射频电路1_绪论20130905教材

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1、射频电路与天线（一） RF Circuits and Antennas 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: 22236201-604 Email: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http:/202.38.193.234/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, Microwave Engineering, (Third edition), 电子工业出版社（中、英本），2006。 2 R. Ludwig,

2、P. Bretchko, RF circuit Design Theory and Applications, 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pp1-10,1.1 RF/MW的定义,射频(Radio Frequency)/微波(Microwave) 无线电频谱中占据某一特殊频段的电磁波。,RF/MW典型应用的频谱,1.2 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

3、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

4、，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

5、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

6、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

7、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,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。,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

8、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

9、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。,1.4 RF/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

10、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 = radio detecting and ranging 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

11、，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

12、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。,1.5 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 (Fe

13、eding Waveguide) 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 (variable attenuator) 10-本地振荡器 (Local Oscillator) 11-中频接收机 (IF receiver),接收机-1990，加拿大 MDA太空系统,接收机-1987，加拿大 MDA太空系统 400MHz,RF/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

14、）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 400MHz,Kystron 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

15、不讲授。,1.6 本课程要求与建议,成绩评定与作业要求 作业30%，期未考试70%。 每周交一次作业，课件从网上下载http:/202.38.193.234/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, Microwave Engineering, (Third edition), 电子工业出版社（中、英本），2006。 2 R. Ludwig, P. Bretchko, RF circuit Design Theory and Applications, 电子工业出版社（中、英本），2004。,教学方法 课程特

16、点 概念抽象、数学公式多 我们的对策 强调形象化教学 强调原理和设计过程 运用软件实现设计 最终的目标 运用软件可以设计典型RF/MW电路,学习方法 大处着眼 始终把握每讲内容在整体课程中的地位。 始终把握所学元器件在RF/MW系统中的地位。 从原理上掌握每一元器件的机理、功能和作用。 小处着手 熟练掌握具有代表性的理论、公式、推导。 熟悉几种具有代表性的元器件的设计过程，并能完成典型电路设计。 从小入手，举一反三，触类旁通，从而在有限的学时内，最大限度地掌握RF/MW电路与天线的理论与设计。,小结1,射频/微波的基本概念与特点 射频/微波的简史 课程内容设置 本课程的要求与建议,习题1,P10: 0-1，0-2,