射频微波系统入门知识科普

全文共包括六部分：

常用无线电波频段;

微波的特性;

射频微波系统的核心问题;

常见的射频微波系统;

射频微波系统实例

射频微波工程常用概念。

No.1 常用无线电频段

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的核心。过去的100多年来,人们对射频/微波技术的认识和使用日趋成熟。

从图1-1所示的无线电技术的发展历史可以看出,近年来射频/微波工程的应用已经发展到了近乎极至的状态。

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。具体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。一般情况下,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。

以上这些波段的划分并不是惟一的,还有其他许多不同的划分方法,它们分别由不同的学术组织和政府机构提出,甚至还在相同的名称代号下有不同的范围,因此波段代号只是大致的频谱范围。其次,以上这些波段的分界也并不严格,工作于分界线两边临近频率的系统并没有质和量上的跃变,这些划分完全是人为的,仅是一种助记符号。

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。表1-2是各无线电频段的基本用途。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。

和平年代,在某个地区,要避免用途不同的无线电设备使用相同的频率,否则,将会带来灾难性的后果。相反地,在电子对抗或电子战系统中,就是要设法掌握敌方所使用的无线电频率,给对方实施毁灭性打击。

目前,发展最快的民用领域是移动通信。巨大的市场潜力和飞速的更新步伐,使得这一领域成为全球的一个支柱产业。表1-3给出了常用移动通信系统频段分布及其工作方式。

一般地,射频/微波技术所涉及的无线电频谱是表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的无线电信号的发射与接收设备的工作频率。具体地,这些技术包括信号的产生、 调制、 功率放大、 辐射、 接收、 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的设计和生产。它的基本理论是经典的电磁场理论。研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。一种是“场”的分析方法,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,求得场量的时空变化规律,分析电磁波沿线的各种传输特性;

另一种是“路”的分析方法,即将传输线作为分布参数电路处理,用基尔霍夫定律建立传输线方程,求得传输线上电压和电流的时空变化规律,分析电压和电流的各种传输特性。用这两种方法研究同一个问题,其结论是相同的。到底是用“场”的方法还是用“路”的方法,应由研究的方便程度来决定。对于射频/微波工程中的大量问题,采用网络方法和分布参数概念可以得到满意的工程结果,而不是拘泥于严谨的麦克斯韦方程组及其数值解法。

在射频/微波频率范围内,模块的几何尺寸与信号的工作波长可以比拟,分布参数概念始终贯穿于工程技术的各个方面。而且,同一功能的模块,在不同的工作频段的结构和实现方式大不相同。“结构就是电路”是射频/微波电路的显著特征。射频/微波电路的设计目标就是处理好材料、结构与电路功能的关系。

No.2 射频/微波的重要特性

2.1射频/微波的基本特性

1.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d、 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、体积合适的天线,用来传输信息,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。

2.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。

3.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。

4.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。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。

2.2射频/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

2.3射频/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。

No.3射频/微波系统的核心问题

3.1射频铁三角

由于频率、 阻抗和功率是贯穿射频/微波工程的三大核心指标,故将其称为射频铁三角。它能够形象地反映射频/微波工程的基本内容。这三方面既有独立特性,又相互影响。三者的关系可以用图1-2表示。

3.2射频铁三角的内涵

1.频率

频率是射频/微波工程中最基本的一个参数,对应于无线系统所工作的频谱范围,也规定了所研究的微波电路的基本前提,进而决定微波电路的结构形式和器件材料。直接影响射频/微波信号频率的主要电路有：

(1)信号产生器：用来产生特定频率的信号,如点频振荡器、机械调谐振荡器、 压控振荡器、 频率合成器等。

(2)频率变换器：将一个或两个频率的信号变为另一个所希望的频率信号,如分频器、变频器、 倍频器、 混频器等。

(3)频率选择电路：在复杂的频谱环境中,选择所关心的频谱范围。经典的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。近年发展起来的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,这些电路可以独立工作,也可以相互组合,还可以与其他电路组合,构成射频/微波电路子系统。

这些电路的测量仪器有频谱分析仪、频率计数器、功率计、网络分析仪等。

2.功率功率用来描述射频/微波信号的能量大小。所有电路或系统的设计目标都是实现射频/微波能量的最佳传递。

影响射频/微波信号功率的主要电路有：

(1)衰减器:控制射频/微波信号功率的大小。通常由有耗材料(电阻性材料)构成,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的组件,可以是等分的,也可以是比例分配的,希望分配后信号的损失尽可能小。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。

(3)耦合器:定向耦合器是一种特殊的分配器。通常是耦合一小部分功率到支路,用以检测主路信号的工作状态是否正常。分支线耦合器和环形桥耦合器可实现不同相位的功率分配/合成，配合微波二极管,完成多种功能微波电路,如混频、变频、 移相等。

(4)放大器：提高射频/微波信号功率的电路,在射频/微波工程中地位极为重要。用于接收的是小信号放大器,该类放大器着重要求低噪声、高增益。用于发射的是功率放大器,对于该类放大器,为了满足要求的输出功率,可以不惜器件和电源成本。用于测试仪器的放大器,完善和丰富了仪器的功能。

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输的影响的一个参数。

电路的材料和结构对工作频率的响应决定电路阻抗参数的大小。工程实际中,应设法改进阻抗特性,实现能量的最大传输。所涉及的射频/微波电路有：

(1)阻抗变换器:增加合适的元件或结构,实现一个阻抗向另一个阻抗的过渡。

(2)阻抗匹配器:一种特定的阻抗变换器,实现两个阻抗之间的匹配。

(3)天线:一种特定的阻抗匹配器,实现射频/微波信号在封闭传输线和空气媒体之间的匹配传输。

No.4 射频微波电路的应用

射频/微波电路的经典用途是通信和雷达系统。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。下面归纳出射频/微波电路的各种用途,并给出几个应用实例。

(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。

(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,城市发展和规划等。

(5)射频识别：

保安,防盗,入口控制,产品检查,身份识别,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。

(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。

No.5 射频/微波系统举例

5.1射频/微波通信系统

1.基本原理

射频/微波通信的基本原理就是利用其似光传输特性,穿越空气,实现信息的无线传递。

如图1-3所示,基本的通信系统就是成对的发射机和接收机。

2.微波通信数据链

微波通信和专用微波数据链的系统示意图。

3.卫星通信

K波段卫星通信系统的地面站结构框图。

K波段卫星通信系统示意图。

5.2 雷达系统 1.基本原理

雷达的原意为无线电探测与定位,基本原理是发射的微波信号遇到目标后反射回来,检测发射信号与接收信号之间的关系,即可确定目标的信息。

图1-7是雷达的基本原理示意图。

2.脉冲雷达

脉冲雷达是雷达的一种基本形式。对连续波微波信号进行脉冲调幅,发射出去的信号就是微波脉冲。检测回波脉冲信号与发射脉冲信号的时间差(微波传输的速度是光速)，即可确定目标的距离。脉冲雷达的结构框图。

3.多普勒雷达

多普勒(Doppler)雷达是依靠移动目标所引起的多普勒频移信息的一种雷达体制,具有很强的距离鉴别能力和速度鉴别能力,能够在复杂的背景下检测出目标。它有连续波和脉冲两种形式

4.高度表

高度表是各种飞行器的必备仪表。发射信号与接收信号的频移含有目标距离的信息。

如果目标是地面,就可确定出飞行器的距地面高度。图1-11是C波段高度表的结构框图。

No.6 射频/微波工程基础常识

6.1关于分贝的几个概念

通常情况下,射频/微波电路用波的概念来描述能量的传递,用功率而不用电压或电流。

由于便于测量和运算,分贝用的最多。表1- 4 给出了与分贝相关的常见物理量及其用途。

6.2常用射频/微波接头

从1.5节可以看出,各种电路模块需要用接插件连接起来。这种连接可以是硬连接,也可以通过电缆软连接。电缆分为柔性电缆、软电缆和半刚性电缆。工程中的具体选择由总体结构、 成本与性能等因素决定。表1-5给出常用接头的性能。

这些接头都是阴—阳配对使用。旋接时一手捏紧阴头端，另一手旋转阳头端螺套，使接头插针沿轴向拔出或插入，不应旋转阴头端，以免损伤插针和插孔。接头另一端焊接射频/微波电路或与合适的电缆相接。

审核编辑：汤梓红