第1章 射頻微波工程介紹 魏峰

主講人：魏峰射頻/微波電路導(dǎo)論

課程內(nèi)容安排共3個(gè)學(xué)分理論課程：19次課40個(gè)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課程：6次課12個(gè)學(xué)時(shí)考核：平時(shí)：到課率和平時(shí)作業(yè)，占30%期末：考試，占70%第1章射頻/微波工程介紹

1.1常用無線電頻段

1.2射頻/微波的重要特性

1.3射頻/微波工程中的核心問題

1.4射頻/微波電路的應(yīng)用

1.5射頻/微波系統(tǒng)舉例

1.6射頻/微波工程基礎(chǔ)常識(shí)

1.7射頻/微波工程就業(yè)前景1.1常用無線電頻段什么是射頻/微波？RF:RadioFrequency，本身沒有嚴(yán)格的定義，一般

[30MHz，3GHz]， 微波[3GH，300GHz]什么是射頻/微波電路？處理信號(hào)的電磁波長與電路或器件尺寸處于同一數(shù)量級(jí)的電路可以認(rèn)為是射頻電路，此時(shí)由于器件尺寸和導(dǎo)線尺寸的關(guān)系，電路需要用分布參數(shù)的相關(guān)理論來處理。

當(dāng)今社會(huì)，各種無線通信技術(shù)發(fā)展迅速。射頻/微波技術(shù)就是這一領(lǐng)域的核心。過去的100多年來，人們對(duì)射頻/微波技術(shù)的認(rèn)識(shí)和使用日趨成熟。圖1-1無線電技術(shù)的發(fā)展歷史對(duì)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(huì)（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。表1-1電磁波頻譜分段其后是遠(yuǎn)紅外線、紅外線、可見光。對(duì)不同頻段無線電信號(hào)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(jí)政府都有相應(yīng)的機(jī)構(gòu)對(duì)無線電設(shè)備的工作頻率和發(fā)射功率進(jìn)行嚴(yán)格管理。國際范圍內(nèi)更有詳細(xì)的頻譜用途規(guī)定，即CCIR建議文件，在這個(gè)文件中，規(guī)定了雷達(dá)、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(gè)用途在相應(yīng)頻段內(nèi)只占有很小的一段頻譜或點(diǎn)頻工作。表1-2各無線電頻段的基本用途

和平年代，在某個(gè)地區(qū)，要避免用途不同的無線電設(shè)備使用相同的頻率，否則，將會(huì)帶來災(zāi)難性的后果。相反地，在電子對(duì)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(duì)方實(shí)施毀滅性打擊。目前，發(fā)展最快的民用領(lǐng)域是移動(dòng)通信。巨大的市場(chǎng)潛力和飛速的更新步伐，使得這一領(lǐng)域成為全球的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。表1-3給出了常用移動(dòng)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(xué)生，有必要掌握這方面知識(shí)。表1-3常用移動(dòng)通信系統(tǒng)頻段分布無線通信技術(shù)演進(jìn)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(hào)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(hào)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(cè)、濾波、衰減、移相、開關(guān)等各個(gè)模塊單元的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。它的基本理論是經(jīng)典的電磁場(chǎng)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(chǎng)”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(dòng)方程，求得場(chǎng)量的時(shí)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(shí)空變化規(guī)律，分析電壓和電流的各種傳輸特性。到底是用“場(chǎng)”的方法還是用“路”的方法，應(yīng)由研究的方便程度來決定。對(duì)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。 在射頻/微波頻率范圍內(nèi)，模塊的幾何尺寸與信號(hào)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(gè)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(shí)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(jì)目標(biāo)就是處理好材料、

結(jié)構(gòu)與電路功能的關(guān)系。1.2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?yàn)樯漕l/微波的波長很短，比地球上的一般物體（如艦船、飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、汽車、房屋等）的幾何尺寸小的多或在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)射頻/微波照射到這些物體上時(shí)將產(chǎn)生明顯的反射，對(duì)于某些物體將會(huì)產(chǎn)生鏡面反射。因此，可以制成尺寸、體積合適的天線，用來傳輸信息，實(shí)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(hào)，用來確定物體的方向、距離和特征，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)。2.穿透性射頻/微波照射某些物體時(shí)，能夠深入物體的內(nèi)部。微波（特別是厘米波段）信號(hào)能穿透電離層，成為人們探測(cè)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。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(chǎng)周期力的作用下，物質(zhì)內(nèi)分子、原子和原子核會(huì)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(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)手段，從而形成了一門獨(dú)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。4.信息性射頻/微波頻帶比普通的中波和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(dòng)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(hào)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(biāo)探測(cè)、目標(biāo)特征分析、遙測(cè)遙控、遙感等領(lǐng)域。1.2.2射頻/微波的主要優(yōu)點(diǎn)(1)頻帶寬：可傳輸?shù)男畔⒘看蟆?2)分辨率高：連續(xù)波多普勒雷達(dá)的頻偏大，成像更清晰，反應(yīng)更靈敏。(3)尺寸?。弘娐吩吞炀€體積小。(4)干擾?。翰煌O(shè)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(hào)處理速度快。(6)頻譜寬：頻譜不擁擠，不易擁堵，軍用設(shè)備更可靠。1.2.3射頻/微波的不利因素(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(shè)計(jì)工具精度低，成熟技術(shù)少。這些問題都是我們必須面對(duì)的，在工程中應(yīng)合理設(shè)計(jì)電路，取得一個(gè)比較好的折中方案。1.3射頻/微波工程中的核心問題1.3.1射頻鐵三角由于頻率、阻抗和功率是貫穿射頻/微波工程的三大核心指標(biāo)，故將其稱為射頻鐵三角。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(dú)立特性，又相互影響。三者的關(guān)系可以用圖1-2表示。圖1-2頻率、阻抗和功率的鐵三角關(guān)系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(gè)參數(shù)，是所研究的微波電路的基本前提，決定微波電路的結(jié)構(gòu)形式和器件材料。直接影響射頻/微波信號(hào)頻率的主要電路有：(1)信號(hào)產(chǎn)生器：用來產(chǎn)生特定頻率的信號(hào)，如點(diǎn)頻振蕩器、壓控振蕩器、頻率合成器等。(2)頻率變換器：將一個(gè)或兩個(gè)頻率的信號(hào)變?yōu)榱硪粋€(gè)所希望的頻率信號(hào)，如分頻器、變頻器、混頻器等。(3)頻率選擇電路：在復(fù)雜的頻譜環(huán)境中，選擇所關(guān)心的頻譜范圍，經(jīng)典的頻率選擇電路是濾波器。這些電路的測(cè)量儀器有頻譜分析儀、功率計(jì)、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。2.功率功率用來描述射頻/微波信號(hào)的能量大小。所有電路或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)都是實(shí)現(xiàn)射頻/微波能量的最佳傳遞。主要電路有：(1)衰減器:控制信號(hào)功率的大小。通常由有耗材料（電阻性材料）構(gòu)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(hào)分成若干路的組件，可以等分，也可以按比例分配，希望分配后信號(hào)損失盡可能小。(3)耦合器:定向耦合器是一種特殊的分配器。(4)放大器：提高射頻/微波信號(hào)功率的電路。用于接收的是小信號(hào)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，該類放大器著重要求高增益。3.阻抗阻抗是在特定頻率下，描述各種射頻/微波電路對(duì)微波信號(hào)能量傳輸?shù)挠绊懙囊粋€(gè)參數(shù)。電路的材料和結(jié)構(gòu)對(duì)工作頻率的響應(yīng)決定電路阻抗參數(shù)的大小。工程實(shí)際中，應(yīng)設(shè)法改進(jìn)阻抗特性，實(shí)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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)阻抗向另一個(gè)阻抗的過渡。(2)阻抗匹配器:一種特定的阻抗變換器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)阻抗之間的匹配。(3)天線:一種特定的阻抗匹配器，實(shí)現(xiàn)射頻/微波信號(hào)在封閉傳輸線和空氣媒體之間的匹配傳輸。1.4射頻/微波電路的應(yīng)用射頻/微波電路的經(jīng)典用途是通信和雷達(dá)系統(tǒng)。近年來發(fā)展最為迅猛的當(dāng)數(shù)個(gè)人通信系統(tǒng)，導(dǎo)航、遙感、科學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)和微波能的應(yīng)用也占有很大的市場(chǎng)份額。(1)無線通信系統(tǒng):個(gè)人通信系統(tǒng)，無線局域網(wǎng)，衛(wèi)星通信，微波中繼通信等。PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(2)雷達(dá)系統(tǒng)：雷達(dá)用無線電波來探測(cè)物體。能探測(cè)到物體是否存在，物體有多遠(yuǎn)，它在哪，它的移動(dòng)速度。航空雷達(dá)，氣象雷達(dá)，警用雷達(dá)等。(3)導(dǎo)航系統(tǒng)：當(dāng)今全球有四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)，分別是美國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)GPS，俄羅斯的GLONASS（格洛納斯）系統(tǒng)，歐洲的伽利略系統(tǒng)，中國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)。(4)遙感：利用可見光、紅外、微波等探測(cè)儀器，通過攝影或掃描、信息感應(yīng)、傳輸和處理，從而識(shí)別地面性質(zhì)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的技術(shù)系統(tǒng)。地球監(jiān)測(cè)，污染監(jiān)測(cè)，森林、農(nóng)田、魚汛監(jiān)測(cè)，礦藏、沙漠、海洋、水資源監(jiān)測(cè)，風(fēng)、雪、冰、凌監(jiān)測(cè)，城市發(fā)展和規(guī)劃等。(5)射頻識(shí)別：射頻識(shí)別技術(shù)（簡稱RFID）是現(xiàn)代信息技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，和傳統(tǒng)的磁卡、IC卡相比，它可以利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控及管理。生產(chǎn)運(yùn)輸倉儲(chǔ)門禁包裝停車(6)廣播系統(tǒng)：調(diào)幅（AM），調(diào)頻（FM）廣播，電視（TV）等。(7)醫(yī)學(xué)應(yīng)用：磁共振成像，微波成像，微波理療，加熱催化等。(8)空間研究:射電望遠(yuǎn)鏡，外層空間探測(cè)等。(9)無線輸電:無線輸電技術(shù)是一種利用無線電技術(shù)傳輸電力能量的技術(shù)，目前尚在實(shí)驗(yàn)階段?？諏?duì)空，地對(duì)空，空對(duì)地，地對(duì)地輸送電能等。1.5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(shí)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(duì)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。圖1-3基本通信系統(tǒng)2.微波通信數(shù)據(jù)鏈圖1-4微波通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)示意圖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(jié)構(gòu)框圖。圖1-6是K波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖。圖1-5衛(wèi)星地面站結(jié)構(gòu)框圖圖1-6衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖1.5.2雷達(dá)系統(tǒng)1.基本原理雷達(dá)的原意為無線電探測(cè)與定位，基本原理是發(fā)射的微波信號(hào)遇到目標(biāo)后反射回來，檢測(cè)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的關(guān)系，即可確定目標(biāo)的信息。圖1-7是雷達(dá)的基本原理示意圖。2.脈沖雷達(dá)脈沖雷達(dá)是雷達(dá)的一種基本形式。對(duì)連續(xù)波微波信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)幅，發(fā)射出去的信號(hào)就是微波脈沖。檢測(cè)回波脈沖信號(hào)與發(fā)射脈沖信號(hào)的時(shí)間差(微波傳輸?shù)乃俣仁枪馑?，即可確定目標(biāo)的距離。圖1-8是脈沖雷達(dá)的結(jié)構(gòu)框圖。圖1-8脈沖雷達(dá)結(jié)構(gòu)框圖

3．多普勒雷達(dá)多普勒（Doppler）雷達(dá)是依靠移動(dòng)目標(biāo)所引起的多普勒頻移信息的一種雷達(dá)體制，具有很強(qiáng)的距離鑒別能力和速度鑒別能力，能夠在復(fù)雜的背景下檢測(cè)出目標(biāo)。它有連續(xù)波和脈沖兩種形式，如圖1-9和圖1-10所示。圖1-9連續(xù)波多普勒雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖圖1-10脈沖多普勒雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖1.6射頻/微波工程基礎(chǔ)常識(shí)1.6.1關(guān)于分貝的幾個(gè)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(cè)量和運(yùn)算，分貝用的最多。表1-4給出了與分貝相關(guān)的常見物理量及其用途。功率/電平（dBm）

信號(hào)功率單位一般為w、mw、dBm

電平（dBm）=10lg[功率(mw)/1(mw)]

1W→10lg1000=30dBm

5W→10lg5000=37dBm10W→10lg10000=40dBm20W→10lg20000=43dBm從上不難看出，功率每增加一倍，電平值增加3dBm1.6.2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(jié)構(gòu)、成本與性能等因素決定。表1-5給出常用接頭的性能。1.6.3阻容感的射頻特性在射頻頻段，集總電阻、集總電容和集總電感的特性是不具有“純”的電阻、電容和電感的性質(zhì)，這是在射頻電路設(shè)計(jì)、模擬和布線過程中必須注意的1.電阻電容電感1.7射頻/微波工程就業(yè)就業(yè)射頻設(shè)計(jì)已成通信電路發(fā)展的瓶頸培養(yǎng)射頻人