射频电路第1次课-第1章射频电子学概述1.1~1.3

射频电路授课老师：林昌华Email:676715918@QQ.com教材：第一章射频电子学概述1.1

关于射频和射频电路概念射频和无线电频率在英语词汇里都是RadioFrequency，缩写为RF，意思是可以輻射到空間的电磁波频率。频率达到射频的信号叫做射频信号。射频信号在自由空间传播时的速度等于光速，即c=f·λ=3×108m/s。式中,f

为频率；λ为波长；c为光速。因为真空光速是一个常量，所以频率与波长成反比，频率越高波长越短。例如，当f=106Hz=1MHz时，λ=300m；当f=103MHz=1GHz时，λ=30cm。当电路的尺寸小到可以与信号波长相比拟时,电路将出现一些特殊的性质，基尔霍夫（Kirhoff）低频电路理论对此已不再适用，必须用分布参数电路理论对电路进行分析和解决有关问题。电路尺寸可以与射频信号波长相比拟的电路称为射频电路（RFCircuit）。例如，北京时间2012年9月13日发布的iphone5的尺寸是123.8×58.6×7.6mm，3G工作频率最高为2.1GHz,波长为143mm。无线电频率从低到高的排列次序就是无线电频谱。表1.1将无线电频谱划分为若干频段。不同频段的无线电信号的传输特性和用途不同。对于工作频率高于30MHz(波长10m)的家用电器来说,就需要考虑元器件和接线的分布参数对电路性能的影响了。对于频率从几百MHz(波长1m左右)至4GHz（波长75mm）的电子设备来说，由于信号波长很短，电子电路中的元器件和接线的分布参数对电路工作性能的影响很大，就必须运用射频电路理论指导电路的分析和设计。设计集中参数的低频电路采用的基尔霍夫电路定律不再适用。表1.1无线电频段

波长(波长)频率(频段)

通

用

名主

要

应

用100km以上3

kHz极低频(ELF)

水下通信10～100km3～30

kHz甚低频(VLF)

海上通信1～10km30～300kHz低频(LF)或长波(LW)

调幅广播100～1000m300～3000kHz中频(MF)或中波(MW)调幅广播10～100m3～30MHz高频(HF)或短波(SW)调幅广播、业余无线电1～10m30～300

MHz甚高频(VHF)调频广播、电视(注：需要考虑分布参数的影响)0.1～1.0m300～3000MHz特高频(UHF)电视、蜂窝电话(注：采用分布参数理论设计)10～100mm3～30

GHz超高频(SHF)固定无线、卫星通信(注：采用场模式理论)1～10mm30～300GHz极高频(EHF)卫星通信、雷达(注：采用场模式理论)在无线电频谱中，从300MHz～

3THz是微波区,如表1.2所示。微波的波长从1.0m～0.1mm,分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波4个波段。当电路的工作频率高于4GHz时,波长甚至低于电路的尺寸，需要用到场模式理论及TE(TransverseElectricField)

和TM(TransverseMagnetic

Field)传输线,这超出了本课程的射频电路学习范畴。表1.2IEEE/工业标准微波段命名

波段命名频率（GHz）波段命名频率（GHz）UHF0.3～1Ku12～18L1～2K18～27

S2～4Ka27～40C4～8毫米40～300X8～12亚毫米＞3001.2射频电路的应用从1897年马可尼(GuglielmoMarconi)开始无线电长距离通信起,无线电通信的工作频率就在不断提高。目前，3G移动通信最高工作频率已经达到2.1GHz,全球定位系统(GPS)工作于1227.60～1575.42MHz,14～83频道的电视广播工作于470～

890MHz,无线局域网(WLAN)的工作频率也在GHz频段。对计算机来说,高速大容量的服务器和个人计算机所采用的时钟脉冲频率不断增加,计算机主频的工作频率已经达到GHz,同样需要考虑电路在射频下的设计问题。还有一些电器的遥控装置也采用了射频技术，例如，PPT放映遥控器。其技术参数如下。发射器遥控方式RF射频技术发射频率2.402GHzRF输出功率0dBm控制距离10m激光功率＜1mWor5mW波长630～680nm工作电压3V休眠电流1μA电池1×CR2032尺寸32×87×8mm总量17g接收器操作系统Windows98/Se,Me,2000,XP,MacOS,Linux,Vista接收频率2.402GHz接收灵敏度-90dBm遥控方式RF射频技术USB版本USB1.1兼容USB2.0工作电压4.5～5.5V尺寸32×63×8总量11g当今蓬勃发展的物联网(InternetofThings)更是需要大量应用射频识别(RadioFrequencyIdentification，RFID)技术。所谓“物联网”，就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网Internet，它是在互联网基础上扩展的网络；第二，其终端延伸到了任何物品Things，组成了物与物相连的网络，在人与物、物与物之间进行信息交换和操控。物联网中的RFID和二维码对物体的技术规格、商品属性、物流流程等进行标识。读写器标签与磁卡、ＩＣ卡等接触式识别技术不同，ＲＦＩＤ系统的读写器与标签之间无须物理接触就可完成读写和识别功能，因而可实现多目标识别、运动目标识别，可应用到更广泛的场合。射频识别基本原理典型的射频识别系统由标签、读写器和数据交换管理系统等组成。系统的基本工作原理为：读写器不断发出一组固定频率的射频信号，当非接触标签内的ＬＣ串联谐振电路进入读写器的覆盖区域内，在射频电磁波激励下，ＬＣ谐振电路产生共振。共振使标签内的电容有了电荷，此时在电容另一端接的一个单向导通电子泵就可以将电容内的电荷送到另一个电容内并存储。当所积累的电荷的电压值达到２Ｖ时，这个电压就可作为标签的工作电源。此时，标签响应读写器的要求，将信息读出后调制发出，供读写器接收。标签内的Ｅ２ＰＲＯＭ存储有电子标签唯一的长度为６４位的ＩＤ号和用户数据。

RFID标签与读写器之间的无线通信频段有多种，如下表所示。相应的射频识别系统都有国际标准予以支持。工作频率低于30MHz的电子标签的成本较低、标签内保存的数据量也较少、阅读距离较短（无源情况，典型阅读距离为10cm）、电子标签外形多样（卡状、环状、钮扣状、笔状）、阅读天线方向性弱。由于低于30MHz的电子标签有以上优点，中国电信、移动和联通三大运营商2010年8月26日达成共识，手机支付业务采用银联主导的13.56MHz标准。以前，中国移动曾经进行过2.4GHz的RF-SIM手机支付试验。30MHz以下系统使用最广，但数据速率低，传输距离短。它可以在一定环境下替代条码，用在工厂的流水线等场合跟踪物体。工作频率高于400MHz的电子标签及阅读器成本均较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远（可达几米至十几米），适应物体高速运动性能好，外形一般为卡状，阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性。400MHz以上系统通信距离远，可用在自动收费或识别车辆身份等场合。缺点是耗电量较大。射频电路有如下一些优点。1)

采用射频可以获得更高的数据传输速率一般来说，工作频率越高，可以达到的数据传输速率就越高。例如，在二进制数字调制系统中，可以用一个或多个载波周期的幅度、频率或相位的变化来表示一个二进制数1或0。这种情况下的数据速率最高等于载波频率，载波频率越高，数据速率也就越高。2)采用射频可以缩小天线和射频电路的体积无线通信需要采用天线发射和接收信号。如果天线的尺寸可以与波长相比拟，天线辐射和接收电磁波就更为有效。工作频率越高,波长越短,天线尺寸也就越小，这样有助于满足移动通信对天线尺寸小型化的要求。射频电路中电感和电容等元器件的尺寸很小,这有助于减小设备的体积。3)空间噪声是影响通信质量的最主要因素。当频率高到一定程度时(如100MHz)，噪声功率便会下降；当频率达到1GHz时，外部空间噪声影响消失，这是一个巨大的优点。4）射频的传输衰减很大，传输距离短。这看起来是缺点，对于小区制蜂窝移动通信和射频识别系统来说确是一个优点。传输距离短可以提高蜂窝移动通信系统的频率再用率，降低射频识别系统的差错。1.3我国射频电路的研发情况随着射频电路的广泛应用和不断发展,射频电路的工作频率范围不断向更高的频率延伸,已有资料显示，工作频率高达