1射頻微波工程介紹

11.1常用無線電頻段

當今社會,技術發(fā)展之迅猛,對人們生活影響之重大,首推無線電技術。射頻/微波工程就是這一領域的核心。過去的100多年來,人們對射頻/微波技術的認識和使用日趨成熟。 從圖1-1所示無線電技術的發(fā)展歷史,無線通信是近年射頻與微波電路發(fā)展的最大推動力。2圖1-1無線電技術的發(fā)展歷史3

對電磁波頻譜的劃分是美國國防部于第二次世界大戰(zhàn)期間提出的,后由國際電工電子工程協(xié)會（IEEE）推廣,被工業(yè)界和政府部門廣泛接受。具體電磁波頻譜分段見表1-1。在整個電磁波譜中,射頻/微波處于普通無線電波與紅外線之間,是頻率最高的無線電波,它的頻帶寬度比所有普通無線電波波段總和大1000倍以上,可攜帶的信息量不可想象。一般情況下,射頻/微波頻段又可劃分為米波（波長10～1m,頻率30～300MHz）、分米波（波長10～1dm,頻率300～3000MHz）、厘米波（波長10～1cm,頻率3～30GHz）和毫米波（波長10～1mm,頻率30～300GHz）四個波段。其后是亞毫米波、遠紅外線、紅外線、可見光。4表1-1電磁波頻譜分段5

以上這些波段的劃分并不是唯一的,還有其他許多不同的劃分方法,它們分別由不同的學術組織和政府機構提出,甚至還在相同的名稱代號下有不同的范圍,因此波段代號只是大致的頻譜范圍。其次,以上這些波段的分界也并不嚴格,工作于分界線兩邊臨近頻率的系統(tǒng)并沒有質和量上的躍變,這些劃分完全是人為的,僅是一種助記符號。

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對不同頻段無線電信號的使用不能隨意確定。也就是說,頻譜作為一種資源,各國各級政府都有相應的機構對無線電設備的工作頻率和發(fā)射功率進行嚴格管理。國際范圍內(nèi)更有詳細的頻譜用途規(guī)定,即CCIR建議文件,在這個文件中,規(guī)定了雷達、通信、導航、工業(yè)應用等軍用或民用無線電設備所允許的工作頻段。表1-2是各無線電頻段的基本用途。各個用途在相應頻段內(nèi)只占有很小的一段頻譜或點頻工作。7表1-2各無線電頻段的基本用途

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和平年代,在某個地區(qū),要避免用途不同的無線電設備使用相同的頻率,否則,將會帶來災難性的后果。相反地,在電子對抗或電子戰(zhàn)系統(tǒng)中,就是要設法掌握敵方所使用的無線電頻率,給對方實施毀滅性打擊。 目前,發(fā)展最快的民用領域是移動通信。巨大的市場潛力和飛速的更新步伐,使得這一領域成為全球的一個支柱產(chǎn)業(yè)。表1-3給出了常用移動通信系統(tǒng)頻段分布及其工作方式。 作為工科電子類專業(yè)的學生,有必要掌握這方面的知識。9表1-3常用移動通信系統(tǒng)頻段分布10

一般地,射頻/微波技術所涉及的無線電頻譜是表1-1中甚高頻(VHF)到毫米波段或者P波段到毫米波段很寬范圍內(nèi)的無線電信號的發(fā)射與接收設備的工作頻率。具體地,這些技術包括信號的產(chǎn)生、調(diào)制、功率放大、輻射、接收、低噪聲放大、混頻、解調(diào)、檢測、濾波、衰減、移相、開關等各個模塊單元的設計和生產(chǎn)。它的基本理論是經(jīng)典的電磁場理論。研究電磁波沿傳輸線的傳播特性有兩種分析方法。一種是“場”的分析方法,即從麥克斯韋方程出發(fā),在特定邊界條件下解電磁波動方程,求得場量的時空變化規(guī)律,分析電磁波沿線的各種傳輸特性；

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另一種是“路”的分析方法,即將傳輸線作為分布參數(shù)電路處理,用基爾霍夫定律建立傳輸線方程,求得傳輸線上電壓和電流的時空變化規(guī)律,分析電壓和電流的各種傳輸特性。用這兩種方法研究同一個問題,其結論是相同的。到底是用“場”的方法還是用“路”的方法,應由研究的方便程度來決定。對于射頻/微波工程中的大量問題,采用網(wǎng)絡方法和分布參數(shù)概念可以得到滿意的工程結果,而不是拘泥于嚴謹?shù)柠溈怂鬼f方程組及其數(shù)值解法。12

在射頻/微波頻率范圍內(nèi),模塊的幾何尺寸與信號的工作波長可以比擬,分布參數(shù)概念始終貫穿于工程技術的各個方面。而且,同一功能的模塊,在不同的工作頻段的結構和實現(xiàn)方式大不相同。“結構就是電路”是射頻/微波電路的顯著特征。射頻/微波電路的設計目標就是處理好材料、

結構與電路功能的關系。131.2射頻/微波的重要特性 1.2.1射頻/微波的基本特性

1．似光性 射頻/微波能像光線一樣在空氣或其他媒體中沿直線以光速傳播,在不同的媒體界面上存在入射和反射現(xiàn)象。這是因為射頻/微波的波長很短,比地球上的一般物體（如艦船、飛機、火箭、導彈、汽車、房屋等）的幾何尺寸小的多或在同一個數(shù)量級。

當射頻/微波照射到這些物體上時將產(chǎn)生明顯的反射,對于某些物體將會產(chǎn)生鏡面反射。14

因此,可以制成尺寸、體積合適的天線,用來傳輸信息,實現(xiàn)通信；可接收物體所引起的回波或其他物體發(fā)射的微弱信號,用來確定物體的方向、距離和特征,實現(xiàn)雷達探測。

2.穿透性 射頻/微波照射某些物體時,能夠深入物體的內(nèi)部。微波（特別是厘米波段）信號能穿透電離層,成為人們探測外層空間的宇宙窗口；能夠穿透云霧、植被、積雪和地表層,具有全天候的工作能力,是遙感技術的重要手段；能夠穿透生物組織,是醫(yī)學透熱療法的重要方法；能穿透等離子體,是等離子體診斷、研究的重要手段。15 3.非電離性 一般情況下,射頻/微波的量子能量還不夠大,不足以改變物質分子的內(nèi)部結構或破壞物質分子的鍵結構。由物理學可知,在外加電磁場周期力的作用下,物質內(nèi)分子、原子和原子核會產(chǎn)生多種共振現(xiàn)象,其中,許多共振頻率就處于射頻/微波頻段。這就為研究物質內(nèi)部結構提供了強有力的實驗手段,從而形成了一門獨立的分支學科——微波波譜學。從另一方面考慮,利用物質的射頻/微波共振特性,可以用某些特定的物質研制射頻/微波元器件,完成許多射頻/微波系統(tǒng)的建立。16 4.信息性 射頻/微波頻帶比普通的中波、短波和超短波的頻帶要寬幾千倍以上,這就意味著射頻/微波可以攜帶的信息量要比普通無線電波可能攜帶的信息量大的多。因此,現(xiàn)代生活中的移動通信、多路通信、圖像傳輸、衛(wèi)星通信等設備全都使用射頻/微波作為傳送手段。 射頻/微波信號還可提供相位信息、極化信息、多普勒頻移信息等。這些特性可以被廣泛應用于目標探測、

目標特征分析、

遙測遙控、

遙感等領域。17

1.2.2射頻/微波的主要優(yōu)點 由上述基本特性可歸納出射頻/微波與普通無線電相比有以下優(yōu)點: (1)頻帶寬?？蓚鬏?shù)男畔⒘看蟆?/p>

(2)分辨率高。連續(xù)波多普勒雷達的頻偏大,成像更清晰,反應更靈敏。

(3)尺寸小。電路元件和天線體積小。

(4)干擾小。不同設備相互干擾小。

(5)速度快。數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和信號處理速度快。(6)頻譜寬。頻譜不擁擠,不易擁堵,軍用設備更可靠。18 1.2.3射頻/微波的不利因素

由于射頻/微波本身的特點,也會帶來一些局限性。主要體現(xiàn)在如下幾個方面: (1)元器件成本高。

(2)輻射損耗大。

(3)大量使用砷化鎵器件,而不是通常的硅器件。

(4)電路中元件損耗大,輸出功率小。

(5)設計工具精度低,成熟技術少。 這些問題都是我們必須面對的,在工程中應合理設計電路,取得一個比較好的折中方案。191.3射頻/微波工程中的核心問題 1.3.1射頻鐵三大核心指標 由于頻率、阻抗和功率是貫穿射頻/微波工程的三大核心指標。它能夠形象地反映射頻/微波工程的基本內(nèi)容。這三方面既有獨立特性,又相互影響。三者的關系可以用圖1-2表示。20圖1-2頻率、阻抗和功率的關系21 1.3.2射頻鐵三角的內(nèi)涵

1.頻率 頻率是射頻/微波工程中最基本的一個參數(shù),對應于無線系統(tǒng)所工作的頻譜范圍,也規(guī)定了所研究的微波電路的基本前提,進而決定微波電路的結構形式和器件材料。直接影響射頻/微波信號頻率的主要電路有：

(1)信號產(chǎn)生器：用來產(chǎn)生特定頻率的信號,如點頻振蕩器、機械調(diào)諧振蕩器、壓控振蕩器、頻率合成器等。22 (2)頻率變換器：將一個或兩個頻率的信號變?yōu)榱硪粋€所希望的頻率信號,如分頻器、變頻器、倍頻器、混頻器等。

(3)頻率選擇電路：在復雜的頻譜環(huán)境中,選擇所關心的頻譜范圍。經(jīng)典的頻率選擇電路是濾波器,如低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器等。近年發(fā)展起來的高速電子開關由于體積小,在許多方面取代了濾波器來實現(xiàn)頻率選擇。在射頻/微波工程中,這些電路可以獨立工作,也可以相互組合,還可以與其他電路組合,構成射頻/微波電路子系統(tǒng)。 這些電路的測量儀器有頻譜分析儀、

頻率計數(shù)器、

功率計、

網(wǎng)絡分析儀等。23 2.功率 功率用來描述射頻/微波信號的能量大小。所有電路或系統(tǒng)的設計目標都是實現(xiàn)射頻/微波能量的最佳傳遞。影響射頻/微波信號功率的主要電路有：

(1)衰減器:控制射頻/微波信號功率的大小。通常由有耗材料（電阻性材料）構成,有固定衰減量和可調(diào)衰減量之分。

(2)功分器:將一路射頻/微波信號分成若干路的組件,可以是等分的,也可以是比例分配的,希望分配后信號的損失盡可能小。功分器也可用作功率合成器,在各個支路口接同頻同相等幅信號,在主路疊加輸出。24 (3)耦合器:定向耦合器是一種特殊的分配器。通常是耦合一小部分功率到支路,用以檢測主路信號的工作狀態(tài)是否正常。分支線耦合器和環(huán)形橋耦合器可實現(xiàn)不同相位的功率分配/合成，配合微波二極管,完成多種功能微波電路,如混頻、變頻、移相等

(4)放大器：提高射頻/微波信號功率的電路,在射頻/微波工程中地位極為重要。用于接收的是小信號放大器,該類放大器著重要求低噪聲、高增益。用于發(fā)射的是功率放大器,對于該類放大器,為了滿足要求的輸出功率,可以不惜器件和電源成本。用于測試儀器的放大器,完善和豐富了儀器的功能。25 3.阻抗 阻抗是在特定頻率下,描述各種射頻/微波電路對微波信號能量傳輸?shù)挠绊懙囊粋€參數(shù)。 電路的材料和結構對工作頻率的響應決定電路阻抗參數(shù)的大小。工程實際中,應設法改進阻抗特性,實現(xiàn)能量的最大傳輸。所涉及的射頻/微波電路有：

(1)阻抗變換器:增加合適的元件或結構,實現(xiàn)一個阻抗向另一個阻抗的過渡。

(2)阻抗匹配器:一種特定的阻抗變換器,實現(xiàn)兩個阻抗之間的匹配。

(3)天線:一種特定的阻抗匹配器,實現(xiàn)射頻/微波信號在封閉傳輸線和空氣媒體之間的匹配傳輸。261.4射頻/微波電路的應用

射頻/微波電路的經(jīng)典用途是通信和雷達系統(tǒng)。近年來發(fā)展最為迅猛的當數(shù)個人通信系統(tǒng),當然,導航、遙感、科學研究、生物醫(yī)學和微波能的應用也占有很大的市場份額。下面歸納出射頻/微波電路的各種用途,并給出幾個應用實例。

(1)無線通信系統(tǒng):

空間通信,遠距離通信,無線對講,蜂窩移動,個人通信系統(tǒng),無線局域網(wǎng),衛(wèi)星通信,航空通信,航海通信,機車通信,業(yè)余無線電等。27微波接力通訊28蜂窩電話系統(tǒng)29 (3)導航系統(tǒng)： 微波著陸系統(tǒng)（MLS）,GPS,無線信標,防撞系統(tǒng),航空、航海自動駕駛等。

(4)遙感： 地球監(jiān)測,污染監(jiān)測,森林、農(nóng)田、魚汛監(jiān)測,礦藏、沙漠、海洋、水資源監(jiān)測,風、

雪、

冰、

凌監(jiān)測,城市發(fā)展和規(guī)劃等。

30 (5)射頻識別：保安,防盜,入口控制,產(chǎn)品檢查,身份識別,自動驗票等。

(6)廣播系統(tǒng)： 調(diào)幅（AM）,調(diào)頻（FM）廣播,電視（TV）等。

(7)汽車和高速公路： 自動避讓,路面告警,障礙監(jiān)測,路車通信,交通管理,速度測量,智能高速路等。

(8)傳感器： 潮濕度傳感器,溫度傳感器,長度傳感器,探地傳感器,機器人傳感器等。31 (9)電子戰(zhàn)系統(tǒng)：間諜衛(wèi)星,輻射信號監(jiān)測,行軍與阻擊等。

(10)醫(yī)學應用：磁共振成像,微波成像,微波理療,加熱催化,病房監(jiān)管等。

(11)空間研究:射電望遠鏡,外層空間探測等。

(12)無線輸電:空對空,地對空,空對地,地對地輸送電能等。32雷達333435衛(wèi)星通訊363738射電天文望遠鏡微波爐3940微波治療儀411.5射頻/微波系統(tǒng)舉例 1.5.1射頻/微波通信系統(tǒng)

1.基本原理 射頻/微波通信的基本原理就是利用其似光傳輸特性,穿越空氣,實現(xiàn)信息的無線傳遞。 如圖1-3所示,基本的通信系統(tǒng)就是成對的發(fā)射機和接收機。42圖1-3基本通信系統(tǒng)43 2.微波通信數(shù)據(jù)鏈圖1-4是微波通信和專用微波數(shù)據(jù)鏈的系統(tǒng)示意圖。44圖1-4微波通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)示意圖45 3.衛(wèi)星通信 圖1-5是K波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的地面站結構框圖。圖1-6是K波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖。46圖1-5衛(wèi)星地面站結構框圖47圖1-6衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖48 1.5.2雷達系統(tǒng)

1.基本原理 雷達的原意為無線電探測與定位,基本原理是發(fā)射的微波信號遇到目標后反射回來,檢測發(fā)射信號與接收信號之間的關系,即可確定目標的信息。圖1-7是雷達的基本原理示意圖。49圖1-7雷達基本原理示意圖50 2.脈沖雷達 脈沖雷達是雷達的一種基本形式。對連續(xù)波微波信號進行脈沖調(diào)幅,發(fā)射出去的信號就是微波脈沖。檢測回波脈沖信號與發(fā)射脈沖信號的時間差(微波傳輸?shù)乃俣仁枪馑?，即可確定目標的距離。圖1-8是脈沖雷達的結構框圖。51圖

1-8脈沖雷達結構框圖

52 3．多普勒雷達 多普勒（Doppler）雷達是依靠移動目標所引起的多普勒頻移信息的一種雷達體制,具有很強的距離鑒別能力和速度鑒別能力,能夠在復雜的背景下檢測出目標。它有連續(xù)波和脈沖兩種形式,如圖1-9和圖

1-10所示。53圖1-9連續(xù)波多普勒雷達結構示意圖54圖1-10脈沖多普勒雷達結構示意圖55 4.高度表 高度表是各種飛行器的必備儀表。發(fā)射信號與接收信號的頻移含有目標距離的信息。 如果目標是地面,就可確定出飛行器的距地面高度。圖1-11是C波段高度表的結構框圖。56圖1-11C波段微波高度表結構框圖571.6射頻/微波工程基礎常識 1.6.1關于分貝的幾個概念 通常情況下,射頻/微波電路用波的概念來描述能量的傳遞,用功率而不用電壓或電流。 由于便于測量和運算,分貝用的最多。表1-4給出了與分貝相關的常見物理量及其用途。58表

1-4與分貝相關的常見物理量

59 1.6.2常用射頻/微波接頭 從1.5節(jié)可以看出,各種電路模塊需要用接插件連接起來。這種連接可以是硬連接,也可以通過電纜軟連接。電纜分為柔性電纜、軟電纜和半剛性電纜。工程中的具體選擇由總體結構、成本與性能等因素決定。表1-5給出常用接頭的性能。60表1-5常用射頻/微波接頭61

這些接頭都是陰—陽配對使用。旋接時一手捏緊陰頭端，另一手旋轉陽頭端螺套，使接頭插針沿軸向拔出或插入，不應旋轉陰頭端，以免損傷插針和插孔。接頭另一端焊接射頻/微波電路或與合適的電纜相接。62微波器件的發(fā)展6364微帶線

金屬導體帶條與接地板構成的傳輸線

介質接地平面導體帶條65某實際微帶電路66屏蔽盒中的微帶帶通濾波器67將微帶段折彎，以減小體積平行耦合微帶型帶通濾波器的變形同軸線輸入同軸線輸出68微帶線基板參數(shù)：介電常數(shù)、介質損耗角正切、基板高度和導線厚度

電特性參數(shù)：特性阻抗、工作頻率、工作波長、波導波長和電長度

微帶線參數(shù)：寬度、長度和單位長度衰減量69微帶線微帶線是射頻/微波電路的重要組成部分，提供給器件一個合適的支架。射頻路徑上金屬線條的尺寸具有物理意義微帶線可構成電容、電感、濾波器、耦合器等無源器件70微帶線應用微帶線構成濾波器微帶線構成耦合器微帶線構成電容71微帶線構成

匹配電路功率放大器電原理圖功率放大器印制版圖72介質腔分頻鎖相振蕩器用于頻率監(jiān)測為分頻片提供信號振蕩器輸出平行線型耦合器平行線定向耦合器的應用73射頻器件實際設計步驟確定技術指標選擇元器件設計電原理、印制版圖組裝、焊接調(diào)測