微波電路與天線

MicrowaveCircuitsandAntennas

第1講

緒論吳小虎電子與信息工程學院Email:xiaohu.wu@第1講內容射頻/微波的定義射頻/微波的特點常規電路元件的射頻特性射頻/微波的簡史課程內容設置本課程的要求與建議教材pp1-101.1RF/MW的定義

射頻(RadioFrequency)/微波(Microwave)

無線電頻譜中占據某一特殊頻段的電磁波。頻率3KHz30MHz3GHz3000GHz音頻視頻狹義射頻微波紅外100Km10m1m0.1mm波長300MHz0.1m廣義射頻頻段代號頻率（GHz）波長（cm)P0.23—1130—30L1—230—15S2—415—7.5C4—87.5—3.75X8—12.53.75—2.4Ku12.5—182.4—1.67K18—26.51.67—1.13Ka26.5—401.13—0.75毫米波40—3000.75—0.1亞毫米波300—30000.1—0.01RF/MW典型應用的頻譜應用范圍頻率范圍電視54MHz—890MHz移動電話900MHz—1800MHzGPS全球定位系統1227MHz（軍用）1575MHz（民用）微波爐2.45GHz美國UWB通信3.1—10.6GHz衛星通信C波段和Ku波段雷達L、S、X波段...RFID43MHz,900MHz,2.4GHz，5.4GHz1.2

RF/MW的特點頻率高通信系統中相對帶寬

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

f，從而信息的容量就越大。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?。?。因此，RF/MW的一個最廣泛應用就是無線通信。無線通訊無線局域網（WLAN）電磁波蜂窩電話系統微波接力通信衛星通信波長短天線與RF電路的特性是與其電尺寸l/

相關的。在保持特性不變的前提下，波長

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MW的原因。雷達大氣窗口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MW波段存在若干窗口。因此，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。射電天文望遠鏡微波爐微波治療儀上述特點使得RF/MW有著廣泛的應用，但是真正使RF/MW成為一門獨立學科是因其具有一個獨特特點：

RF/MW的波長與自然界物體尺寸相比擬。在RF/MW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RF/MW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。1.3常規電路元件的射頻特性在常規交流電路中，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。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RF/MW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。1.3.1

長線概念考慮導線上傳輸交變電流i，變化規律為

分別考慮

對應的波長于是在一段長為1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RF/MW導線（傳輸線）稱為長線，傳統的電路理論已不適合長線。長線概念考慮一個半徑為a，長為l，電導率為s的圓柱導體，沿縱向流過的直流電流為I。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1.3.2

導體的趨膚效應laI對于交流電流，導體周圍產生磁場。交流磁場又產生電場。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。EHIi因此，高頻時，導體損耗會增大，并具有電感效應。高頻時，沿縱向的電流密度沿導體徑向的分布規律為高頻條件下，電阻和電感為

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。高頻電感電抗等于高頻電阻值。－趨膚深度1.3.3

高頻電阻由于高頻效應，在高頻時電阻R將會出現引線電感，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通常趨膚效應引起電阻和引線間電容可以忽略。

【例】計算長為2.5cm,半徑為a=2.032x10-4m的銅導線連接的500

電阻的高頻電阻的阻抗特性，極間電容為5pF。平板電容是最常用的電容，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高頻時，除了引線電感和引線電容外，電介質變得有耗，產生高頻介質電導率，損耗電導為1.3.4

高頻電容于是，平板電容變成了C與電導的并聯，并聯導納

損耗角正切反映了位移與傳導電流的比例?？紤]引線電感L，引線電阻Rs和介質損耗電導Ge，平板電容的等效電路為－損耗角正切【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=2.032x10-4m的銅線。1.3.5高頻電感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。1.4RF/MW發展簡史1864年，英國物理學家J.C.Maxwell(1831-1879,48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(1857-1894,37歲)實驗證實了麥克斯韋方程的預言。赫茲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第一條微波通信線線路。20世紀50-70年代，微波接力通信是電視信號遠距離傳輸的主要手段。大西洋1935年，英國的R.W.Watt開展了雷達的研究，（Radar=radiodetectingandranging無線電探測與定位），同年首次在試驗中測得飛機的回波。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，這些微波電子管器件都是雷達不可缺少的源。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，極大地促進了雷達與微波技術的發展。1945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。1963年，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RF/MW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。80-90年代，移動通信成為最耀眼的應用，如同二次大戰中雷達對RF/MW發展的促進作用一樣，移動通信，尤其是蜂窩移動通信給RF/MW帶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，甚至改變了人類的生活習慣。如今，RF/MW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、RFID等。2000年908070605040302010190010電報廣播雷達衛星通信移動通信DBS商用GPS3G移動通信UWB通信DVB-HRFID4G移動通信1.5課程內容設置從典型RF系統看本課程內容設置Antenna無線通信系統原理框圖無線通信系統射頻前端原理框圖RF/MW系統通常由這樣幾類裝置組成：傳輸線：傳輸RF/MW信號的裝置。無源器件：完成微波信號和功率的分配、控制和濾波等功能的裝置，沒有進行微波能量與其他能量（如直流）的轉換,如濾波器，雙工器，耦合器等。有源器件：產生、放大、變換微波信號和功率的裝置，一般要將微波能量與其他能量進行轉換。天線：輻射或接收電磁波的裝置。正是上述裝置構成了本課程內容。無源器件:電容，電感，電阻，傳輸線濾波器，功分器，雙工器，阻抗匹配器，環形器，諧振器，天線有源器件:二極管，三極管，功放器，混頻器，震蕩器，多路復用器,速調管當然，RF/MW應用還涉及其他重要方面，如：電波傳播RF/MW測量RF/MW仿真與計算盡管很重要，由于課時有限，本課程不講授。1.6本課程要求與建議成績評定與作業要求作業30%，期未考試70%。每周交一次作業參考書籍[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,RFcircuitDesign–TheoryandApplications,電子工業出版社