射頻電路1-緒論20130905

射頻電路與天線（一）

RFCircuitsandAntennas

第1講緒論王世偉副教授華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院TEL:22236201-604Email:eewsw@成績評定與作業(yè)要求（48學(xué)時）作業(yè)30%，期未考試70%。每周交一次作業(yè)，課件從網(wǎng)上下載34/rf1/參考書籍[1]李緒益微波技術(shù)與微波電路，華南理工大學(xué)出版社，2007，（教材，習(xí)題）[3]P.M.Pozar,MicrowaveEngineering,(Thirdedition),電子工業(yè)出版社（中、英本），2006。[2]R.Ludwig,P.Bretchko,RFcircuitDesign–TheoryandApplications,電子工業(yè)出版社（中、英本），2004。第1講內(nèi)容射頻/微波的定義射頻/微波的特點(diǎn)常規(guī)電路元件的射頻特性射頻/微波的簡史課程內(nèi)容設(shè)置本課程的要求與建議教材pp1-10

1.1RF/MW的定義

射頻(RadioFrequency)/微波(Microwave)

無線電頻譜中占據(jù)某一特殊頻段的電磁波。頻率3KHz30MHz3GHz3000GHZ音頻視頻狹義射頻微波紅外100Km10m1m0.1mm波長300MHz0.1m廣義射頻P0.23—1130—30L1—230—15S2—415—7.5C4—87.5—3.75X8—12.53.75—2.4Ku12.5—182.4—1.67K18—26.51.67—1.13Ka26.5—401.13—0.75毫米波40—3000.75—0.1亞毫米波300—30000.1—0.01頻段代號頻率（GHz）波長（cm)RF/MW典型應(yīng)用的頻譜應(yīng)用范圍頻率范圍電視54MHz—890MHz移動電話900MHz，1800MHzGPS全球定位系統(tǒng)1227MHz（軍用）1575MHz（民用）微波爐2.45GHz美國UWB通信3.1—10.6GHz衛(wèi)星通信C波段和Ku波段雷達(dá)L、S、X波段RFID43MHz,900MHz,2.4GHz，5.4GHz1.2

RF/MW的特點(diǎn)頻率高通信系統(tǒng)中相對帶寬f/f0通常為一定值，所以頻率f越高，越容易實(shí)現(xiàn)更大的帶寬f，從而信息的容量就越大。例如，對于1%的相對帶寬，600MHz頻率下寬帶為6MHz（一個電視頻道的帶寬），而60GHz頻率下帶寬為600MHz（100個電視頻道！）。因此，RF/MW的一個最廣泛應(yīng)用就是無線通信。無線通訊-天涯若比鄰無線局域網(wǎng)（WLAN）電磁波蜂窩電話系統(tǒng)微波接力通信衛(wèi)星通信北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)CNSS北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。衛(wèi)星定位導(dǎo)航波長短天線與RF電路的特性是與其電尺寸l/相關(guān)的。在保持特性不變的前提下，波長越短，天線和電路的尺寸l就越小，因此，波長短有利于電路的小型化。目標(biāo)的雷達(dá)散射截面（RCS）也與目標(biāo)的電尺寸成正比，因此在目標(biāo)尺寸一定的情況下，波長越小，RCS就越大。這就是雷達(dá)系統(tǒng)通常工作在MW的原因。雷達(dá)大氣窗口地球大氣層中的電離層對大部分無線電波呈反射狀態(tài)（短波傳播的原理），但在MW波段存在若干窗口。因此，衛(wèi)星通信、射頻天文通常采用微波波段。分子諧振各種分子、原子和原子核的諧振都發(fā)生在MW波段，這使得微波在基礎(chǔ)科學(xué)、醫(yī)學(xué)、遙感和加熱等領(lǐng)域有獨(dú)特的應(yīng)用。射電天文望遠(yuǎn)鏡微波爐微波治療儀增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)谷歌眼鏡Vuzix眼鏡上述特點(diǎn)使得RF/MW有著廣泛的應(yīng)用，但是真正使RF/MW成為一門獨(dú)立學(xué)科是因其具有一個獨(dú)特特點(diǎn)：

RF/MW的波長與自然界物體尺寸相比擬。在RF/MW相鄰低端以下的頻段，波長比物體尺寸長很多，可以采用集總模型研究。在RF/MW相鄰高端以上的頻段，波長比物體尺寸小很多，可以采用幾何光學(xué)研究。當(dāng)波長與物體的尺寸相比擬時，電磁波波動性呈主流，因此必須采用電磁場理論和分布模型研究。1.3常規(guī)電路元件的射頻特性在常規(guī)交流電路中，最常用的電路元件是電阻R，電感L，電容C和連接這些元件的導(dǎo)線。在頻率較低時，電阻器，電感器和電容器分別對應(yīng)于熱能，磁場能量和電場能量集中的區(qū)域，所以可以用“集總”元件表征。這時R，L，C基本為常數(shù)，不隨頻率變化，導(dǎo)線也相當(dāng)于與頻率無關(guān)的短路線段。在RF/MW波段，由于導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)，介質(zhì)損耗效應(yīng)，電磁感應(yīng)等的影響，器件區(qū)域不再是單純能量的集中區(qū)，而呈現(xiàn)分布特性。1.3.1

長線概念考慮導(dǎo)線上傳輸交變電流i，變化規(guī)律為

分別考慮

對應(yīng)的波長于是在一段長為1米的導(dǎo)線上，照明電流幾乎不變化，GSM蜂窩電話電流有3.3個周期變化，而X波段雷達(dá)電流有33個周期變化。因此，對于照明電力系統(tǒng)，導(dǎo)線長幾米都不會有什么影響，而對于X波段雷達(dá)，導(dǎo)線那怕變化幾厘米，影響都很大。通常把RF/MW導(dǎo)線（傳輸線）稱為長線，傳統(tǒng)的電路理論已不適合長線。長線概念考慮一個半徑為a，長為l，電導(dǎo)率為s的圓柱導(dǎo)體，沿縱向流過的直流電流為I。由于直流電流均勻地分布在導(dǎo)體內(nèi)，因此，直流電阻R和電流密度J為1.3.2

導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)laI對于交流電流，導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場。交流磁場又產(chǎn)生電場。而電場形成與原電流相反的電流密度，在導(dǎo)體中心處，這種效應(yīng)最強(qiáng)烈，致使導(dǎo)體中心的電流密度明顯減小，隨著頻率的增高，電流趨于導(dǎo)體表面，即趨膚效應(yīng)。EHIi因此，高頻時，導(dǎo)體損耗會增大，并具有電感效應(yīng)。高頻時，沿縱向的電流密度沿導(dǎo)體徑向的分布規(guī)律為高頻條件下，電阻和電感為

可見，高頻電阻與直流電阻之比恰好等于導(dǎo)體截面積與趨膚深度面積之比。高頻電感電抗等于高頻電阻值。－趨膚深度1.3.3

高頻電阻由于高頻效應(yīng)，在高頻時電阻R將會出現(xiàn)引線電感，引線電阻，極間電容，引線間電容等。于是標(biāo)稱值為R的電阻R的電阻的等效電路為通常趨膚效應(yīng)引起電阻和引線間電容可以忽略。

【例】計(jì)算長為2.5cm,半徑為a=2.032x10-4m的銅導(dǎo)線連接的500電阻的高頻電阻的阻抗特性，極間電容為5pF。平板電容是最常用的電容，對于面積為A，間距為d，填充介電常數(shù)為的電介質(zhì)的平板電容在低頻時為高頻時，除了引線電感和引線電容外，電介質(zhì)變得有耗，產(chǎn)生高頻介質(zhì)電導(dǎo)率，損耗電導(dǎo)為1.3.4

高頻電容于是，平板電容變成了C與電導(dǎo)的并聯(lián)，并聯(lián)導(dǎo)納

損耗角正切反映了位移與傳導(dǎo)電流的比例。考慮引線電感L，引線電阻Rs和介質(zhì)損耗電導(dǎo)，平板電容的等效電路為－損耗角正切【例】計(jì)算一個47pF平板電容器的高頻阻抗，設(shè)引線為長為1.25cm，半徑a=2.032x10-4m的銅線。1.3.5高頻電感電感通常是由導(dǎo)體線圈構(gòu)成，在高頻，線圈除了具有電感外，還有高頻電阻和線圈導(dǎo)體間的寄生電容。因此,電感已變?yōu)镽LC諧振器。1.4RF/MW發(fā)展簡史1864年，英國物理學(xué)家J.C.Maxwell(1831-1879,48歲)發(fā)表了著名的麥克斯韋方程，從理論上預(yù)測電磁波的存在。1887年，德國物理學(xué)家H.Hertz(1857-1894,37歲)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋方程的預(yù)言。赫芝采用電火花間隙發(fā)射機(jī)和加載偶極天線演示電磁波的傳播.1900年，意大利發(fā)明家G.Marconi(1874-1937,63歲)首次實(shí)現(xiàn)了穿越大西洋的無線電通信。他的發(fā)射天線與地之間連接70KHz電火花發(fā)生器，接收天線與風(fēng)箏支撐。1931年，英國與法國之間建立了第一條微波通信線線路。二次大戰(zhàn)后，微波接力通信得到了迅速發(fā)展，20世紀(jì)50-70年代，微波接力通信是電視信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹饕侄?。大西?935年，英國的R.W.Watt開展了雷達(dá)的研究，（Radar=radiodetectingandranging無線電探測與定位），同年首次在試驗(yàn)中測得飛機(jī)的回波。1938年，第一只調(diào)速管問世，1940年，英國的布特和蘭特爾研制出磁控管，這些微波電子管器件都是雷達(dá)不可缺少的源。1940年，第一臺10cm波長雷達(dá)問世。雷達(dá)的出現(xiàn)使微波得到了人們的根本認(rèn)識。美國在MIT專門成立“輻射實(shí)驗(yàn)室”，調(diào)集了大量頂尖科學(xué)家以戰(zhàn)時狀態(tài)對雷達(dá)進(jìn)行大規(guī)模、全方位研究，極大地促進(jìn)了雷達(dá)與微波技術(shù)的發(fā)展。1945年，雷神公司把磁控管用于微波加熱，誕生了微波爐，如今磁控管依然是微波爐的核心源。1963年，國際通信衛(wèi)星組織發(fā)射了第一顆同步通信衛(wèi)星。70年代，雷達(dá)、衛(wèi)星通信、微波中繼通信成為RF/MW應(yīng)用的主要領(lǐng)域，并迅速擴(kuò)展到微波加熱和微波遙感等領(lǐng)域。同時，RFIC、MIC開始迅速發(fā)展。80-90年代，移動通信成為最耀眼的應(yīng)用，如同二次大戰(zhàn)中雷達(dá)對RF/MW發(fā)展的促進(jìn)作用一樣，移動通信，尤其是蜂窩移動通信給RF/MW帶來了第二次發(fā)展高潮。由于是民用，涉及千家萬戶，發(fā)展更為迅速，更為廣泛，甚至改變了人類的生活習(xí)慣。如今，

RF/MW應(yīng)用幾乎深入了各類領(lǐng)域，我們身邊隨處可見：手機(jī)、藍(lán)牙、無線上網(wǎng)，衛(wèi)星電視、GPS定位、RFID等。2000年908070605040302010190010電報(bào)廣播雷達(dá)衛(wèi)星通信移動通信DBS商用GPS3G移動通信UWB通信DVB-HRFID1.5課程內(nèi)容設(shè)置從典型RF系統(tǒng)看本課程內(nèi)容設(shè)置Antenna無線通信系統(tǒng)原理框圖無線通信系統(tǒng)射頻前端原理框圖

雷達(dá)系統(tǒng)框圖1-發(fā)射機(jī)(Transmitter)2-隔離器(Isolator)3-天線收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)(diplexer)4-饋線波導(dǎo)(FeedingWaveguide)5-旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(Rotator)6-輻射器(Radiator)7-天線反射器(Reflector)8-混頻器(Mixer)9-可變衰減器(variableattenuator)10-本地振蕩器(LocalOscillator)11-中頻接收機(jī)(IFreceiver)6412389101157接收機(jī)-1990，加拿大MDA太空系統(tǒng)接收機(jī)-1987，加拿大MDA太空系統(tǒng)400MHzRF/MW系統(tǒng)通常由這樣幾類裝置組成：傳輸線：傳輸RF/MW信號的裝置。無源器件：完成微波信號和功率的分配、控制和濾波等功能的裝置，沒有進(jìn)行微波能量與其他能量（如直流）的轉(zhuǎn)換,如濾波器，雙工器，耦合器等。有源器件：產(chǎn)生、放大、變換微波信號和功率的裝置，一般要將微波能量與其他能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。天線：輻射或接收電磁波的裝置。正是上述裝置構(gòu)成了本課程內(nèi)容。無源器件:電容，電感，電阻，傳輸線濾波器，功分器，雙工器，阻抗匹配器，環(huán)形器，諧振器，天線有源器件:二極管，三極管，功放器，混頻器，震蕩器，多路復(fù)用器,速調(diào)管Kystron速調(diào)管-1940，美國MDA太空系統(tǒng)400MHzKystron速調(diào)管-1960，加拿大，當(dāng)然，RF/MW應(yīng)用還涉及其他重要方面，如：電波傳播RF/MW測量RF/MW仿真與計(jì)算盡管很重要，由于課時有限，本課程不講授。1.6本課程要求與建議成績評定與作業(yè)要