微波电路西电雷振亚老师的课件1章射频微波工程介绍市公开课金奖市赛课一等奖课件

第1章射频/微波工程简介

1.1惯用无线电频段

1.2射频/微波主要特性

1.3射频/微波工程中关键问题

1.4射频/微波电路应用

1.5射频/微波系统举例

1.6射频/微波工程基础常识

第1页第1页1.1惯用无线电频段 当今社会,技术发展之迅猛,对人们生活影响之重大,首推无线电技术。射频/微波工程就是这一领域关键。过去100多年来,人们对射频/微波技术结识和使用日趋成熟。 从图1-1所表示无线电技术发展历史能够看出,近年来射频/微波工程应用已经发展到了近乎极至状态。第2页第2页图1-1无线电技术发展历史第3页第3页

对电磁波频谱划分是美国国防部于第二次世界大战期间提出,后由国际电工电子工程协会（IEEE）推广,被工业界和政府部门广泛接受。详细电磁波频谱分段见表1-1。在整个电磁波谱中,射频/微波处于普通无线电波与红外线之间,是频率最高无线电波,它频带宽度比所有普通无线电波波段总和大1000倍以上,可携带信息量不可想象。普通情况下,射频/微波频段又可划分为米波（波长10～1m,频率30～300MHz）、分米波（波长10～1dm,频率300～3000MHz）、厘米波（波长10～1cm,频率3～30GHz）和毫米波（波长10～1mm,频率30～300GHz）四个波段。其后是亚毫米波、远红外线、红外线、可见光。第4页第4页表1-1电磁波频谱分段第5页第5页 以上这些波段划分并不是惟一,还有其它许多不同划分方法,它们分别由不同学术组织和政府机构提出,甚至还在相同名称代号下有不同范围,因此波段代号只是大致频谱范围。其次,以上这些波段分界也并不严格,工作于分界线两边临近频率系统并没有质和量上跃变,这些划分完全是人为,仅是一个助记符号。

第6页第6页 对不同频段无线电信号使用不能随意确定。也就是说,频谱作为一个资源,各国各级政府都有对应机构对无线电设备工作频率和发射功率进行严格管理。国际范围内更有详细频谱用途要求,即CCIR提议文件,在这个文件中,要求了雷达、通信、导航、工业应用等军用或民用无线电设备所允许工作频段。表1-2是各无线电频段基本用途。各个用途在对应频段内只占有很小一段频谱或点频工作。第7页第7页表1-2各无线电频段基本用途

第8页第8页 和平年代,在某个地域,要避免用途不同无线电设备使用相同频率,不然,将会带来劫难性后果。相反地,在电子反抗或电子战系统中,就是要设法掌握敌方所使用无线电频率,给对方实施毁灭性打击。 当前,发展最快民用领域是移动通信。巨大市场潜力和飞速更新步伐,使得这一领域成为全球一个支柱产业。表1-3给出了惯用移动通信系统频段分布及其工作方式。 作为工科电子类专业学生,有必要掌握这方面知识。第9页第9页表1-3惯用移动通信系统频段分布第10页第10页 普通地,射频/微波技术所涉及无线电频谱是表1-1中甚高频(VHF)到毫米波段或者P波段到毫米波段很宽范围内无线电信号发射与接受设备工作频率。详细地,这些技术涉及信号产生、调制、功率放大、辐射、接受、低噪声放大、混频、解调、检测、滤波、衰减、移相、开关等各个模块单元设计和生产。它基本理论是典型电磁场理论。研究电磁波沿传播线传播特性有两种分析办法。一个是“场”分析办法,即从麦克斯韦方程出发,在特定边界条件下解电磁波动方程,求得场量时空改变规律,分析电磁波沿线各种传播特性；

第11页第11页 另一个是“路”分析办法,即将传播线作为分布参数电路处理,用基尔霍夫定律建立传播线方程,求得传播线上电压和电流时空改变规律,分析电压和电流各种传播特性。用这两种办法研究同一个问题,其结论是相同。到底是用“场”办法还是用“路”办法,应由研究以便程度来决定。对于射频/微波工程中大量问题,采用网络办法和分布参数概念能够得到满意工程结果,而不是拘泥于严谨麦克斯韦方程组及其数值解法。第12页第12页 在射频/微波频率范围内,模块几何尺寸与信号工作波长能够比拟,分布参数概念一直贯通于工程技术各个方面。而且,同一功效模块,在不同工作频段结构和实现方式大不相同。“结构就是电路”是射频/微波电路显著特性。射频/微波电路设计目的就是处理好材料、结构与电路功效关系。第13页第13页1.2射频/微波主要特性 1.2.1射频/微波基本特性 1．似光性 射频/微波能像光线一样在空气或其它媒体中沿直线以光速传输,在不同媒体界面上存在入射和反射现象。这是因为射频/微波波长很短,比地球上普通物体（如舰船、飞机、火箭、导弹、汽车、房屋等）几何尺寸小多或在同一个数量级。 当射频/微波照射到这些物体上时将产生显著反射,对于一些物体将会产生镜面反射。第14页第14页 因此,能够制成尺寸、体积适当天线,用来传播信息,实现通信；可接受物体所引起回波或其它物体发射微弱信号,用来拟定物体方向、距离和特性,实现雷达探测。 2.穿透性 射频/微波照射一些物体时,能够进一步物体内部。微波（尤其是厘米波段）信号能穿透电离层,成为人们探测外层空间宇宙窗口；能够穿透云雾、植被、积雪和地表层,含有全天候工作能力,是遥感技术主要手段；能够穿透生物组织,是医学透热疗法主要办法；能穿透等离子体,是等离子体诊断、研究主要手段。第15页第15页 3.非电离性 一般情况下,射频/微波量子能量还不够大,不足以改变物质分子内部结构或破坏物质分子键结构。由物理学可知,在外加电磁场周期力作用下,物质内分子、原子和原子核会产生多种共振现象,其中,许多共振频率就处于射频/微波频段。这就为研究物质内部结构提供了强有力实验手段,从而形成了一门独立分支学科——微波波谱学。从另一方面考虑,利用物质射频/微波共振特性,可以用某些特定物质研制射频/微波元器件,完毕许多射频/微波系统建立。第16页第16页 4.信息性 射频/微波频带比普通中波、短波和超短波频带要宽几千倍以上,这就意味着射频/微波能够携带信息量要比普通无线电波也许携带信息量大多。因此,当代生活中移动通信、多路通信、图像传播、卫星通信等设备全都使用射频/微波作为传送手段。 射频/微波信号还可提供相位信息、极化信息、多普勒频移信息等。这些特性能够被广泛应用于目的探测、

目的特性分析、

遥测遥控、

遥感等领域。第17页第17页 1.2.2射频/微波主要优点 由上述基本特性可归纳出射频/微波与普通无线电相比有以下优点: (1)频带宽。可传输信息量大。 (2)分辨率高。连续波多普勒雷达频偏大,成像更清楚,反应更灵敏。 (3)尺寸小。电路元件和天线体积小。 (4)干扰小。不同设备相互干扰小。 (5)速度快。数字系统数据传输和信号处理速度快。 (6)频谱宽。频谱不拥挤,不易拥堵,军用设备更可靠。第18页第18页 1.2.3射频/微波不利原因

由于射频/微波本身特点,也会带来一些不足。主要表达在下列几种方面: (1)元器件成本高。

(2)辐射损耗大。 (3)大量使用砷化镓器件,而不是通常硅器件。 (4)电路中元件损耗大,输出功率小。 (5)设计工具精度低,成熟技术少。 这些问题都是我们必须面正确,在工程中应合理设计电路,取得一个比较好折中方案。第19页第19页1.3射频/微波工程中关键问题 1.3.1射频铁三角 由于频率、阻抗和功率是贯穿射频/微波工程三大关键指标,故将其称为射频铁三角。它能够形象地反应射频/微波工程基本内容。这三方面既有独立特性,又互相影响。三者关系能够用图1-2表示。第20页第20页图1-2频率、阻抗和功率铁三角关系第21页第21页 1.3.2射频铁三角内涵 1.频率 频率是射频/微波工程中最基本一个参数,相应于无线系统所工作频谱范围,也要求了所研究微波电路基本前提,进而决定微波电路结构形式和器件材料。直接影响射频/微波信号频率主要电路有： (1)信号产生器：用来产生特定频率信号,如点频振荡器、机械调谐振荡器、压控振荡器、频率合成器等。第22页第22页 (2)频率变换器：将一个或两个频率信号变为另一个所希望频率信号,如分频器、变频器、倍频器、混频器等。 (3)频率选择电路：在复杂频谱环境中,选择所关怀频谱范围。典型频率选择电路是滤波器,如低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器等。近年发展起来高速电子开关由于体积小,在许多方面取代了滤波器来实现频率选择。在射频/微波工程中,这些电路能够独立工作,也能够互相组合,还能够与其它电路组合,构成射频/微波电路子系统。 这些电路测量仪器有频谱分析仪、

频率计数器、

功率计、

网络分析仪等。第23页第23页 2.功率 功率用来描述射频/微波信号能量大小。全部电路或系统设计目标都是实现射频/微波能量最正确传递。影响射频/微波信号功率主要电路有： (1)衰减器:控制射频/微波信号功率大小。通常由有耗材料（电阻性材料）组成,有固定衰减量和可调衰减量之分。 (2)功分器:将一路射频/微波信号分成若干路组件,能够是等分,也能够是百分比分派,希望分派后信号损失尽也许小。功分器也可用作功率合成器,在各个支路口接同频同相等幅信号,在主路叠加输出。第24页第24页 (3)耦合器:定向耦合器是一个特殊分派器。通常是耦合一小部分功率到支路,用以检测主路信号工作状态是否正常。分支线耦合器和环形桥耦合器可实现不同相位功率分派/合成，配合微波二极管,完成各种功效微波电路,如混频、变频、移相等 (4)放大器：提升射频/微波信号功率电路,在射频/微波工程中地位极为主要。用于接受是小信号放大器,该类放大器着主要求低噪声、高增益。用于发射是功率放大器,对于该类放大器,为了满足要求输出功率,能够不惜器件和电源成本。用于测试仪器放大器,完善和丰富了仪器功效。第25页第25页 3.阻抗 阻抗是在特定频率下,描述各种射频/微波电路对微波信号能量传播影响一个参数。 电路材料和结构对工作频率响应决定电路阻抗参数大小。工程实际中,应设法改进阻抗特性,实现能量最大传播。所涉及射频/微波电路有： (1)阻抗变换器:增长适当元件或结构,实现一个阻抗向另一个阻抗过渡。 (2)阻抗匹配器:一个特定阻抗变换器,实现两个阻抗之间匹配。 (3)天线:一个特定阻抗匹配器,实现射频/微波信号在封闭传播线和空气媒体之间匹配传播。第26页第26页1.4射频/微波电路应用 射频/微波电路典型用途是通信和雷达系统。近年来发展最为迅猛当数个人通信系统,当然,导航、遥感、科学研究、生物医学和微波能应用也占有很大市场份额。下面归纳出射频/微波电路各种用途,并给出几种应用实例。 (1)无线通信系统: 空间通信,远距离通信,无线对讲,蜂窝移动,个人通信系统,无线局域网,卫星通信,航空通信,航海通信,机车通信,业余无线电等。第27页第27页 (3)导航系统： 微波着陆系统（MLS）,GPS,无线信标,防撞系统,航空、航海自动驾驶等。 (4)遥感： 地球监测,污染监测,森林、农田、鱼汛监测,矿藏、沙漠、海洋、水资源监测,风、

雪、

冰、

凌监测,都市发展和规划等。

第28页第28页 (5)射频辨认： 保安,防盗,入口控制,产品检查,身份辨认,自动验票等。 (6)广播系统： 调幅（AM）,调频（FM）广播,电视（TV）等。 (7)汽车和高速公路： 自动避让,路面告警,障碍监测,路车通信,交通管理,速度测量,智能高速路等。 (8)传感器： 潮湿度传感器,温度传感器,长度传感器,探地传感器,机器人传感器等。第29页第29页 (9)电子战系统：间谍卫星,辐射信号监测,行军与阻击等。 (10)医学应用：磁共振成像,微波成像,微波理疗,加热催化,病房监管等。 (11)空间研究:射电望远镜,外层空间探测等。 (12)无线输电:空对空,地对空,空对地,地对地输送电能等。第30页第30页1.5射频/微波系统举例 1.5.1射频/微波通信系统 1.基本原理 射频/微波通信基本原理就是利用其似光传播特性,穿越空气,实现信息无线传递。 如图1-3所表示,基本通信系统就是成正确发射机和接受机。第31页第31页图1-3基本通信系统第32页第32页 2.微波通信数据链 图1-4是微波通信和专用微波数据链系统示意图。第33页第33页图1-4微波通信数据链系统示意图第34页第34页 3.卫星通信 图1-5是K波段卫星通信系统地面站结构框图。图1-6是K波段卫星通信系统示意图。第35页第35页图1-5卫星地面站结构框图第36页第36页图1-6卫星通信系统示意图第37页第37页 1.5.2雷达系统 1.基本原理 雷达原意为无线电探测与定位,基本原理是发射微波信号碰到目的后反射回来,检测发射信号与接受信号之间关系,即可拟定目的信息。图1-7是雷达基本原理示意图。第38页第38页图1-7雷达基本原理示意图第39页第39页 2.脉冲雷达 脉冲雷达是雷达一个基本形式。对连续波微波信号进行脉冲调幅,发射出去信号就是微波脉冲。检测回波脉冲信号与发射脉冲信号时间差(微波传播速度是光速)，即可拟定目的距离。图1-8是脉冲雷达结构框图。第40页第40页图1-8脉冲雷达结构框图

第41页第41页 3．多普勒雷达 多普勒（Doppler）雷达是依托移动目的所引起多普勒频移信息一个雷达体制,含有很强距离判别能力和速度判别能力,能够在复杂背景下检测