射频电路1-绪论20130905

射频电路与天线（一）

RFCircuitsandAntennas

第1讲绪论王世伟副教授华南理工大学电子与信息学院TEL:22236201-604Email:eewsw@成绩评定与作业要求（48学时）作业30%，期未考试70%。每周交一次作业，课件从网上下载34/rf1/参考书籍[1]李绪益微波技术与微波电路，华南理工大学出版社，2007，（教材，习题）[3]P.M.Pozar,MicrowaveEngineering,(Thirdedition),电子工业出版社（中、英本），2006。[2]R.Ludwig,P.Bretchko,RFcircuitDesign–TheoryandApplications,电子工业出版社（中、英本），2004。第1讲内容射频/微波的定义射频/微波的特点常规电路元件的射频特性射频/微波的简史课程内容设置本课程的要求与建议教材pp1-10

1.1RF/MW的定义

射频(RadioFrequency)/微波(Microwave)

无线电频谱中占据某一特殊频段的电磁波。频率3KHz30MHz3GHz3000GHZ音频视频狭义射频微波红外100Km10m1m0.1mm波长300MHz0.1m广义射频P0.23—1130—30L1—230—15S2—415—7.5C4—87.5—3.75X8—12.53.75—2.4Ku12.5—182.4—1.67K18—26.51.67—1.13Ka26.5—401.13—0.75毫米波40—3000.75—0.1亚毫米波300—30000.1—0.01频段代号频率（GHz）波长（cm)RF/MW典型应用的频谱应用范围频率范围电视54MHz—890MHz移动电话900MHz，1800MHzGPS全球定位系统1227MHz（军用）1575MHz（民用）微波炉2.45GHz美国UWB通信3.1—10.6GHz卫星通信C波段和Ku波段雷达L、S、X波段RFID43MHz,900MHz,2.4GHz，5.4GHz1.2

RF/MW的特点频率高通信系统中相对带宽f/f0通常为一定值，所以频率f越高，越容易实现更大的带宽f，从而信息的容量就越大。例如，对于1%的相对带宽，600MHz频率下宽带为6MHz（一个电视频道的带宽），而60GHz频率下带宽为600MHz（100个电视频道！）。因此，RF/MW的一个最广泛应用就是无线通信。无线通讯-天涯若比邻无线局域网（WLAN）电磁波蜂窝电话系统微波接力通信卫星通信北斗卫星导航系统CNSS北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。卫星定位导航波长短天线与RF电路的特性是与其电尺寸l/相关的。在保持特性不变的前提下，波长越短，天线和电路的尺寸l就越小，因此，波长短有利于电路的小型化。目标的雷达散射截面（RCS）也与目标的电尺寸成正比，因此在目标尺寸一定的情况下，波长越小，RCS就越大。这就是雷达系统通常工作在MW的原因。雷达大气窗口地球大气层中的电离层对大部分无线电波呈反射状态（短波传播的原理），但在MW波段存在若干窗口。因此，卫星通信、射频天文通常采用微波波段。分子谐振各种分子、原子和原子核的谐振都发生在MW波段，这使得微波在基础科学、医学、遥感和加热等领域有独特的应用。射电天文望远镜微波炉微波治疗仪增强现实谷歌眼镜Vuzix眼镜上述特点使得RF/MW有着广泛的应用，但是真正使RF/MW成为一门独立学科是因其具有一个独特特点：

RF/MW的波长与自然界物体尺寸相比拟。在RF/MW相邻低端以下的频段，波长比物体尺寸长很多，可以采用集总模型研究。在RF/MW相邻高端以上的频段，波长比物体尺寸小很多，可以采用几何光学研究。当波长与物体的尺寸相比拟时，电磁波波动性呈主流，因此必须采用电磁场理论和分布模型研究。1.3常规电路元件的射频特性在常规交流电路中，最常用的电路元件是电阻R，电感L，电容C和连接这些元件的导线。在频率较低时，电阻器，电感器和电容器分别对应于热能，磁场能量和电场能量集中的区域，所以可以用“集总”元件表征。这时R，L，C基本为常数，不随频率变化，导线也相当于与频率无关的短路线段。在RF/MW波段，由于导体的趋肤效应，介质损耗效应，电磁感应等的影响，器件区域不再是单纯能量的集中区，而呈现分布特性。1.3.1

长线概念考虑导线上传输交变电流i，变化规律为

分别考虑

对应的波长于是在一段长为1米的导线上，照明电流几乎不变化，GSM蜂窝电话电流有3.3个周期变化，而X波段雷达电流有33个周期变化。因此，对于照明电力系统，导线长几米都不会有什么影响，而对于X波段雷达，导线那怕变化几厘米，影响都很大。通常把RF/MW导线（传输线）称为长线，传统的电路理论已不适合长线。长线概念考虑一个半径为a，长为l，电导率为s的圆柱导体，沿纵向流过的直流电流为I。由于直流电流均匀地分布在导体内，因此，直流电阻R和电流密度J为1.3.2

导体的趋肤效应laI对于交流电流，导体周围产生磁场。交流磁场又产生电场。而电场形成与原电流相反的电流密度，在导体中心处，这种效应最强烈，致使导体中心的电流密度明显减小，随着频率的增高，电流趋于导体表面，即趋肤效应。EHIi因此，高频时，导体损耗会增大，并具有电感效应。高频时，沿纵向的电流密度沿导体径向的分布规律为高频条件下，电阻和电感为

可见，高频电阻与直流电阻之比恰好等于导体截面积与趋肤深度面积之比。高频电感电抗等于高频电阻值。－趋肤深度1.3.3

高频电阻由于高频效应，在高频时电阻R将会出现引线电感，引线电阻，极间电容，引线间电容等。于是标称值为R的电阻R的电阻的等效电路为通常趋肤效应引起电阻和引线间电容可以忽略。

【例】计算长为2.5cm,半径为a=2.032x10-4m的铜导线连接的500电阻的高频电阻的阻抗特性，极间电容为5pF。平板电容是最常用的电容，对于面积为A，间距为d，填充介电常数为的电介质的平板电容在低频时为高频时，除了引线电感和引线电容外，电介质变得有耗，产生高频介质电导率，损耗电导为1.3.4

高频电容于是，平板电容变成了C与电导的并联，并联导纳

损耗角正切反映了位移与传导电流的比例。考虑引线电感L，引线电阻Rs和介质损耗电导，平板电容的等效电路为－损耗角正切【例】计算一个47pF平板电容器的高频阻抗，设引线为长为1.25cm，半径a=2.032x10-4m的铜线。1.3.5高频电感电感通常是由导体线圈构成，在高频，线圈除了具有电感外，还有高频电阻和线圈导体间的寄生电容。因此,电感已变为RLC谐振器。1.4RF/MW发展简史1864年，英国物理学家J.C.Maxwell(1831-1879,48岁)发表了著名的麦克斯韦方程，从理论上预测电磁波的存在。1887年，德国物理学家H.Hertz(1857-1894,37岁)实验证实了麦克斯韦方程的预言。赫芝采用电火花间隙发射机和加载偶极天线演示电磁波的传播.1900年，意大利发明家G.Marconi(1874-1937,63岁)首次实现了穿越大西洋的无线电通信。他的发射天线与地之间连接70KHz电火花发生器，接收天线与风筝支撑。1931年，英国与法国之间建立了第一条微波通信线线路。二次大战后，微波接力通信得到了迅速发展，20世纪50-70年代，微波接力通信是电视信号远距离传输的主要手段。大西洋1935年，英国的R.W.Watt开展了雷达的研究，（Radar=radiodetectingandranging无线电探测与定位），同年首次在试验中测得飞机的回波。1938年，第一只调速管问世，1940年，英国的布特和兰特尔研制出磁控管，这些微波电子管器件都是雷达不可缺少的源。1940年，第一台10cm波长雷达问世。雷达的出现使微波得到了人们的根本认识。美国在MIT专门成立“辐射实验室”，调集了大量顶尖科学家以战时状态对雷达进行大规模、全方位研究，极大地促进了雷达与微波技术的发展。1945年，雷神公司把磁控管用于微波加热，诞生了微波炉，如今磁控管依然是微波炉的核心源。1963年，国际通信卫星组织发射了第一颗同步通信卫星。70年代，雷达、卫星通信、微波中继通信成为RF/MW应用的主要领域，并迅速扩展到微波加热和微波遥感等领域。同时，RFIC、MIC开始迅速发展。80-90年代，移动通信成为最耀眼的应用，如同二次大战中雷达对RF/MW发展的促进作用一样，移动通信，尤其是蜂窝移动通信给RF/MW带来了第二次发展高潮。由于是民用，涉及千家万户，发展更为迅速，更为广泛，甚至改变了人类的生活习惯。如今，

RF/MW应用几乎深入了各类领域，我们身边随处可见：手机、蓝牙、无线上网，卫星电视、GPS定位、RFID等。2000年908070605040302010190010电报广播雷达卫星通信移动通信DBS商用GPS3G移动通信UWB通信DVB-HRFID1.5课程内容设置从典型RF系统看本课程内容设置Antenna无线通信系统原理框图无线通信系统射频前端原理框图

雷达系统框图1-发射机(Transmitter)2-隔离器(Isolator)3-天线收发转换开关(diplexer)4-馈线波导(FeedingWaveguide)5-旋转关节(Rotator)6-辐射器(Radiator)7-天线反射器(Reflector)8-混频器(Mixer)9-可变衰减器(variableattenuator)10-本地振荡器(LocalOscillator)11-中频接收机(IFreceiver)6412389101157接收机-1990，加拿大MDA太空系统接收机-1987，加拿大MDA太空系统400MHzRF/MW系统通常由这样几类装置组成：传输线：传输RF/MW信号的装置。无源器件：完成微波信号和功率的分配、控制和滤波等功能的装置，没有进行微波能量与其他能量（如直流）的转换,如滤波器，双工器，耦合器等。有源器件：产生、放大、变换微波信号和功率的装置，一般要将微波能量与其他能量进行转换。天线：辐射或接收电磁波的装置。正是上述装置构成了本课程内容。无源器件:电容，电感，电阻，传输线滤波器，功分器，双工器，阻抗匹配器，环形器，谐振器，天线有源器件:二极管，三极管，功放器，混频器，震荡器，多路复用器,速调管Kystron速调管-1940，美国MDA太空系统400MHzKystron速调管-1960，加拿大，当然，RF/MW应用还涉及其他重要方面，如：电波传播RF/MW测量RF/MW仿真与计算尽管很重要，由于课时有限，本课程不讲授。1.6本课程要求与建议成绩评定与作业要