射頻電路第1次課-第1章射頻電子學概述1.1~1.3

射頻電路授課老師：林昌華Email:676715918@QQ.com教材：第一章射頻電子學概述1.1

關于射頻和射頻電路概念射頻和無線電頻率在英語詞匯里都是RadioFrequency，縮寫為RF，意思是可以輻射到空間的電磁波頻率。頻率達到射頻的信號叫做射頻信號。射頻信號在自由空間傳播時的速度等于光速，即c=f·λ=3×108m/s。式中,f

為頻率；λ為波長；c為光速。因為真空光速是一個常量，所以頻率與波長成反比，頻率越高波長越短。例如，當f=106Hz=1MHz時，λ=300m；當f=103MHz=1GHz時，λ=30cm。當電路的尺寸小到可以與信號波長相比擬時,電路將出現一些特殊的性質，基爾霍夫（Kirhoff）低頻電路理論對此已不再適用，必須用分布參數電路理論對電路進行分析和解決有關問題。電路尺寸可以與射頻信號波長相比擬的電路稱為射頻電路（RFCircuit）。例如，北京時間2012年9月13日發(fā)布的iphone5的尺寸是123.8×58.6×7.6mm，3G工作頻率最高為2.1GHz,波長為143mm。無線電頻率從低到高的排列次序就是無線電頻譜。表1.1將無線電頻譜劃分為若干頻段。不同頻段的無線電信號的傳輸特性和用途不同。對于工作頻率高于30MHz(波長10m)的家用電器來說,就需要考慮元器件和接線的分布參數對電路性能的影響了。對于頻率從幾百MHz(波長1m左右)至4GHz（波長75mm）的電子設備來說，由于信號波長很短，電子電路中的元器件和接線的分布參數對電路工作性能的影響很大，就必須運用射頻電路理論指導電路的分析和設計。設計集中參數的低頻電路采用的基爾霍夫電路定律不再適用。表1.1無線電頻段

波長(波長)頻率(頻段)

通

用

名主

要

應

用100km以上3

kHz極低頻(ELF)

水下通信10～100km3～30

kHz甚低頻(VLF)

海上通信1～10km30～300kHz低頻(LF)或長波(LW)

調幅廣播100～1000m300～3000kHz中頻(MF)或中波(MW)調幅廣播10～100m3～30MHz高頻(HF)或短波(SW)調幅廣播、業(yè)余無線電1～10m30～300

MHz甚高頻(VHF)調頻廣播、電視(注：需要考慮分布參數的影響)0.1～1.0m300～3000MHz特高頻(UHF)電視、蜂窩電話(注：采用分布參數理論設計)10～100mm3～30

GHz超高頻(SHF)固定無線、衛(wèi)星通信(注：采用場模式理論)1～10mm30～300GHz極高頻(EHF)衛(wèi)星通信、雷達(注：采用場模式理論)在無線電頻譜中，從300MHz～

3THz是微波區(qū),如表1.2所示。微波的波長從1.0m～0.1mm,分為分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波4個波段。當電路的工作頻率高于4GHz時,波長甚至低于電路的尺寸，需要用到場模式理論及TE(TransverseElectricField)

和TM(TransverseMagnetic

Field)傳輸線,這超出了本課程的射頻電路學習范疇。表1.2IEEE/工業(yè)標準微波段命名

波段命名頻率（GHz）波段命名頻率（GHz）UHF0.3～1Ku12～18L1～2K18～27

S2～4Ka27～40C4～8毫米40～300X8～12亞毫米＞3001.2射頻電路的應用從1897年馬可尼(GuglielmoMarconi)開始無線電長距離通信起,無線電通信的工作頻率就在不斷提高。目前，3G移動通信最高工作頻率已經達到2.1GHz,全球定位系統(tǒng)(GPS)工作于1227.60～1575.42MHz,14～83頻道的電視廣播工作于470～

890MHz,無線局域網(WLAN)的工作頻率也在GHz頻段。對計算機來說,高速大容量的服務器和個人計算機所采用的時鐘脈沖頻率不斷增加,計算機主頻的工作頻率已經達到GHz,同樣需要考慮電路在射頻下的設計問題。還有一些電器的遙控裝置也采用了射頻技術，例如，PPT放映遙控器。其技術參數如下。發(fā)射器遙控方式RF射頻技術發(fā)射頻率2.402GHzRF輸出功率0dBm控制距離10m激光功率＜1mWor5mW波長630～680nm工作電壓3V休眠電流1μA電池1×CR2032尺寸32×87×8mm總量17g接收器操作系統(tǒng)Windows98/Se,Me,2000,XP,MacOS,Linux,Vista接收頻率2.402GHz接收靈敏度-90dBm遙控方式RF射頻技術USB版本USB1.1兼容USB2.0工作電壓4.5～5.5V尺寸32×63×8總量11g當今蓬勃發(fā)展的物聯網(InternetofThings)更是需要大量應用射頻識別(RadioFrequencyIdentification，RFID)技術。所謂“物聯網”，就是“物物相連的互聯網”。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網Internet，它是在互聯網基礎上擴展的網絡；第二，其終端延伸到了任何物品Things，組成了物與物相連的網絡，在人與物、物與物之間進行信息交換和操控。物聯網中的RFID和二維碼對物體的技術規(guī)格、商品屬性、物流流程等進行標識。讀寫器標簽與磁卡、ＩＣ卡等接觸式識別技術不同，ＲＦＩＤ系統(tǒng)的讀寫器與標簽之間無須物理接觸就可完成讀寫和識別功能，因而可實現多目標識別、運動目標識別，可應用到更廣泛的場合。射頻識別基本原理典型的射頻識別系統(tǒng)由標簽、讀寫器和數據交換管理系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)的基本工作原理為：讀寫器不斷發(fā)出一組固定頻率的射頻信號，當非接觸標簽內的ＬＣ串聯諧振電路進入讀寫器的覆蓋區(qū)域內，在射頻電磁波激勵下，ＬＣ諧振電路產生共振。共振使標簽內的電容有了電荷，此時在電容另一端接的一個單向導通電子泵就可以將電容內的電荷送到另一個電容內并存儲。當所積累的電荷的電壓值達到２Ｖ時，這個電壓就可作為標簽的工作電源。此時，標簽響應讀寫器的要求，將信息讀出后調制發(fā)出，供讀寫器接收。標簽內的Ｅ２ＰＲＯＭ存儲有電子標簽唯一的長度為６４位的ＩＤ號和用戶數據。

RFID標簽與讀寫器之間的無線通信頻段有多種，如下表所示。相應的射頻識別系統(tǒng)都有國際標準予以支持。工作頻率低于30MHz的電子標簽的成本較低、標簽內保存的數據量也較少、閱讀距離較短（無源情況，典型閱讀距離為10cm）、電子標簽外形多樣（卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀）、閱讀天線方向性弱。由于低于30MHz的電子標簽有以上優(yōu)點，中國電信、移動和聯通三大運營商2010年8月26日達成共識，手機支付業(yè)務采用銀聯主導的13.56MHz標準。以前，中國移動曾經進行過2.4GHz的RF-SIM手機支付試驗。30MHz以下系統(tǒng)使用最廣，但數據速率低，傳輸距離短。它可以在一定環(huán)境下替代條碼，用在工廠的流水線等場合跟蹤物體。工作頻率高于400MHz的電子標簽及閱讀器成本均較高、標簽內保存的數據量較大、閱讀距離較遠（可達幾米至十幾米），適應物體高速運動性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及電子標簽天線均有較強的方向性。400MHz以上系統(tǒng)通信距離遠，可用在自動收費或識別車輛身份等場合。缺點是耗電量較大。射頻電路有如下一些優(yōu)點。1)

采用射頻可以獲得更高的數據傳輸速率一般來說，工作頻率越高，可以達到的數據傳輸速率就越高。例如，在二進制數字調制系統(tǒng)中，可以用一個或多個載波周期的幅度、頻率或相位的變化來表示一個二進制數1或0。這種情況下的數據速率最高等于載波頻率，載波頻率越高，數據速率也就越高。2)采用射頻可以縮小天線和射頻電路的體積無線通信需要采用天線發(fā)射和接收信號。如果天線的尺寸可以與波長相比擬，天線輻射和接收電磁波就更為有效。工作頻率越高,波長越短,天線尺寸也就越小，這樣有助于滿足移動通信對天線尺寸小型化的要求。射頻電路中電感和電容等元器件的尺寸很小,這有助于減小設備的體積。3)空間噪聲是影響通信質量的最主要因素。當頻率高到一定程度時(如100MHz)，噪聲功率便會下降；當頻率達到1GHz時，外部空間噪聲影響消失，這是一個巨大的優(yōu)點。4）射頻的傳輸衰減很大，傳輸距離短。這看起來是缺點，對于小區(qū)制蜂窩移動通信和射頻識別系統(tǒng)來說確是一個優(yōu)點。傳輸距離短可以提高蜂窩移動通信系統(tǒng)的頻率再用率，降低射頻識別系統(tǒng)的差錯。1.3我國射頻電路的研發(fā)情況隨著射頻電路的廣泛應用和不斷發(fā)展,射頻電路的工作頻率范圍不斷向更高的頻率延伸,已有資料顯示，工作頻率高達