射頻微波基礎(chǔ)知識(shí)科普

01無(wú)線電頻段劃分

一般情況下，射頻/微波頻段分為 米波（10-1m，30-300MHz），分米波（波長(zhǎng)10～1dm,頻率300～3000MHz）、 厘米波（波長(zhǎng)10～1cm,頻率3～30GHz）和毫米波（波長(zhǎng)10～1mm,頻率30～300GHz）四個(gè)波段。

其后是亞毫米波、 遠(yuǎn)紅外線、 紅外線、 可見光。

02研究方法 -- 微波技術(shù)

具體地,微波技術(shù)包括信號(hào)的產(chǎn)生、 調(diào)制、 功率放大、 輻射、 接收、 低噪聲放大、 混頻、 解調(diào)、 檢測(cè)、 濾波、 衰減、移相、 開關(guān)等各個(gè)模塊單元的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

研究電磁波沿傳輸線的傳播特性有兩種分析方法。

一種是“場(chǎng)”的分析方法

即從麥克斯韋方程出發(fā),在特定邊界條件下解電磁波動(dòng)方程,求得場(chǎng)量的時(shí)空變化規(guī)律,分析電磁波沿線的各種傳輸特性；

另一種是“路”的分析方法

即將傳輸線作為分布參數(shù)電路處理,用基爾霍夫定律建立傳輸線方程,求得傳輸線上電壓和電流的時(shí)空變化規(guī)律,分析電壓和電流的各種傳輸特性。

用上述兩種方法的結(jié)果是相同的，取決于哪個(gè)更方便。

在射頻/微波頻率范圍內(nèi)，模塊的幾何尺寸和波長(zhǎng)相似，分布參數(shù)的概念始終貫徹于工程技術(shù)的方方面面。

“結(jié)構(gòu)就是電路”是射頻/微波電路的顯著特征。

射頻/微波電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是處理好材料、結(jié)構(gòu)與電路功能的關(guān)系。

03射頻/微波的核心問題

射頻鐵三角：頻率，阻抗，功率

這三者是核心指標(biāo)，相互獨(dú)立又相互影響

頻率

頻率是射頻/微波工程中最基本的一個(gè)參數(shù),對(duì)應(yīng)于無(wú)線系統(tǒng)所工作的頻譜范圍,也規(guī)定了所研究的微波電路的基本前提,進(jìn)而決定微波電路的結(jié)構(gòu)形式和器件材料。

直接影響射頻/微波信號(hào)頻率的主要電路有：

信號(hào)產(chǎn)生器：用來(lái)產(chǎn)生特定頻率的信號(hào),如點(diǎn)頻振蕩器、機(jī)械調(diào)諧振蕩器、 壓控振蕩器、 頻率合成器等。

頻率變換器：將一個(gè)或兩個(gè)頻率的信號(hào)變?yōu)榱硪粋€(gè)所希望的頻率信號(hào),如分頻器、變頻器、 倍頻器、 混頻器等。

頻率選擇電路：在復(fù)雜的頻譜環(huán)境中,選擇所關(guān)心的頻譜范圍。

經(jīng)典的頻率選擇電路是濾波器,如低通濾波器、帶通濾波器、 高通濾波器和帶阻濾波器等。

近年發(fā)展起來(lái)的高速電子開關(guān)由于體積小,在許多方面取代了濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率選擇。

在射頻/微波工程中,這些電路可以獨(dú)立工作,也可以相互組合,還可以與其他電路組合,構(gòu)成射頻/微波電路子系統(tǒng)。

這些電路的測(cè)量?jī)x器有頻譜分析儀、頻率計(jì)數(shù)器、功率計(jì)、網(wǎng)絡(luò)分析儀等

功率

功率用來(lái)描述射頻/微波信號(hào)的能量大小。

所有電路或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)都是實(shí)現(xiàn)射頻/微波能量的最佳傳遞。

影響射頻/微波信號(hào)功率的主要電路有：

衰減器: 控制射頻/微波信號(hào)功率的大小。

通常由有耗材料（電阻性材料）構(gòu)成,有固定衰減量和可調(diào)衰減量之分。

功分器: 將一路射頻/微波信號(hào)分成若干路的組件,可以是等分的,也可以是比例分配的,希望分配后信號(hào)的損失盡可能小。

功分器也可用作功率合成器,在各個(gè)支路口接同頻同相等幅信號(hào),在主路疊加輸出。

耦合器: 定向耦合器是一種特殊的分配器。

通常是耦合一小部分功率到支路,用以檢測(cè)主路信號(hào)的工作狀態(tài)是否正常。分支線耦合器和環(huán)形橋耦合器可實(shí)現(xiàn)不同相位的功率分配/合成，配合微波二極管,完成多種功能微波電路,如混頻、變頻、 移相等。

放大器：提高射頻/微波信號(hào)功率的電路,在射頻/微波工程中地位極為重要。

用于接收的是小信號(hào)放大器,該類放大器著重要求低噪聲、高增益。用于發(fā)射的是功率放大器,對(duì)于該類放大器,為了滿足要求的輸出功率,可以不惜器件和電源成本。用于測(cè)試儀器的放大器,完善和豐富了儀器的功能。

阻抗

阻抗是在特定頻率下,描述各種射頻/微波電路對(duì)微波信號(hào)能量傳輸?shù)挠绊懙囊粋€(gè)參數(shù)。

電路的材料和結(jié)構(gòu)對(duì)工作頻率的響應(yīng)決定電路阻抗參數(shù)的大小。

工程實(shí)際中,應(yīng)設(shè)法改進(jìn)阻抗特性,實(shí)現(xiàn)能量的最大傳輸。

所涉及的射頻/微波電路有：

阻抗變換器: 增加合適的元件或結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)一個(gè)阻抗向另一個(gè)阻抗的過渡。

阻抗匹配器: 一種特定的阻抗變換器,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)阻抗之間的匹配。

天線: 一種特定的阻抗匹配器,實(shí)現(xiàn)射頻/微波信號(hào)在封閉傳輸線和空氣媒體之間的匹配傳輸。

04射頻微波工程基礎(chǔ)知識(shí)

關(guān)于分貝dB的基礎(chǔ)概念

通常情況下,射頻/微波電路用波的概念來(lái)描述能量的傳遞,用功率而不用電壓或電流。

由于便于測(cè)量和運(yùn)算,分貝用的最多。

dBm：功率相對(duì)于1mW的比值；

dBw：功率相對(duì)于1W的比值；

dBi，就是天線相對(duì)于一個(gè)全向點(diǎn)源天線的增益比值

更多dB

功率對(duì)應(yīng)關(guān)系表

05常用的射頻微波接頭

各種電路模塊需要用接插件連接起來(lái)。

這種連接可以是硬連接,也可以通過電纜軟連接。

電纜分為柔性電纜、軟電纜和半剛性電纜。

工程中的具體選擇由總體結(jié)構(gòu)、 成本與性能等因素決定。

這些接頭都是陰—陽(yáng)配對(duì)使用。

旋接時(shí)一手捏緊陰頭端，另一手旋轉(zhuǎn)陽(yáng)頭端螺套，使接頭插針沿軸向拔出或插入，不應(yīng)旋轉(zhuǎn)陰頭端，以免損傷插針和插孔。

接頭另一端焊接射頻/微波電路或與合適的電纜相接。

06射頻微波電路的應(yīng)用

射頻/微波電路的經(jīng)典用途是通信和雷達(dá)系統(tǒng)。

近年來(lái)發(fā)展最為迅猛的當(dāng)數(shù)個(gè)人通信系統(tǒng),當(dāng)然,導(dǎo)航、遙感、 科學(xué)研究、 生物醫(yī)學(xué)和微波能的應(yīng)用也占有很大的市場(chǎng)份額。

下面歸納出射頻/微波電路的各種用途,并給出幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

無(wú)線通信系統(tǒng):

空間通信,遠(yuǎn)距離通信,無(wú)線對(duì)講,蜂窩移動(dòng),個(gè)人通信系統(tǒng),無(wú)線局域網(wǎng),衛(wèi)星通信,航空通信,航海通信,機(jī)車通信,業(yè)余無(wú)線電等。

導(dǎo)航系統(tǒng)：

微波著陸系統(tǒng)（MLS）,GPS,無(wú)線信標(biāo),防撞系統(tǒng),航空、航海自動(dòng)駕駛等。

遙感：

地球監(jiān)測(cè),污染監(jiān)測(cè),森林、農(nóng)田、 魚汛監(jiān)測(cè),礦藏、沙漠、 海洋、 水資源監(jiān)測(cè),風(fēng)、雪、冰、凌監(jiān)測(cè),城市發(fā)展和規(guī)劃等。

射頻識(shí)別：

保安,防盜,入口控制,產(chǎn)品檢查,身份識(shí)別,自動(dòng)驗(yàn)票等。

廣播系統(tǒng)：

調(diào)幅（AM）,調(diào)頻（FM）廣播,電視（TV）等。

汽車和高速公路：

自動(dòng)避讓,路面告警,障礙監(jiān)測(cè),路車通信,交通管理,速度測(cè)量,智能高速路等。

傳感器：

潮濕度傳感器,溫度傳感器,長(zhǎng)度傳感器,探地傳感器,機(jī)器人傳感器等。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)：

間諜衛(wèi)星,輻射信號(hào)監(jiān)測(cè),行軍與阻擊等。

醫(yī)學(xué)應(yīng)用：

磁共振成像,微波成像,微波理療,加熱催化,病房監(jiān)管等。

空間研究:

射電望遠(yuǎn)鏡,外層空間探測(cè)等。

無(wú)線輸電:

空對(duì)空,地對(duì)空,空對(duì)地,地對(duì)地輸送電能等。

審核編輯：湯梓紅