射频微波常用知识

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1、1 射频射频/微波常识微波常识 1. 频谱频谱的划分的划分及其用途及其用途 对电磁波频谱的划分是美国国防部于第二次世界大战期间提出的,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。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,是频率最高的无线电波,它的频 带宽度比所有普通无线电波波段总和大 1000 倍以上,可携带的信息量不可想象。 表 1 IEEE 频谱划分 学术界通常将 300MHz3000GHz 的频段称为微波微波(MW，Microwave)波段， 而工程上通常将频率小于 3GHz 的微波称为射频射频（RF，Radio Frequency），因 此

2、， 射频其实并不是一种基于频谱划分的频段， 而是工程上为了方便而对频率小 于 3GHz 的微波频段的一种固定称谓。 最终 2 图 1 微波射频波段示意图 以上划分方式只是基于电磁波本身的特性，实际使用中，对不同频段无线电 信号的使用不能随意确定。 也就是说,频谱作为一种资源,各国各级政府都有相应 的机构对无线电设备的工作频率和发射功率进行严格管理。 国际范围内更有详细 的频谱用途规定,即 CCIR 建议文件,在这个文件中,规定了雷达、通信、导航、工 业应用等军用或民用无线电设备所允许的工作频段。 各个用途在相应频段内只占 有很小的一段频谱或点频工作。 ITU 和各个国家对具体频段的使用领域都有

3、一个 明确的规定。 表 2 各无线电频段的基本用途 2. 射频射频/微波的微波的特特点点 射频/微波作为一个特殊的应用领域， 必然有其统一的基本特性， 但是因为频 率很高，所以微波的应用也有一些局限性，下面就射频/微波的基本特性和优缺 点做一下介绍。 一一、 射频射频/微波的基本特性微波的基本特性 (1)频率高频率高 因为微波波段的振荡周期在 10-910-13s 数量级，而普通电真空器件中电子的 渡越时间一般为 10-9s 数量级，就是说二者属于同一数量级。于是，在低频时被 忽略了的电子惯性， 亦即电磁波与电子间的相互作用、 极间电容和引线电感等的 3 影响就不能再忽视了。普通电子管已不能用

4、做微波振荡器、放大器或检波器了， 代之而来的则是建立在新的原理基础上的微波电子管、 微波固体器件和量子器件， 同时伴随频率的升高、 高频电流的趋肤效应、传输系统的辐射效应以及电路的延 时效应（相位滞后）等明显地表露出来。 (2)似光性似光性 射频/微波能像光线一样在空气或其他媒体中沿直线以光速传播， 在不同的媒 体界面上存在入射和反射现象。这是因为射频/微波的波长很短，比地球上的一 般物体（如舰船、飞机、火箭、导弹、汽车、房屋等）的几何尺寸小的多或在同 一个数量级。当射频/微波照射到这些物体上时将产生明显的反射，对于某些物 体将会产生镜面反射。因此，可以制成尺寸和体积合适的天线，用来传输信息，

5、 实现通信；可接收物体所引起的回波或其他物体发射的微弱信号，用来确定物体 的方向、距离和特征，实现雷达探测。 (3)穿透性穿透性 射频/微波照射某些物体时，能够深入物体的内部。微波（特别是厘米波段） 信号能穿透电离层，成为人们探测外层空间的宇宙窗口；能够穿透云雾、植被、 积雪和地表层，具有全天候的工作能力，是遥感技术的重要手段；能够穿透生物 组织，是医学透热疗法的重要方法；能穿透等离子体，是等离子体诊断、研究的 重要手段。 (4)非电离性非电离性 一般情况下， 射频/微波的量子能量还不够大， 不足以改变物质分子的内部结 构或破坏物质分子的键结构。由物理学可知，在外加电磁场周期力的作用下，物 质

6、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的实验手段，从而形成了一 门独立的分支学科微波波谱学。从另一方面考虑，利用物质的射频/微波共 振特性，可以用某些特定的物质研制射频/微波元器件，完成许多射频/微波系统 的建立。 (5)信息性信息性 射频/微波频带比普通的中波、 短波和超短波的频带要宽几千倍以上， 这就意 味着射频/微波可以携带的信息量要比普通无线电波可能携带的信息量大的多。 4 因此，现代生活中的移动通信、多路通信、图像传输、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

7、息、多普勒频移信息等。这些特 性可以被广泛应用于目标探测、目标特征分析、遥测遥控、遥感等领域。 二二、 射频射频/微波的主要优点微波的主要优点 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。可传输的信息量大。 (2) 分辨率高。连续波多普勒雷达的频偏大,成像更清晰,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。数字系统的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。 三三、 射频射频/微波的不利因素微波的不利因素 由于射频/微波本身的特点， 也会带来一些局限性。 主

8、要体现在如下几个方面： (1) 元器件成本高。 (2) 辐射损耗大。 (3) 大量使用砷化镓器件，而不是通常的硅器件。 (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对的，在工程中应合理设计电路，取得一个比较好 的折中方案。 3. 常用常用单位单位的含义和换算的含义和换算 1) dBm 和 dBW dBm 和 dBW 是用来表示射频信号功率的大小， 其物理意义和瓦特是一样的， 使用它们只是为了缩小极小功率和大功率在数值表示中的差异，dBm 对应于功 率的 mW（毫瓦），而 dBW 对应于 W（瓦特）。 dBm、dBW 与 mW、W 的换算关

9、系如下： ) 1 log(10)( W XW dBWp 5 ) 1 1000* log(10)( mw mwX dBmp 因此：1W0dBW；1mW0dBm； 而 1W1000 mW0dBW30 dBm 一般来说，我们习惯上还是用“W”和“dBm”来表示功率 2) dBi 和 dBd dBi 和 dBd 是用来表示天线功率增益的单位，两者都是相对值，但参考基准 不一样。dBi 的参考基准为全方向性天线；dBd 的参考基准为偶极子。 dBi 是指天线相对于全方向性天线的功率能量密度之比。 dBd 是指天线相对于半波振子 Dipole 的功率能量密度之比。 半波振子的增益为 2.15dBi，因此

10、0dBd=2.15dBi。 3) dB 和 dBc dB 和 dBc 常用来表示射频信号的相对功率，它们都是表示两个功率/电压之 间比值的大小， 其区别在于： dB 是任意两个功率的比值的对数表示形式， 而 dBc 是某一功率值和载波功率的比值的对数表示形式。因此，dB 常用来表示增益、 反射损耗、隔离度等指标的大小，而 dBc 则表示 ACPR、IMD3 等参数的大小。 一般来说，我们说放大链路的增益可以用“dB”来表示。对于信号的谐波和 杂波来说，可以用“dBc”来表示。 4. 常用指标的含义常用指标的含义 主要是参数的实际意义和常见形式 1) 端口驻波/回波损耗/反射系数 2) 端口阻抗

11、 3) 隔离度 4) 插入损耗 5) 噪声系数 6 6) 信号的功率 信号的峰值功率、平均功率和峰均比 PAR 平均功率是系统输出的实际功率。在某个概率下峰值功率跟平均功率的 比就称为在某个概率下的峰均比，如 PAR=8.980.1%,各种概率下的峰均比就形 成了 CCDF 曲线（互补累积分布函数）。 在概率为 0.01%处的 PAR，一般称为 CREST 因子。 5. 常见的传输线常见的传输线 在直流和低频领域，一般认为金属导线就是一根连接线，不存在电阻、电感 和电容等寄生参数。 实际上， 在低频情况下， 这些寄生参数很小， 可以忽略不计。 当工作频率进入射频/微波范围内时，情况就大不相同。

12、金属导线不仅具有自身 的电阻、电感和电容，而且还是频率的函数。这种情况下普通的导线也就具有了 分布参数特性，因此，一般将传导微波/射频信号的导线称之为传输线，在射频/ 微波频段，工作波长与导线尺寸处在同一量级。在传输线上传输波的电压、电流 信号是时间及传输距离的函数。 常见的传输线有同轴线、微带线、带状线、矩形波导、圆波导等。 7 在上图所示的传输线中， 最常用的是微带线和同轴线。下面就分别详细介绍一下 它们的特性和应用领域。 同轴线一般用作各种电缆和连接器。 1) 微带线微带线 微带线通常用在印刷电路板中作为微波传输线，由于一般微波产品都有印刷 电路板， 也因此， 微带线的应用是非常广泛的。

13、 微带线是一种准 TEM 波传输线， 结构简单，计算复杂。由于各种设计公式都有一定的近似条件，因而很难得到一 个理想的设计结果，但都能够得到比较满意的工程效果。加上实验修正，便于器 件的安装和电路调试，产品化程度高，使得微带线已成为射频/微波电路中首选 的电路结构。 目前，微带传输线可分为两大类：一类是射频/微波信号传输类的电子产品， 这一类产品与无线电的电磁波有关，它是以正弦波来传输信号的，如雷达、广播 电视和通信；另一类是高速逻辑信号传输类的电子产品，这一类产品是以数字信 号传输的，同样也与电磁波的方波传输有关，这一类产品开始主要应用在计算机 等中，现在已迅速推广应用到家电和通信类电子产品

14、上了。 2) 同轴线同轴线 由于同轴线是一种封闭结构，其辐射损耗和场干扰都很小，因此，同轴线广 泛应用于射频和微波领域中， 特别是微波设备之间的外接线都是同轴线，而且同 轴线与微带的连接很方便，所以一般的连接器采用同轴线结构的比较常见。 同轴线分为三类：刚性同轴线，主要是空气介质的同轴元件和陶瓷类刚性介 质的同轴元件，这类元件尺寸比较灵活，由设计而定；软同轴电缆，用于信号传 输、 系统连接和测试仪器， 尺寸有国家统一标准； 半刚性电缆， 主要是系统连接， 尺寸有国家标准，根据实际需要选用。 同轴线的尺寸选择原则是，只有主模 TEM 模传输，有足够的功率容量，损 耗小，尺寸尽可能小。尺寸的选择就

15、是决定内导体外半径 a 和外导体内半径 b 的 值。按照这些条件可归纳不同用途的同轴线尺寸，由表 5 给出。 射频射频/微波的应用微波的应用 微波的应用包括作为信息载体信息载体的应用和作为微波能微波能的应用两个方面。 8 微波的经典用途是通信通信和雷达雷达系统。这是微波作为信息载体的应用。 近年来发展最为迅猛的当数个人通信系统，当然，导航、遥感、科学研究、 生物医学和微波能的应用也占有很大的市场份额。 在通信应用方面，由于微波具有频率高、频带、信息量大的特点，所以被广 泛应用于各种通信业务，包括微波多路通信、微波中继通信、散射通信、移动通 信和卫星通信。利用微波波长短的特点可作特殊用途的通信，

16、例如从 S 到 Ku 波 段的微波适用作以地面为基地的通信； 毫米波适用于空间与空间的通信；毫米波 段的 60GHz 频段的电波大气衰减较大，适于作近距离保密通信；而 90GHz 频段 的电波在大气中的衰减却很小，是个窗口频段，适于作地空和远距离通信；对于 很长距离的通信，则 L 波段更适合，因为在此波段容易获得较大的功率。 微波作为能源的应用始于 20 世纪 50 年代后期，至 60 年代末，微波能应用 随着微波炉的商品化进入家庭而得到大力发展。 微波能应用包括微波的强功率强功率应用和弱功率弱功率应用两个方面。强功率应用是微 波加热； 弱功率应用是用于各种电量和非电量 （包括长度、 速度、 湿度、 温度等） 的测量。 微波加热可以深入物体内部，热量产生于物体内部，不依靠热传导，里外同 时加热，具有热效率高、节省能源、加热速度快、加热均匀等特点，便于自动化 连续生产。用于食品加工时，还有消毒作用，清洁卫生，既不污染食品，也不污 染环境， 而且不破坏食品的营养成份。 微波加热现在已被广泛应用于食品、 橡胶、 塑料、化学、木材加工、造纸、印刷、卷