來說，射頻系統(tǒng)具有非常強(qiáng)大的傳輸調(diào)制信號(hào)的功能，即使在有干擾 信號(hào)和阻斷信號(hào)z2的情況下，該系統(tǒng)也可以做到以最高的質(zhì)量發(fā)送并且以最 好的靈敏度接收調(diào)制信號(hào)。阻斷信號(hào)主要有兩種：帶內(nèi)阻斷信號(hào)和帶外阻斷信號(hào)。 帶外阻斷信號(hào)是指分布在信號(hào)頻譜之外的無關(guān)信號(hào)，例如由其它無線傳輸技術(shù)產(chǎn) 生的數(shù)據(jù)信號(hào)。帶內(nèi)阻斷信號(hào)則分布在我們感興趣的信號(hào)頻譜之內(nèi)，例如由相同 的無線傳輸技術(shù)在其它終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)。對(duì)于無線通信而言，要成功地實(shí)現(xiàn) 射頻接收功能，必須要過濾掉這兩種阻斷信號(hào)。中頻多被用來作為傳輸/

8、接受頻率和基帶頻率的過渡，而這種傳輸方式正是超外差結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。一般而言，帶 外阻斷信號(hào)可以被天線自帶的濾波器過濾掉。而中頻的存在使我們有機(jī)會(huì)在信號(hào) 被混合到基帶頻率并做數(shù)字處理之前將帶內(nèi)阻斷信號(hào)濾除。另一方面，在發(fā)送端， 中頻常被用來濾除所有從基帶轉(zhuǎn)換到中頻這個(gè)過程中可能產(chǎn)生的偽數(shù)據(jù)和噪 聲。電路設(shè)計(jì)中的問題采用超外差結(jié)構(gòu)的另外一種實(shí)現(xiàn)方法是利用中頻采樣來減少信號(hào)鏈上 的器件個(gè)數(shù)。這種方法選擇在中頻對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，而不是在采樣前先將 信號(hào)混合到基帶。在第一種超外差結(jié)構(gòu)中，從中頻到基帶的轉(zhuǎn)換過程需要 以下器件：本機(jī)鎖相環(huán)、智能解調(diào)器（混頻器）和雙向 ADC （模擬-數(shù)字轉(zhuǎn) 換器）。如果選擇在中頻

9、進(jìn)行采樣，那這三個(gè)器件可以用一個(gè)高性能的 ADC 來代替。這不僅可以降低信號(hào)鏈的復(fù)雜程度，還可以提高信號(hào)解調(diào)的質(zhì)量。 但是，如果在下行基帶轉(zhuǎn)換器里應(yīng)用高質(zhì)量智能解調(diào)器，也能得到非常好 的通信效果。如果能使本機(jī)鎖相環(huán)和射頻器件的漏電足夠小，基帶的直流 失調(diào)便可最小化?，F(xiàn)在，許多智能解調(diào)器都使用了直流失調(diào)補(bǔ)償環(huán)路來進(jìn) 一步減小甚至最終消除直流失調(diào)。除此之外，解調(diào)器的相位分離功能可以 做到非常準(zhǔn)確的90度的相位分離，這將確保信號(hào)解調(diào)時(shí)，誤差向量的值不 會(huì)變壞或者只是變壞一點(diǎn)。最后，如果我們在使用智能解調(diào)器的同時(shí)，使 用一個(gè)具有低相位噪聲的鎖相環(huán)，將會(huì)確?；鶐л敵鲂盘?hào)的低噪聲，并且因此獲得一個(gè)好的位錯(cuò)

10、誤率（BER）。因?yàn)锳DC要在越來越高的頻率下工作， 所以中頻采樣結(jié)構(gòu)的功耗變得比第一種超外差結(jié)構(gòu)越來越高，并因此而越 來越昂貴，這是中頻采樣結(jié)構(gòu)的最主要的缺點(diǎn)。由于這個(gè)原因，基于中頻 采樣的射頻結(jié)構(gòu)往往更適合那些在相對(duì)低頻或者中頻的應(yīng)用，畢竟這些頻 段對(duì)成本的影響不大。不過隨著科技的發(fā)展，尤其是CMOS工藝的引進(jìn)，使得集成高性能的器件和電路的價(jià)格越來越低，在不遠(yuǎn)的將來，中頻采樣 結(jié)構(gòu)將不再是一種昂貴的選擇。在射頻通信中應(yīng)用的第三種結(jié)構(gòu)是直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。由于直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) 直接將基帶信號(hào)和射頻信號(hào)在同一進(jìn)程中混合在一起，這使得該結(jié)構(gòu)的信 號(hào)鏈路最為簡單，它所需要的元器件最少。與其它兩種結(jié)構(gòu)不同的是

11、，它 將不需要中頻處理和聲表面波（SAW）濾波器。正是由于聲表面波濾波器 在過去的年代比現(xiàn)在昂貴很多，才導(dǎo)致了直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的誕生。直接轉(zhuǎn)換 結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格便宜、小型化、低功耗，并且沒有中頻轉(zhuǎn)換相關(guān) 器件。這些優(yōu)點(diǎn)使得這種結(jié)構(gòu)非常適合在低功耗、便攜式終端的應(yīng)用。盡 管如此，一些高性能器件的使用為直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)應(yīng)用在高端市場打開了方 便之門。事實(shí)上，正是這些高性能器件的使用，使得直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受到越 來越多的關(guān)注。由于在直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中沒有中頻處理單元，帶內(nèi)阻斷信號(hào)的功率將直接傳遞到混頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（如果信號(hào)鏈路上含有模數(shù)轉(zhuǎn)換 器）。低噪聲的混頻器將確保弱信號(hào)不會(huì)被噪聲和阻斷信號(hào)所淹沒。另外，

12、 由于混頻器具有高的輸出擺幅和低的失真，阻斷信號(hào)既不會(huì)過驅(qū)動(dòng)整個(gè)系 統(tǒng)也不會(huì)調(diào)制到我們需要的載波信號(hào)上。對(duì)于基帶超外差接收器，如果在本機(jī)鎖相環(huán)和射頻輸入之間存在泄漏通路， 就一定會(huì)產(chǎn)生直流失調(diào)。對(duì)于和全球移動(dòng)通信系統(tǒng)類似的支持跳頻的一些射頻 應(yīng)用來說，頻率的跳變將導(dǎo)致本機(jī)鎖相環(huán)路漏電的改變，并最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的 直流失調(diào)的跳變。如果要糾正它，必須在系統(tǒng)中引入一個(gè)直流失調(diào)的補(bǔ)償環(huán)路。 盡管如此，在那些不需要跳頻的應(yīng)用中，本機(jī)鎖相環(huán)的漏電是不變的，因此動(dòng)態(tài) 直流失調(diào)的補(bǔ)償意義不大。在傳輸端，由于不能有效降低帶內(nèi)噪聲和失真，采用 直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的射頻發(fā)射機(jī)必須是由那些動(dòng)態(tài)范圍大的元器件構(gòu)成。在基站的

13、相關(guān)應(yīng)用中，由于面積和頻道密度要被重點(diǎn)考慮，直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)尤其被看好。 因?yàn)閺幕镜慕嵌瓤?，帶?nèi)阻斷信號(hào)是不存在的（也就是說基站自己將處理帶內(nèi) 阻斷信號(hào)），所以，即使直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)缺乏濾除帶內(nèi)阻斷信號(hào)的功能也是可以接 受的。當(dāng)然，選擇何種射頻電路結(jié)構(gòu)應(yīng)該由市場應(yīng)用來決定。這些指導(dǎo)設(shè)計(jì)的因素包括：從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品進(jìn)入市場的時(shí)間、成本、外形、功能指標(biāo)、靈活性、 能否支持多種不同的應(yīng)用模式等等。如何針對(duì)一個(gè)確定的應(yīng)用去選擇合適的射頻 結(jié)構(gòu)不在本文的介紹范圍之內(nèi)。但是可以明確的是，如今一些射頻器件制造商已 經(jīng)可以提供各種針對(duì)性的服務(wù)以幫助我們設(shè)計(jì)合適的射頻系統(tǒng)，在整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 的過程中，他們甚至可以提供幾位富

14、有經(jīng)驗(yàn)的工程師為我們答疑解惑。微波的簡述微波的頻率在300MHz-300GHz之間，波長在1米（不含1米）到1毫米 之間，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線 電波頻率高，通常也稱為“超高頻”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微 波量子的能量為1 99x10 -251. 99x10-22j。物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介 質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對(duì)微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì) 損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波 加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬 極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損

15、耗因數(shù)也很大，對(duì)微波具有強(qiáng)吸收能力。而 蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對(duì)較小，其對(duì)微波的吸收能力比水小得多。 因此，對(duì)于食品來說，含水量的多少對(duì)微波加熱效果影響很大。微波波長很短， 比地球上的一般物體（如飛機(jī)，艦船，汽車建筑物等）尺寸相對(duì)要小得多，或在 同一量級(jí)上。使得微波的特點(diǎn)與幾何光學(xué)相似，即所謂的似光性。因此使用微波 工作，能使電路元件尺寸減??；使系統(tǒng)更加緊湊；可以制成體積小，波束窄方向 性很強(qiáng)，增益很高的天線系統(tǒng)，接受來自地面或空間各種物體反射回來的微弱信號(hào)，從而確定物體方位和距離，分析目標(biāo)特征。由于微波波長與物體（實(shí)驗(yàn) 室中無線設(shè)備）的尺寸有相同的量級(jí)，使得微波的特點(diǎn)又與聲波相似，

16、即所謂 的似聲性。例如微波波導(dǎo)類似于聲學(xué)中的傳聲筒；喇叭天線和縫隙天線類似與 聲學(xué)喇叭，蕭與笛；微波諧振腔類似于聲學(xué)共鳴腔微波的產(chǎn)生微波能通常由直流電或50Hz交流電通過一特殊的器件來獲得。可以產(chǎn) 生微波的器件有許多種，但主要分為兩大類：半導(dǎo)體器件和電真空器件。 電真空器件是利用電子在真空中運(yùn)動(dòng)來完成能量變換的器件，或稱之為電 子管。在電真空器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的有磁控管、多腔速調(diào)管、 微波三、四極管、行波管等。在目前微波加熱領(lǐng)域特別是工業(yè)應(yīng)用中使用 的主要是磁控管及速調(diào)管。微波的熱效應(yīng)微波對(duì)生物體的熱效應(yīng)是指由微波引起的生物組織或系統(tǒng)受熱而對(duì)生 物體產(chǎn)生的生理影響.熱效應(yīng)主要是生物體內(nèi)

17、有極分子在微波高頻電場的 作用下反復(fù)快速取向轉(zhuǎn)動(dòng)而摩擦生熱；體內(nèi)離子在微波作用下振動(dòng)也會(huì)將 振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱量；一般分子也會(huì)吸收微波能量后使熱運(yùn)動(dòng)能量增加.如 果生物體組織吸收的微波能量較少，它可借助自身的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過血循 環(huán)將吸收的微波能量（熱量）散發(fā)至全身或體外.如果微波功率很強(qiáng)，生物 組織吸收的微波能量多于生物體所能散發(fā)的能量，則引起該部位體溫升 高.局部組織溫度升高將產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)，如使局部血管擴(kuò)張，并通 過熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)使血循環(huán)加速，組織代謝增強(qiáng)，白細(xì)胞吞噬作用增強(qiáng)，促進(jìn) 病理產(chǎn)物的吸收和消散等。微波的非熱效應(yīng)微波的非熱效應(yīng)是指除熱效應(yīng)以外的其他效應(yīng)，如電效應(yīng)、磁效應(yīng)及化 學(xué)效應(yīng)等

18、.在微波電磁場的作用下，生物體內(nèi)的一些分子將會(huì)產(chǎn)生變形和 振動(dòng)，使細(xì)胞膜功能受到影響，使細(xì)胞膜內(nèi)外液體的電狀況發(fā)生變化，引 起生物作用的改變，進(jìn)而可影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)等.微波干擾生物電（如心電、 腦電、肌電、神經(jīng)傳導(dǎo)電位、細(xì)胞活動(dòng)膜電位等）的節(jié)律，會(huì)導(dǎo)致心臟活動(dòng)、 腦神經(jīng)活動(dòng)及內(nèi)分泌活動(dòng)等一系列障礙.對(duì)微波的非熱效應(yīng)，人們還了解 的不很多.當(dāng)生物體受強(qiáng)功率微波照射時(shí)，熱效應(yīng)是主要的（一般認(rèn)為，功率密度在在10mW/cm2者多產(chǎn)生微熱效應(yīng).且頻率越高產(chǎn)生熱效應(yīng)的閾強(qiáng)度 越低）；長期的低功率密度（1mW/cm2以下）微波輻射主要引起非熱效應(yīng).微 波萃取的機(jī)理可從以下3個(gè)方面來分析：微波輻射過程是高頻電磁波穿 透萃取介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程。由于吸收了微波能， 細(xì)胞內(nèi)部的溫度將迅速上升，從而使細(xì)胞內(nèi)部的壓力超過細(xì)胞壁膨脹所能 承受的能力，結(jié)果細(xì)胞破裂，其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)中。通過進(jìn)一