1、射频技术基础,主讲：姜宏吉林大学通信工程学院,教材：射频电路理论与设计，黄玉兰编，人民邮电出版社参考书： 1.微波技术基础与应用， 陈振国编， 北京邮电大学出版社 2.射频/微波电路导论, 雷振亚，西安电子科技大学出版社 3. 现代微波技术基础，赵春晖等编，哈尔滨工程大学出版社,教学目的,本课程主要研究射频/微波传输的基本理论，是研究其它射频/微波技术问题的基础。本课程以经典的麦克斯韦方程为核心的场与波的理论为基础，使学生获得以下方面知识和能力： 1以“场”的观点分析、解决射频/微波系统中的实际问题； 2利用“路”的观点研究微波传输线的基本传输特性及其计算方法；学会“场”化为“路”的工程计算方
2、法； 3掌握射频/微波系统中阻抗匹配的概念和物理实质； 4掌握导波传输系统的电磁场结构与传输特性； 5掌握射频/微波网络参量矩阵的定义、散射矩阵的基本性质以及网络参量的计算方法； 6熟悉射频/微波工程中经常用到的射频/微波元器件的结构、工作原理、技术参数和特性，了解射频电路的设计。 7了解射频/微波技术的新发展。,课程主要内容,绪论 第一章 传输线的基本理论和阻抗匹配 第二章 射频传输线 第三章 射频网络基础 第四章 射频谐振器 第五章 功分器、定向耦合器和混合环 第六章 射频滤波器和铁氧体元件 第七章 射频有源电路 第八章 射频系统简介,绪 论 第一节 微波的概念及其波段划分,1. 微波的定
3、义：微波是电磁波谱中介于普通无线电波与红外线之间的波段，属于无线电波中波长最短（即频率最高）的波段。通常指频率为300MHz（波长为1m）至300GHz（波长为0.1mm）范围内的电磁波。,电磁波谱图,通常，我们将射频与微波波段放在一起考虑，研究射频/微波技术基础及应用。,2.微波的波段划分 分为四个波段：分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波,3.常用波段代号：,4.家用电器的频段：,第二节 微波的特点,1. 似光性 2. 频率高 3. 能穿透电离层 4. 量子特性三种效应：渡越时间效应、辐射效应、趋肤效应,第三节 微波技术发展及应用,发展及趋势应用1.雷达方面2.通信方面3.科学研究方面4.生物
4、医学5.微波能,第四节 微波的研究方法,微波技术主要研究微波信号的产生、放大、传输、发射、接收和测量的学科。 微波波长可以同普通电路或元件的尺寸相比拟，即为分米、厘米、毫米量级，需要考虑波在电路或元件内部的传播过程。而其他波段的波都不具备这个特点。 基于电路分析和经典电磁场理论：场的分析方法+路的分析方法 微波元件：无源元件（如：微波谐振腔、功分器、定向耦合器、混合环、滤波器）有源元件（如：检波器、混频器、放大器、微波振荡器等）,在射频和微波频段，电路出现了许多独特的性质，这些性质在常用的低频电路中从未遇到，因此需要建立新的射频电路理论体系。由于无线通信的快速发展，需要结构更紧凑的射频放大器、
5、滤波器、振荡器及混频器，只有确切地知道射频电路与低频电路有什么区别及如何实现，才能开发改进射频电路，满足射频领域不断发展的需求。,第五节 射频概念及射频电路特点,在电子通信领域，信号采用的传输方式和信号的传输特性是由工作频率决定的。对于电磁频谱，按照频率从低到高（波长从长到短）的次序，可以划分为不同的频段，电子通信的发展历程，实际上就是所使用的载波频率由低到高的发展过程。电通信的容量几乎与所使用的频率成正比，对通信容量的要求越高，使用的频率就越高。,目前，射频（Radio Frequency）没有一个严格的频率范围定义，广义地说，可以向外辐射电磁信号的频率称为射频；而在电路设计中，当频率较高、
6、电路的尺寸可以与波长相比拟时，电路可以称为射频电路。一般认为，当频率高于30MHz时电路的设计就需考虑射频电路理论；而射频电路理论应用的典型频段为几百MHz至4GHz；当频率高于4GHz时，电路常采用微波电路的设计方法。在射频/微波工作频率范围内，电路需要考虑分布参数的影响，低频的基尔霍夫电路理论不再适用。,1. 射频概念,为了有效地传输信息，无线通信系统需要采用高频率信号，这种需要主要由下面三个因素导致：（1）工作频率越高，带宽越大。（2）工作频率越高，天线尺寸越小。（3）射频电路中电感和电容等元器件的尺寸较小，这使得射频设备的体积进一步减小。,2. 射频系统举例,射频电路主要应用在无线通信
7、领域，各种射频无线通信系统有类似的结构，下面以移动通信为例介绍射频系统的基本电路结构及主要特点。,射频系统的一般框图,由上述的射频系统一般框图可见：射频电路的设计涉及：射频滤波器的设计、射频放大器、混频器的设计、射频振荡器的设计等。 射频电路的设计方法与普通低频电路的设计方法不同。例如：射频放大器设计，不仅仅考虑增益，还要需要建立新的射频电路理论，在射频电路理论的基础上全面学习射频电路的设计方法。,3. 射频电路的特点,基尔霍夫电路理论只能用于直流和低频电路的设计，不能用于射频电路的设计。低频频率与射频频率有很大差异，正是由于这种频率的差异，导致低频电路理论与射频电路理论不同。下面将在不同频率
8、下对电路进行讨论，从中可以看出低频电路与射频电路显著不同，对于目前广泛使用的射频频段，必须采用全新的方法加以分析。,(1) 频率与波长众所周知，在自由空间，工作频率与工作波长的乘积等于光的速度，也即f= c = 3108m/s （1）式中，f为工作频率；为工作波长；c为光的速度。结论：频率越高，波长越短。射频频段有很高的频率，所以射频的工作波长很短。射频电路中，电路的尺寸可以和波长相比拟。,（2）低频电路理论是射频电路理论的特例低频电路理论只适用于低频电路设计，射频电路理论有更大的适用范围，低频电路理论是射频电路理论的特例。如图所示是终端短路的传输线。,根据射频电路理论（见下一章），会得到距离
9、短路终端 l 处的输入阻抗为（2）式中，Z0为常数，Z0的取值范围一般为几十到几百之间。式（2）改变了低频电路理论的观点，因为低频电路理论会认为Zin=0。 下面对射频和低频两种情况分别分析。,（a）射频频段：假定工作频率 f= 3GHz (即工作波长= 10cm), 若l=2.5cm, 则离开短路终端2.5cm处，传输线等效于开路，如图中a所示。这个结论完全颠覆了低频电路的理论观点，可见低频电路理论在射频时已经不再适用。 （b）低频电路：假定工作频率 f= 300Hz (即工作波长= 1000km), 若l=1m, 则即便离开短路终端1m处，传输线仍相当于短路，如图中b所示。这个结论完全符合
10、低频电路的理论观点，可见射频电路理论在低频时仍适用，低频电路理论是射频电路理论的特例。,（3）射频电路的分布参数低频电路理论称为集总参数电路理论； 射频电路理论称为分布参数电路理论，分布参数是射频电路的最大特色。,从正弦交流电路分析中可以知道，电感L和电容C的电抗XL和XC与频率有关，XL和XC与频率的关系是其中,为角频率，=2f。下面考察当电感L=1nH和电容C=1pF时的电抗XL和XC。 下面对低频100Hz和射频3GHz两种情况分别分析。,当 f=100Hz时，结论：在100Hz时，1nH电感相当于短路，1pF电容相当于开路。 当f=3GHz时，结论：在3GHz时，1nH电感和1pF电容
11、的影响必须考虑。,（i）传输线上的分布参数射频电路认为传输线上到处都分布着电感和电容，所以射频电路也称为分布参数电路。由于分布参数的存在，传输线上电压、电流和阻抗的分布与低频电路完全不同，射频传输线上信号出现了波动性，并导致反射产生，因此需要建立射频电路理论体系。（ii） 无源器件的寄生参数分布参数的存在还会导致无源器件产生寄生参数，改变无源器件的参量。电阻、电感或电容的引线都存在寄生电感和寄生电容，寄生参数使电阻、电感或电容的等效电路变得复杂，例如低频下的电阻在射频时可能会产生感性或容性。低频下的器件一般不能用于射频，生产厂商会给出元器件的使用频段。为减小寄生参数的影响，射频元器件的尺寸比低
12、频元器件的尺寸小，例如射频常使用小尺寸的片状电阻或片状电容。,一段传输线及其等效电路,（4）趋肤效应 （集肤效应）在电路中信号是通过导体传输的，导体存在趋肤效应。所谓趋肤效应是指当频率升高时，电流只集中在导体的表面，导体内部的电流密度非常小。趋肤效应使导线的有效导电横截面积减小，交流电阻增加。趋肤效应如图所示：,可以用趋肤深度描述趋肤效应的程度。趋肤深度定义为式中为导体的磁导率，为导体的电导率，导体内的电流主要集中在导体表面的趋肤深度内。,(5),以铜为例，计算趋肤深度，铜的磁导率=4*10-7 H/m，电导率=5.8*107 S/m 不同频率下铜的趋肤深度：随着频率升高，趋肤深度不断减小，f
13、=1GHz时电流主要集中在铜表面的0.00209mm范围。,在射频电路中，趋肤效应引起电路损耗急剧增加，必须考虑分布电阻对射频电路的影响。在传输线上不仅需要考虑电感和电容的分布参数，还需要考虑电阻的分布参数，这使得射频电路与低频电路显著不同。 射频电路与低频电路的上述差异，不仅导致射频电路理论与低频电路理论不同，甚至导致射频传输线采用了同轴线、平行双导线、带状线和微带线等不同于低频的特殊结构，产生了独特的射频电路理论。,思考题,1、说明微波的概念及其波段划分。2、什么是射频？射频有哪些特点？画出射频系统的一般框图。3、计算：（1）LF频段频率为30300KHz时波长的范围； （2） S频段频率为24GHz时波长的范围。4、（1）市电的波长= 6000km （2）射频的波长= 7.5cm，两种情况下，当l为多长时，输入阻抗为无穷大？ 5、什么是趋肤效应？趋肤深度如何计算？当f=60Hz和f=3GHz时，铜的趋肤深度分别是多少？,
