射頻微波工程介紹

射頻微波工程介紹1第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日2圖1-1無線電技術(shù)的發(fā)展歷史1.1常用無線電頻段第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日射頻/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。一般情況下,射頻/微波頻段又可劃分為米波（波長10～1m）、分米波（波長10～1dm）、厘米波（波長10～1cm）和毫米波（波長10～1mm）四個波段。其后是亞毫米波、遠紅外線、紅外線、可見光。3第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日4

以上這些波段的劃分并不是惟一的,還有其他許多不同的劃分方法,它們分別由不同的學(xué)術(shù)組織和政府機構(gòu)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(zhì)和量上的躍變,這些劃分完全是人為的,僅是一種助記符號。第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日5表1-2各無線電頻段的基本用途

第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日6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(yīng)的機構(gòu)對無線電設(shè)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(dǎo)航、工業(yè)應(yīng)用等軍用或民用無線電設(shè)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(yīng)頻段內(nèi)只占有很小的一段頻譜或點頻工作和平年代,在某個地區(qū),要避免用途不同的無線電設(shè)備使用相同的頻率。

相反地,在電子對抗或電子戰(zhàn)系統(tǒng)中,就是要設(shè)法掌握敵方所使用的無線電頻率,給對方實施毀滅性打擊。第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日7

一般地,射頻/微波技術(shù)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(shè)備的工作頻率。

具體地,這些技術(shù)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(guān)等各個模塊單元的設(shè)計和生產(chǎn)。第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日8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；

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。對于射頻/微波工程中的大量問題,采用網(wǎng)絡(luò)方法和分布參數(shù)概念可以得到滿意的工程結(jié)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。1.2射頻/微波問題的分析方法第八頁，共五十一頁，2022年，8月28日

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(shù)的各個方面。而且,同一功能的模塊,在不同的工作頻段的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方式大不相同?！敖Y(jié)構(gòu)就是電路”是射頻/微波電路的顯著特征。射頻/微波電路的設(shè)計目標就是處理好材料、

結(jié)構(gòu)與電路功能的關(guān)系。9第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日10

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(dǎo)彈、汽車、房屋等）的幾何尺寸小的多或在同一個數(shù)量級。

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。1.3射頻/微波的基本特性第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日11

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(shù)的重要手段；

能夠穿透生物組織,是醫(yī)學(xué)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。第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日12

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(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞物質(zhì)分子的鍵結(jié)構(gòu)。由物理學(xué)可知,在外加電磁場周期力的作用下,物質(zhì)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(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了強有力的實驗手段,從而形成了一門獨立的分支學(xué)科——微波波譜學(xué)。

從另一方面考慮,利用物質(zhì)的射頻/微波共振特性,可以用某些特定的物質(zhì)研制射頻/微波元器件,完成許多射頻/微波系統(tǒng)的建立。第十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日13

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(shè)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(yīng)用于目標探測、

目標特征分析、

遙測遙控、

遙感等領(lǐng)域。第十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日14圖1-2頻率、阻抗和功率的鐵三角關(guān)系信號產(chǎn)生頻率變換頻率選擇1.4射頻/微波工程中的核心問題第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日15 (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。(2)導(dǎo)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。

(3)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。

1.5射頻/微波電路的應(yīng)用第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日16 (4)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。

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

(6)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。

(7)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。第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日17 (8)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。

(9)醫(yī)學(xué)應(yīng)用：磁共振成像,微波成像,微波理療,加熱催化,病房監(jiān)管等。

(10)空間研究:射電望遠鏡,外層空間探測等。

(11)無線輸電:空對空,地對空,空對地,地對地輸送電能等。第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日18微波設(shè)備系統(tǒng)微波電路無源電路有源電路微波傳輸線微波元件與網(wǎng)絡(luò)波導(dǎo)同軸線帶狀線微帶線…一端口二端口三端口四端口微波振蕩器微波放大器微波混頻器上變頻與倍頻微波控制電路微波半導(dǎo)體器件天線外圍結(jié)構(gòu)肖特基二極管變?nèi)荻O管階躍二極管雙極晶體管場效應(yīng)管PIN管…微波電真空器件與電源1.6射頻/微波電路分類第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日在微波集成電路技術(shù)研究中，設(shè)計師開始注意電路的背面——金屬介質(zhì)接地板的開發(fā)和利用1987年,提出了具有周期性結(jié)構(gòu)的光子帶隙結(jié)構(gòu)（PBG)，也稱光子晶體；1999年光子晶體(在物理學(xué)領(lǐng)域)被美國科學(xué)雜志評為當年10大科技成果;1999年,在光子帶隙結(jié)構(gòu)(PBG)基礎(chǔ)上提出了缺陷接地結(jié)構(gòu)（DGS）。19蝴蝶翅膀、海老鼠的毛——天然光子晶體1.7射頻/微波電路的發(fā)展第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日EBG結(jié)構(gòu)在微波電路中的應(yīng)用之所以稱為電磁帶隙結(jié)構(gòu)，也正反映了它的根本特性：對某個頻段的電磁波能產(chǎn)生抑制作用，它的優(yōu)越性在于不用增加電路的尺寸,只通過改變介質(zhì)的結(jié)構(gòu)或分布就可以實現(xiàn)帶隙特性，節(jié)省空間，應(yīng)用靈活，甚至可以實現(xiàn)一般微波結(jié)構(gòu)不能達到的功能。

電磁帶隙結(jié)構(gòu)可以采用金屬、介質(zhì)、鐵磁或鐵電物質(zhì)植入基質(zhì)材料，或者直接由各種材料周期性排列而成。電磁帶隙具有慢波特性，可以用來制作小型化器件和電路。20第二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日早期的EBG結(jié)構(gòu)通常采用在介質(zhì)基片打孔的方式制作僅在微帶電路的接地平面上光刻出周期性陣列小孔,也可以實現(xiàn)帶隙特性21第二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日一種新型EBG結(jié)構(gòu)22第二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日基于EBG的低通濾波器設(shè)計圖基于普通微帶線的低通濾波器設(shè)計圖23每個EBG結(jié)構(gòu)的阻帶帶隙所在頻段不盡相同,分布在頻段2.4GHz到20GHz中第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日(1)在通帶范圍內(nèi),最大波紋衰減兩者差別不大；(2)在中心頻率2.4GHz處的衰減兩者差別也不大；(3)利用EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計的過渡帶比利用普通微帶線方法設(shè)計要長一點;(4)對于阻帶,利用EBG結(jié)構(gòu)占有很大的優(yōu)勢,從3.56GHz到20GHz內(nèi),基本能使衰減都在20dB以上；(5)對于尺寸大小,利用EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計的低通濾波器總長為40mm,而利用普通微帶線設(shè)計的低通濾波器總長為48.72mm(不包括始端和末端特性阻抗為50Ω的微帶線的長度)。EBG結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果普通微帶線結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果24第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日2.4GHz功分器版圖25設(shè)計出一個EBG結(jié)構(gòu)單元,使其在2.4GHz頻率處的特性阻抗為70.7Ω,相移為90度第二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日5.8GHz功分器版圖26設(shè)計出一個EBG結(jié)構(gòu)單元,使其在5.8GHz頻率處的特性阻抗為70.7Ω,相移為90度第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日缺陷接地結(jié)構(gòu)（DGS）在微波集成電路中的應(yīng)用1999年，提出了啞鈴形的非周期PBG結(jié)構(gòu)，后來人們認為它就是DGS概念的來源，啞鈴結(jié)構(gòu)具有簡單的單極點的帶阻特性。DGS結(jié)構(gòu)與PBG結(jié)構(gòu)相比，在接地板上蝕刻圖形一點上是類似的，但是DGS結(jié)構(gòu)與PBG結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別在于DGS的非周期性。27這些DGS結(jié)構(gòu)傳輸線的諧振頻率點比較高,也就是由于傳輸線有效電感比較小,其原因是由于DGS結(jié)構(gòu)兩邊的蝕刻面積產(chǎn)生的有效電感比較小。第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日基于“E”形DGS設(shè)計的低通濾波器與傳統(tǒng)的微帶低通濾波器比較，采用DGS結(jié)構(gòu)設(shè)計的低通濾波器除了性能上優(yōu)越外，總體電路的尺寸更小。28螺旋形DGS結(jié)構(gòu)大大提高了微帶線的有效串聯(lián)電感“E”型DGS通過設(shè)計矩形大小、縫隙寬度、縫隙位置可以有效地增加等效電容或者等效電感第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日威爾金森功率分配器在實現(xiàn)高功分比時,需要使用高特性阻抗的傳輸線；普通微帶線可實現(xiàn)的最高特性阻抗范圍120Ω~130Ω,不可能實現(xiàn)大于150Ω的特性阻抗；缺陷接地結(jié)構(gòu)(DGS)技術(shù)正是解決這個難題的一種有效方法，在微帶傳輸線的接地板上刻蝕DGS，引入了附加電感L，提高了傳輸線的特性阻抗。1:k2不等功分比威爾金森功率分配器所需的特性阻抗值及其微帶線寬29第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日帶有DGS的1:4不等分功分器實物圖在中心頻率2.4GHz處,實現(xiàn)158.1Ω特性阻抗的普通微帶線線寬約為0.16mm,λ/4傳輸線的長度為24.25mm,而在DGS結(jié)構(gòu)下158.1Ω的微帶傳輸線的線寬為0.5mm,λ/4傳輸線的長度為20.5mm；顯見由于DGS的應(yīng)用,158.1Ω微帶線的線寬約為普通微帶線線寬的3.125倍,降低了加工難度,同時,λ/4傳輸線的長度縮短為原來的84.5%,可使電路更加小型化。30第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日左手材料的研制被《科學(xué)》雜志評為2003年度全球十大科學(xué)進展。311、宇宙大爆炸有新發(fā)現(xiàn)——暗物質(zhì)2、解開精神疾病之謎——特別的基因3、氣候變化的影響——全球變暖4、RNA研究新進展——小RNA對細胞行為的影響5、捕獲單分子——細胞中單個分子的活動6、恒星劇增與伽馬射線7、老鼠干細胞能發(fā)育出精子和卵細胞8、研制出“左手材料”9、破譯Y染色體10、癌癥治療的新藥物第三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日32第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日超常介質(zhì)在微波電路中的應(yīng)用復(fù)合左/右手傳輸線的雙頻特性純右手傳輸線的色散曲線是一條直線,即只需要一個頻率點的參數(shù)就可以確定其色散特性,從而另一個頻點只能在確定的位置上。因此,純右手傳輸線不存在雙頻特性；

對于給定特性阻抗的傳輸線，CRLH-TL的色散曲線可以由任意兩點()和()來確定,也就是說,CRLH-TL的色散曲線可以任意的彎曲以滿足雙頻特性。

33第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日CRLH-TL可以實現(xiàn)雙頻3dB電橋,并且可以通過選擇適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)電橋的小型化設(shè)計。34第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日90°相移代替λg/4的微帶線35第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日傳統(tǒng)的混合環(huán)定向耦合器小型化混合環(huán)耦合器-90°代替270°36第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日基片集成波導(dǎo)濾波器相關(guān)研究

微帶線作為一種平面的電路結(jié)構(gòu)，非常適合于系統(tǒng)的混合集成，但是同時這種結(jié)構(gòu)也存在一定的缺陷,由于存在介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗和福射損耗，因而它不適于工作在毫米波波段；

矩形波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)等非平面導(dǎo)波結(jié)構(gòu)雖然有著損耗小、性能高的優(yōu)點,但是由于其自身體積比較大以及難以集成加工,因此傳統(tǒng)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)很難廣泛地被應(yīng)用于高集成度系統(tǒng)中。

37第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日

基片集成波導(dǎo)是利用基片的上下金屬板和兩排間隔一定距離的金屬孔構(gòu)成波導(dǎo)的金屬壁，由于每排金屬孔的相鄰孔間距遠小于波長，因此由縫隙泄漏的能量很小，這相當于內(nèi)部填充了介質(zhì)的矩形波導(dǎo)，所以能夠用矩形普通波導(dǎo)實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)也都可以用基片集成波導(dǎo)來實現(xiàn)，比如濾波器、功分器、耦合器、振蕩器以及天線等。基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖38第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日對于加載SRR（開環(huán)諧振器）的波導(dǎo)來說,當它們高于截止頻率諧振時,SRR提供了一個阻帶。而當SRR的諧振頻率低于截至頻率諧振時,這個阻帶轉(zhuǎn)化為一個通帶。應(yīng)用這種特性去設(shè)計帶阻、帶通以及超寬帶濾波器。SRR結(jié)構(gòu)：(a)圓環(huán)型,(b)矩形39第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日帶通濾波器實物及S參數(shù)圖不受“在填充媒介中波導(dǎo)的橫向尺寸必須大于等于半波長”的約束40第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日微波混沌電路及在測距技術(shù)中的應(yīng)用測距領(lǐng)域中,根據(jù)探測信號波形的類型可分為以下三種類型:脈沖信號、隨機信號、混沌信號。

利用脈沖信號進行測距時,測量精度取決于脈沖信號寬度,測量距離取決于脈沖的峰值功率。當進行遠距離高精度測量時，對脈沖信號源提出較高要求，其裝置復(fù)雜，價格昂貴；

利用隨機信號(噪聲信號或者偽隨機碼)進行測距時，可以實現(xiàn)高精度、高抗干擾測量，然而高速信號發(fā)生器價格高昂；

混沌信號從波形上看與噪聲相似，同時具有頻帶寬、不可預(yù)知性、良好的自相關(guān)特性和“圖釘型”模糊函數(shù)，因而具有高精度、高抗干擾能力。且混純信號的產(chǎn)生裝置簡單、便宜，因此，在測距領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。41“混沌之父”美國科學(xué)家Lorenz對混沌定義給出了一個通俗的說法:一個真實的物理系統(tǒng),在排除了所有的隨機性影響后,仍然貌似隨機的表現(xiàn),那么這個系統(tǒng)就是混沌的。第四十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日某改進型Colpitts電路的實驗裝置圖42第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日混沌狀態(tài)的波形圖和頻譜圖43第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日測量傳輸線故障點的實驗裝置同軸電纜開路點定位檢測44第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日實際破損點檢測在距離檢測裝置50.4m處有一寬度為1cm的破損點。實驗中依次破壞電纜線的保護層、屏蔽層、絕緣層和銅導(dǎo)線，結(jié)果表明：除保護層外，當破壞電纜線的屏蔽層、絕緣層和銅導(dǎo)線，均可被探測到。45第四十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日混沌雷達測距裝置圖雷達測距結(jié)果46第四十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在射頻和微波無源器件建模中的應(yīng)用