1、射頻電路RF CircuitsI第1講緒論褚慶昕華南理工大學電子與信息學院 天線與射頻技術研究所 HYPERLINK mailto:qxchu qxchuSouth China University of Technology第1講內容電磁場與電磁波回顧射頻的定義射頻的特點常規電路元件的射頻特性微波發展簡史課程內容設置要求與建議1.1電磁場與電磁波J 電磁場=電場+磁場電磁波豐電場波+磁場波South China University of Technology時變、空變電場與時變、空變磁場相互轉化（電場與磁場，時間與空間）形成了電磁波。人類是如何認識電磁波的A間接觀察與抽象思維 均勻無界空間

2、稱為自由空間，電磁場與電 磁波課程只涉及了自由空間的電磁波。South China University of Technology特定的產生和導引電磁波的結構稱為電路-電磁波的路，電路通常存在于有限空間。電路中的波稱為導波（導行波）。射頻頻段的電路稱為射頻電路。光路（光學的路）同樣屬于電磁波電路。以前學過的電路（電流的路、電子的路）屬 于直流電路或低頻、高頻電路，也是電磁波 電路。1.2 射頻的定義J 射頻(Radio Frequency)/微波(Microwave)South China University of Technology無線電頻譜中占據某一特定頻段的電磁波。廣義射頻音頻視頻

3、狹義 射頻微 波紅外I3KHz 30MHz 300MHz 3GHz 3000GHZ 頻率10m1m 0.1m0.1mmSouth China University of Technology頻段代號頻率（GHz）波長（cm）P0.23113030L123015S24157.5C487.53.75X812.53.752.4Ku12.5182.41.67K1826.51.671.13Ka26.5401.130.75毫米波403000.750.1亞毫米波30030000.10.01South China University of Technology1.3射頻的特點J 頻率高A通信系統中相對帶寬A

4、f/f通常為一定值， 所以頻率f越高，越容易實現更大的帶寬 Af,從而信息的容量就越大。A例如，對于1%的相對帶寬，600MHz頻率下 寬帶為6MHz （一個電視頻道的帶寬），而 60GHz頻率下帶寬為600MHz（100個電視頻 道！）。A因此，射頻最廣泛的應用就是無線通信。微波接力通信South China University of Technology地面站之間的直視線路微波傳送塔移動通信-蜂窩電話系統South China University of Technology無線通信-WLAN、WiFiSouth China University of TechnologySouth C

5、hina University of Technology波長短J天線與射頻電路的特性是與其電尺寸九相關的。在保持特性不變的前提下，波 長九越短，天線和電路的尺寸l就越小， 因此，波長短有利于電路的小型化。目標的雷達散射截面（RCS）也與目標 的電尺寸成正比，因此在目標尺寸一定 的情況下，波長越小，RCS就越大。這 就是雷達系統通常工作在微波的原因。雷達South China University of TechnologySouth China University of Technology地球大氣層中的電離層對大部分無線電波 呈反射狀態（短波傳播的原理），但在微 波波段存在若干窗口。因此

6、，衛星通信、 射頻天文通常采用微波波段。分子諧振各種分子、原子和原子核的諧振都發生在 MW波段，這使得微波在基礎科學、醫學、 遙感和加熱等領域有獨特的應用。衛星通信South China University of Technology射電天文望遠鏡South China University of Technology微波治療儀South China University of TechnologyRF/MW典型應用的頻譜應用范圍頻率范圍電視54MHz890MHz移動通信（4G-LTE）700-900MHz1710-2690MHzGPS全球定位系統1227MHz （軍用）1575MHz （民

7、用）微波爐2.45GHz美國UWB通信3.110.6GHz衛星通信C波段和Ku波段雷達L、S、X 波段RFID43MHz, 900MHz,2.4GHz，5.4GHzSouth China University of Technology上述特點使得射頻有著廣泛的應用,但是真正 使射頻成為一門獨立學科是因其具有一個獨特 特點：射頻的波長與自然界物體尺寸相比擬在射頻相鄰低端以下的頻段，波長比物體尺寸 長很多，可以采用集總模型研究。在射頻相鄰高端以上的頻段，波長比物體尺寸 小很多，可以采用幾何光學研究。 當波長與物體的尺寸相比擬時，電磁波波動性 呈主流，因此，必須采用電磁場理論和分布模 型研究。.1

8、.4常規電路元件的射頻特性J 在常規交流電路中，最常用的電路元件是電 阻R,電感L,電容C和連接這些元件的導線。South China University of Technology在頻率較低時，電阻器，電感器和電容器分別對應于熱能，磁場能量和電場能量集中的區域，所以可以用“集總”元件表征。這時R，L，C基本為常數，不隨頻率變化，導線也相當于與頻率無關的短路線段。在射頻波段，由于導體的趨膚效應，介質損耗效應，電磁感應等的影響，器件區域不再是單純能量的集中區，而呈現分布特性。1.4.1 長線概念J 考慮導線上傳輸交變電流i,變化規律為South China University of Tech

9、nologyi(t, z) = I cos(曲-Bz -Yo) = I。cos2%(彳-z) + oe = Xf, f = , B =分別考慮 f = 50 Hz （照明交流電）f = 1 GHz （GSM蜂窩電路）f3 = 10GHz （X波段雷達）對應的波長South China University of Technologyc 3 x 108二二二 6 x 106 m 二 6000血f 50_ _ 3 x108 二石二1X歹=03m = 30cm_ 3 x 108 f - 10 x 109=0 03m = 3cm于是在一段長為1South China University of Tec

10、hnology米的導線上，照明 電流幾乎不變化，GSM蜂窩電話電流 有3.3個周期變化， 而X波段雷達電流 有33個周期變化。 因此，對于照明電 力系統，導線長幾 米都不會有什么影響，而對于X波段 雷達，導線那怕變 化幾厘米，影響都 很大。通常把射頻導線（傳輸線）稱為長 線，傳統的電路理 論已不適合長線。長線概念1.4.2 導體趨膚效應South China University of TechnologyJ 考慮一個半徑為Q、長為人電導率為b的圓柱 導體，沿縱向流過的直流電流為人由于直流 電流均勻地分布在導體內，因此，直流電阻R 和電流密度J為對于交流電流，導體周圍產生磁場，磁場又 產生電場

11、。South China University of Technology而電場形成與原電流相反的電流密度。在導 體中心處，這種效應最強烈，致使導體中心 的電流密度明顯減小，隨著頻率的增高，電 流趨于導體表面，即趨膚效應。效應，縱向電流密度沿導體徑向的分布規律為South China University of Technologyarr-（1+丿）J沁e8z趨膚深度高頻條件下，電阻和電感為28 = RcdL q Rjjc冗a22na8可見，高頻電阻與直流電阻之 比恰好等于導體截面積與趨膚 深度面積之比。A高頻電感電抗等于高頻電阻值。1.4.3高頻電阻J 由于高頻效應，高頻時電阻R將會出現引線

12、電 感、引線電阻、極間電容、引線間電容等。于是標稱值為R的電阻R的電阻的等效電路為South China University of Technology通常趨膚效應引起的電阻和引線間電容可以忽略。例】計算長為25cm,半徑為a=2032xl0-4m的銅 導線連接的5000電阻的高頻電阻的阻抗特性， 極間電容為5pF。L Rdc a2/ana2Z = jeL +103South China University of Technology1.4. 4高頻電容South China University of Technology高頻時，除了引線電感和引線電阻外，電介質變得有耗，G壬J 平板電容

13、是最常用的電容，對于面積為A,間 距為d,填充介電常數為的電介質的平板電容 在低頻時為South China University of Technology于是，平板電容變成了c與電導的并聯，并聯 導納Y 二 jc + Ge =jc （1 -殳）= jeC （1 + J阮JtgdC08tg Ss =損耗角正切A損耗角正切反映了位移與傳導電流的比例。考慮引線電感L，弓I線電阻Rs和介質損耗電導，平板電容的等效電路為【例】計算一個47pF平板電容器的高頻阻抗，設引線為長為1.25cm,半徑a=2032x10-4m的銅線。South China University of Technology77

14、1L =nHR = 4.8 打pGGe = Ctgs=29.53 X10-121/ GZ = R+ jsL1Ge + jeC1 oo o oGz- QOUEPQdlu-2L1001.4.5高頻電感J 電感通常是由導體線圈構成，在高頻，線圈除 了具有電感外，還有高頻電阻和線圈導體間的 寄生電容。因此，電感已變為RLC諧振器。South China University of TechnologyRsAAA/IICsSouth China University of Technology37歲) 實驗證實了麥克斯韋方程的預1.5 微波發展簡史1864年，英國物理學家J. C. Maxwell (1

15、8311879, 48歲)發表了著名的麥克斯韋方 程，從理論上預測電磁波的存在。1887年，德國物理學家H. Hertz (1857-1894,言。赫芝采用電火花間隙 發射機和加載偶極天線演 示電磁波的傳播.1900年，意大利發明家G. Marconi (1874-1937,63歲）首次實現了穿越大西洋的無線電South China University of Technology通信。他的發射天線與地之間連接70KHz電火花發生器，接收天線與風箏支撐。1931年,英國與法國之間建立了y.l.t 1- eAv廣卩二次大戰后，微波接力 通信得到了迅速發展， 20世紀50-70年代，微 波接力通信

16、是電視信號遠距離傳輸的主要手段。1935年英國的R. W. Watt開展了雷達的研究，Radar = radio detectingandranging 無線電探測與搜索）South China University of Technology次在試驗中測得飛機的1938年,第一只調速管問世，1940年,英國的布 特和蘭特爾研制出磁控管，為雷達提供 了大功率源。1940年，第一臺10cm波長雷達問世。雷達的出現 使微波得到了人們的根本認識。美國在 MIT專門成立“輻射實驗室”，調集了 大量頂尖科學家以戰時狀態對雷達進行 大規模、全方位研究。微波技術學科最 初就是從雷達衍生出來的。Researc

17、h Institute of Antennas & RF TechniquesSouth China University of Technology1945年,1963年,雷神公司把磁控管用于微波加熱，誕 生了微波爐，如今磁控管依然是微波 爐的核心源。國際通信衛星組織發射了第一顆同步 通信衛星。70年代，雷達、衛星通信、微波中繼通信成為 微波應用的主要領域，并迅速擴展到 微波加熱和微波遙感等領域。同時， RFIC、MIC開始迅速發展。South China University of Technology促進作用一樣，移動通信給微波帶80-90年代,移動通信成為微波最耀眼的應用， 如同二次大

18、戰中雷達對微波發展的 來了第二次發展高潮。由于是民用， 涉及千家萬戶，發展更為迅速，更 為廣泛，如今甚至已改變了人類的 生活習慣。如今，微波、射頻應用幾乎深入了各類領域，我們身邊隨處可見：手機、藍 牙、無線上網，衛星電視、GPS定 位與導航、RFID等。South China University of Technology3G移動通信WiFi1900 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2000 10 電報廣播皿雷達01衛星通信 移動通信皿二DBS血 商用GPS皿RFIDResearch Institute of Antennas & RF Techniques1.6 課程

19、內容設置J 從典型射頻系統看本課程內容設置South China University of Technology無線通信系統原理框圖無線通信系統射頻前端原理框圖Up-converterSouth China University of TechnologyInformation signalIntoriiuiion signalModulatorBPFPower d inplitlerLC)Do wn-co livelierDemodulator 每周交一次作業，課件從網上下載 HYPERLINK 34/rf1/ http:/20238193234/rf1/1李緒益 微波技術與微波電路，華南理工大學出版 社，2007，（教材，習題）2 R. Ludwig, P. Bretchko, RF circuit Design - Theory and Applications, 電子工業出版社（中、英 本），2004。3 P. M